Paleontologia - Paleontology

Un paleontologo al lavoro al John Day Fossil Beds National Monument

Paleontologia ( / ˌ p l i ɒ n t ɒ l ə i , ˌ p Æ l i -, - ən - / ), anche scritte paleontologia o paleontologia , è lo studio scientifico della vita che esisteva prima, e, talvolta, compreso, l'inizio dell'epoca dell'Olocene (circa 11.700 anni prima del presente). Include lo studio dei fossili per classificare gli organismi e studiare le loro interazioni tra loro e i loro ambienti (la loro paleoecologia ). Le osservazioni paleontologiche sono state documentate fin dal V secolo a.C. La scienza si è affermata nel 18 ° secolo a seguito di Georges Cuvier lavoro s' sulla anatomia comparata , e si sviluppò rapidamente nel 19 ° secolo. Il termine stesso deriva dal greco παλα ( 'palaios' , "vecchio, antico"), ὄν ( 'on' , ( gen. 'ontos' ), "essere, creatura"), e λόγος ( 'logos' , "discorso, pensiero, studio").

La paleontologia si trova al confine tra biologia e geologia, ma differisce dall'archeologia in quanto esclude lo studio dell'uomo anatomicamente moderno . Ora utilizza tecniche tratte da una vasta gamma di scienze, tra cui biochimica , matematica e ingegneria. L'uso di tutte queste tecniche ha permesso ai paleontologi di scoprire gran parte della storia evolutiva della vita , quasi fino a quando la Terra divenne in grado di sostenere la vita, quasi 4 miliardi di anni fa. Man mano che la conoscenza è aumentata, la paleontologia ha sviluppato suddivisioni specializzate, alcune delle quali si concentrano su diversi tipi di organismi fossili mentre altre studiano l' ecologia e la storia ambientale, come i climi antichi .

I fossili corporei e le tracce fossili sono i principali tipi di prove sulla vita antica e le prove geochimiche hanno aiutato a decifrare l'evoluzione della vita prima che esistessero organismi abbastanza grandi da lasciare fossili corporei. La stima delle date di questi resti è essenziale ma difficile: a volte gli strati rocciosi adiacenti consentono la datazione radiometrica , che fornisce date assolute che sono accurate entro lo 0,5%, ma più spesso i paleontologi devono affidarsi a datazioni relative risolvendo i " puzzle " della biostratigrafia (disposizione degli strati rocciosi dal più giovane al più antico). Anche la classificazione degli organismi antichi è difficile, poiché molti non si adattano bene alla tassonomia di Linneo che classifica gli organismi viventi e i paleontologi usano più spesso la cladistica per elaborare "alberi genealogici" evolutivi. L'ultimo quarto del ventesimo secolo ha visto lo sviluppo della filogenetica molecolare , che studia la stretta relazione tra gli organismi misurando la somiglianza del DNA nei loro genomi . La filogenetica molecolare è stata utilizzata anche per stimare le date di divergenza delle specie, ma c'è controversia sull'affidabilità dell'orologio molecolare da cui dipendono tali stime.

Panoramica

La definizione più semplice di "paleontologia" è "lo studio della vita antica". Il campo cerca informazioni su diversi aspetti degli organismi del passato: "la loro identità e origine, il loro ambiente e la loro evoluzione e cosa possono dirci sul passato organico e inorganico della Terra".

Scienze storiche

La preparazione delle ossa fossilizzate di Europasaurus holgeri

William Whewell (1794-1866) classificò la paleontologia come una delle scienze storiche, insieme all'archeologia , alla geologia, all'astronomia , alla cosmologia , alla filologia e alla storia stessa: la paleontologia mira a descrivere fenomeni del passato e a ricostruirne le cause. Quindi ha tre elementi principali: descrizione dei fenomeni passati; sviluppare una teoria generale sulle cause dei vari tipi di cambiamento; e applicando quelle teorie a fatti specifici. Quando si cerca di spiegare il passato, i paleontologi e altri scienziati storici spesso costruiscono una serie di una o più ipotesi sulle cause e poi cercano una " pistola fumante ", una prova che concorda fortemente con un'ipotesi rispetto a qualsiasi altra. A volte i ricercatori scoprono una "pistola fumante" per un fortunato incidente durante altre ricerche. Ad esempio, il 1980 scoperta da Luis e Walter Alvarez di iridio , un metallo principalmente extraterrestri, nel Cretaceo - Terziario strato limite ha fatto impatto di un asteroide la spiegazione più favorita per l' Estinzione di massa del Cretaceo-Paleocene - anche se continua il dibattito sul contributo del vulcanismo.

Si dice spesso che un approccio complementare allo sviluppo della conoscenza scientifica, la scienza sperimentale , funzioni conducendo esperimenti per confutare ipotesi sul funzionamento e le cause dei fenomeni naturali. Questo approccio non può provare un'ipotesi, poiché alcuni esperimenti successivi potrebbero confutarla, ma l'accumulo di fallimenti da confutare è spesso una prova convincente a favore. Tuttavia, di fronte a fenomeni del tutto inaspettati, come le prime prove di radiazioni invisibili , gli scienziati sperimentali usano spesso lo stesso approccio degli scienziati storici: costruire una serie di ipotesi sulle cause e poi cercare una "pistola fumante".

Scienze correlate

La paleontologia si trova tra la biologia e la geologia poiché si concentra sulla registrazione della vita passata, ma la sua principale fonte di prove sono i fossili nelle rocce. Per ragioni storiche, la paleontologia fa parte del dipartimento di geologia di molte università: nel XIX e all'inizio del XX secolo, i dipartimenti di geologia hanno trovato prove fossili importanti per la datazione delle rocce, mentre i dipartimenti di biologia hanno mostrato scarso interesse.

La paleontologia ha anche alcune sovrapposizioni con l' archeologia , che lavora principalmente con oggetti realizzati dall'uomo e con resti umani, mentre i paleontologi sono interessati alle caratteristiche e all'evoluzione dell'uomo come specie. Quando si tratta di prove sugli esseri umani, archeologi e paleontologi possono lavorare insieme: ad esempio, i paleontologi potrebbero identificare fossili di animali o piante intorno a un sito archeologico , per scoprire le persone che vivevano lì e cosa mangiavano; oppure potrebbero analizzare il clima al momento dell'abitazione.

Inoltre, la paleontologia spesso prende in prestito tecniche da altre scienze, tra cui biologia, osteologia , ecologia, chimica , fisica e matematica. Ad esempio, le firme geochimiche delle rocce possono aiutare a scoprire quando la vita è sorta per la prima volta sulla Terra e le analisi dei rapporti degli isotopi del carbonio possono aiutare a identificare i cambiamenti climatici e persino a spiegare le principali transizioni come l' evento di estinzione del Permiano-Triassico . Una disciplina relativamente recente, la filogenetica molecolare , mette a confronto il DNA e l' RNA degli organismi moderni per ricostruire gli "alberi genealogici" dei loro antenati evolutivi. È stato utilizzato anche per stimare le date di importanti sviluppi evolutivi, sebbene questo approccio sia controverso a causa dei dubbi sull'affidabilità dell'" orologio molecolare ". Tecniche di ingegneria sono stati utilizzati per analizzare come i corpi di organismi antichi potrebbero hanno lavorato, ad esempio, la forza e la velocità di esecuzione del morso Tyrannosaurus , o la meccanica di volo di Microraptor . E 'relativamente comune per studiare i dettagli interni di fossili utilizzando microtomografia a raggi X . Paleontologia, biologia, archeologia e paleoneurobiologia si combinano per studiare i calchi endocranici (endocalchi) di specie legate all'uomo per chiarire l'evoluzione del cervello umano.

La paleontologia contribuisce anche all'astrobiologia , l'indagine sulla possibile vita su altri pianeti , sviluppando modelli di come la vita possa essere sorta e fornendo tecniche per rilevare prove di vita.

suddivisioni

Man mano che la conoscenza è aumentata, la paleontologia ha sviluppato suddivisioni specializzate. La paleontologia dei vertebrati si concentra sui fossili dai primi pesci agli antenati immediati dei mammiferi moderni . Paleontologia invertebrati si occupa di fossili quali molluschi , artropodi , anellidi vermi e echinodermi . La paleobotanica studia piante fossili , alghe e funghi. La palinologia , lo studio del polline e delle spore prodotti da piante terrestri e protisti , è a cavallo tra paleontologia e botanica , poiché si occupa sia di organismi viventi che fossili. La micropaleontologia si occupa di organismi fossili microscopici di ogni tipo.

Le analisi che utilizzano tecniche ingegneristiche mostrano che il tirannosauro ha avuto un morso devastante, ma sollevano dubbi sulla sua capacità di corsa.

Invece di concentrarsi sui singoli organismi, la paleoecologia esamina le interazioni tra diversi organismi antichi, come le loro catene alimentari e le interazioni bidirezionali con i loro ambienti. Ad esempio, lo sviluppo della fotosintesi ossigenata da parte dei batteri ha causato l' ossigenazione dell'atmosfera e ha aumentato enormemente la produttività e la diversità degli ecosistemi . Insieme, questi hanno portato all'evoluzione di cellule eucariotiche complesse , da cui sono costruiti tutti gli organismi multicellulari .

La paleoclimatologia , sebbene a volte trattata come parte della paleoecologia, si concentra maggiormente sulla storia del clima terrestre e sui meccanismi che lo hanno modificato - che a volte hanno incluso sviluppi evolutivi , ad esempio la rapida espansione delle piante terrestri nel periodo Devoniano ha rimosso più anidride carbonica da l'atmosfera, riducendo l' effetto serra e contribuendo così a provocare un'era glaciale nel periodo Carbonifero .

La biostratigrafia , l'uso dei fossili per elaborare l'ordine cronologico in cui si sono formate le rocce, è utile sia ai paleontologi che ai geologi. La biogeografia studia la distribuzione spaziale degli organismi, ed è anche legata alla geologia, il che spiega come la geografia della Terra sia cambiata nel tempo.

Fonti di evidenza

Fossili corporei

Questo Marrella esemplare illustra come chiaro e dettagliato i fossili del Burgess Shale Lagerstätte sono

I fossili dei corpi degli organismi sono solitamente il tipo di prova più informativo. I tipi più comuni sono legno, ossa e conchiglie. La fossilizzazione è un evento raro e la maggior parte dei fossili viene distrutta dall'erosione o dal metamorfismo prima di poter essere osservata. Quindi la documentazione fossile è molto incompleta, sempre più indietro nel tempo. Nonostante ciò, è spesso adeguato illustrare i modelli più ampi della storia della vita. Ci sono anche dei pregiudizi nei reperti fossili: ambienti diversi sono più favorevoli alla conservazione di diversi tipi di organismi o parti di organismi. Inoltre, vengono solitamente conservate solo le parti di organismi che erano già mineralizzate , come le conchiglie dei molluschi. Poiché la maggior parte delle specie animali ha un corpo molle, decadono prima di potersi fossilizzare. Di conseguenza, sebbene ci siano più di 30 phyla di animali viventi, due terzi non sono mai stati trovati come fossili.

Occasionalmente, ambienti insoliti possono preservare i tessuti molli. Questi lagerstätten consentono ai paleontologi di esaminare l'anatomia interna di animali che in altri sedimenti sono rappresentati solo da conchiglie, spine, artigli, ecc. – se sono conservati. Tuttavia, anche i lagerstätten presentano un quadro incompleto della vita dell'epoca. La maggior parte degli organismi viventi all'epoca probabilmente non è rappresentata perché i lagerstätten sono limitati a una gamma ristretta di ambienti, ad esempio dove gli organismi a corpo molle possono essere preservati molto rapidamente da eventi come frane; e gli eventi eccezionali che causano una rapida sepoltura rendono difficile lo studio degli ambienti normali degli animali. La scarsità dei reperti fossili significa che ci si aspetta che gli organismi esistano molto prima e dopo essere stati trovati nei reperti fossili - questo è noto come effetto Signor-Lipps .

Traccia fossili

Tracce fossili cambriane tra cui Rusophycus , realizzate da un trilobite
Climactichnites --- Tracciati del Cambriano (10–12 cm di larghezza) da grandi animali simili a lumache su una piana di marea del Cambrianonell'attuale Wisconsin .

Le tracce fossili sono costituite principalmente da tracce e tane, ma includono anche coproliti ( feci fossili ) e segni lasciati dall'alimentazione. Le tracce fossili sono particolarmente significative perché rappresentano una fonte di dati che non si limita agli animali con parti dure facilmente fossilizzate e riflettono i comportamenti degli organismi. Inoltre, molte tracce risalgono a molto prima dei fossili corporei di animali che si ritiene siano stati in grado di produrli. Mentre l'esatta assegnazione delle tracce fossili ai loro creatori è generalmente impossibile, le tracce possono ad esempio fornire la prima prova fisica della comparsa di animali moderatamente complessi (paragonabili ai lombrichi ).

Osservazioni geochimiche

Le osservazioni geochimiche possono aiutare a dedurre il livello globale di attività biologica in un determinato periodo o l'affinità di certi fossili. Ad esempio, le caratteristiche geochimiche delle rocce possono rivelare quando la vita è sorta per la prima volta sulla Terra e possono fornire prove della presenza di cellule eucariotiche , il tipo da cui sono costruiti tutti gli organismi multicellulari . Le analisi dei rapporti isotopici del carbonio possono aiutare a spiegare le principali transizioni come l' evento di estinzione del Permiano-Triassico .

Classificazione degli organismi antichi

Livelli nella tassonomia di Linneo

È importante nominare gruppi di organismi in modo chiaro e ampiamente concordato, poiché alcune controversie in paleontologia si sono basate solo su malintesi sui nomi. La tassonomia di Linneo è comunemente usata per classificare gli organismi viventi, ma incontra difficoltà quando si tratta di organismi scoperti di recente che sono significativamente diversi da quelli conosciuti. Ad esempio: è difficile decidere a quale livello collocare un nuovo raggruppamento di livello superiore, ad esempio genere o famiglia o ordine ; questo è importante poiché le regole di Linneo per la denominazione dei gruppi sono legate ai loro livelli, e quindi se un gruppo viene spostato a un livello diverso deve essere rinominato.

Tetrapodi

anfibi

amnioti
sinapsidi

Sinapsidi estinti

   

Mammiferi

Rettili

Rettili estinti

Lucertole e serpenti

arcosauri


Arcosauri estinti

coccodrilli

Dinosauri ?
  


Dinosauri estinti


 ? 

Uccelli


   Cladogramma di esempio semplice Il sangue caldo si è evoluto da qualche parte nella
transizione sinapside-mammifero.
? Anche il sangue caldo deve essersi evoluto in uno di questi punti - un esempio di evoluzione convergente .
  

I paleontologi generalmente utilizzano approcci basati sulla cladistica , una tecnica per elaborare l'"albero genealogico" evolutivo di un insieme di organismi. Funziona secondo la logica che, se i gruppi B e C hanno più somiglianze tra loro rispetto al gruppo A, allora B e C sono più strettamente correlati tra loro di quanto non lo siano con A. I caratteri che vengono confrontati possono essere anatomici , come la presenza di una notocorda , o molecolare , confrontando sequenze di DNA o proteine . Il risultato di un'analisi riuscita è una gerarchia di cladi, gruppi che condividono un antenato comune. Idealmente l'"albero genealogico" ha solo due rami che conducono da ciascun nodo ("giunzione"), ma a volte ci sono troppe poche informazioni per ottenere ciò e i paleontologi devono accontentarsi di giunzioni che hanno più rami. La tecnica cladistica è talvolta fallibile, poiché alcune caratteristiche, come le ali o gli occhi della telecamera , si sono evolute più di una volta, in modo convergente  - questo deve essere preso in considerazione nelle analisi.

La biologia evolutiva dello sviluppo , comunemente abbreviata in "Evo Devo", aiuta anche i paleontologi a produrre "alberi genealogici" e a comprendere i fossili. Ad esempio, lo sviluppo embriologico di alcuni brachiopodi moderni suggerisce che i brachiopodi possano essere discendenti degli halkieriidi , estinti nel periodo Cambriano .

Stima delle date degli organismi

La paleontologia cerca di mappare come gli esseri viventi sono cambiati nel tempo. Un ostacolo sostanziale a questo scopo è la difficoltà di calcolare l'età dei fossili. I letti che conservano i fossili in genere mancano degli elementi radioattivi necessari per la datazione radiometrica . Questa tecnica è il nostro unico mezzo per dare alle rocce più vecchie di circa 50 milioni di anni un'età assoluta e può essere accurata entro lo 0,5% o meglio. Sebbene la datazione radiometrica richieda un lavoro di laboratorio molto accurato, il suo principio di base è semplice: sono note le velocità con cui decadono i vari elementi radioattivi , e quindi il rapporto tra l'elemento radioattivo e l'elemento in cui decade mostra quanto tempo fa l'elemento radioattivo è stato incorporato nella roccia. Gli elementi radioattivi sono comuni solo nelle rocce di origine vulcanica, quindi le uniche rocce fossili che possono essere datate radiometricamente sono alcuni strati di cenere vulcanica.

Di conseguenza, i paleontologi devono solitamente fare affidamento sulla stratigrafia per datare i fossili. La stratigrafia è la scienza della decifrazione della "torta a strati" che è la registrazione sedimentaria , ed è stata paragonata a un puzzle . Le rocce normalmente formano strati relativamente orizzontali, con ogni strato più giovane di quello sottostante. Se un fossile viene trovato tra due strati le cui età sono note, l'età del fossile deve trovarsi tra le due età conosciute. Poiché le sequenze rocciose non sono continue, ma possono essere interrotte da faglie o periodi di erosione , è molto difficile far combaciare letti rocciosi che non siano direttamente adiacenti l'uno all'altro. Tuttavia, fossili di specie sopravvissute per un tempo relativamente breve possono essere utilizzati per collegare rocce isolate: questa tecnica è chiamata biostratigrafia . Ad esempio, il conodonte Eoplacognathus pseudoplanus ha un breve areale nel periodo dell'Ordoviciano medio. Se si riscontrano che rocce di età sconosciuta hanno tracce di E. pseudoplanus , devono avere un'età medio-ordoviziana. Tali fossili indice devono essere distintivi, essere distribuiti globalmente e avere un breve intervallo di tempo per essere utili. Tuttavia, vengono prodotti risultati fuorvianti se i fossili indice risultano avere intervalli fossili più lunghi di quanto si pensasse inizialmente. La stratigrafia e la biostratigrafia possono in generale fornire solo datazioni relative ( A era prima di B ), che spesso sono sufficienti per studiare l'evoluzione. Tuttavia, questo è difficile per alcuni periodi di tempo, a causa dei problemi legati all'abbinamento di rocce della stessa età in diversi continenti .

Le relazioni dell'albero genealogico possono anche aiutare a restringere la data in cui i lignaggi sono apparsi per la prima volta. Ad esempio, se i fossili di B o C risalgono a X milioni di anni fa e l'"albero genealogico" calcolato dice che A era un antenato di B e C, allora A deve essersi evoluto più di X milioni di anni fa.

È anche possibile stimare quanto tempo fa due cladi viventi si sono separati – cioè approssimativamente quanto tempo fa deve essere vissuto il loro ultimo antenato comune – assumendo che le mutazioni del DNA si accumulino a un ritmo costante. Questi " orologi molecolari ", tuttavia, sono fallibili e forniscono solo una tempistica molto approssimativa: ad esempio, non sono sufficientemente precisi e affidabili per stimare quando si sono evoluti per la prima volta i gruppi che caratterizzano l' esplosione cambriana , e le stime prodotte da diverse tecniche possono variare di un fattore due.

Storia della vita

Questa texture rugosa a "pelle di elefante" è una traccia fossile di un tappeto microbico non stromatolite . L'immagine mostra la posizione, nei letti di Burgsvik in Svezia, dove la trama è stata identificata per la prima volta come prova di un tappeto microbico.

La Terra si è formata circa 4.570  milioni di anni fa e, dopo una collisione che ha formato la Luna circa 40 milioni di anni dopo, potrebbe essersi raffreddata abbastanza velocemente da avere oceani e un'atmosfera circa 4.440  milioni di anni fa . Ci sono prove sulla Luna di un pesante bombardamento tardivo da parte di asteroidi da 4.000 a 3.800 milioni di anni fa . Se, come sembra probabile, un tale bombardamento ha colpito la Terra nello stesso momento, la prima atmosfera e gli oceani potrebbero essere stati spazzati via.

La paleontologia fa risalire la storia evolutiva della vita a oltre 3.000  milioni di anni fa , forse fino a 3.800  milioni di anni fa . La più antica chiara evidenza di vita sulla Terra risale a 3.000  milioni di anni fa , anche se ci sono state segnalazioni, spesso contestate, di batteri fossili di 3.400  milioni di anni fa e di prove geochimiche per la presenza di vita 3.800  milioni di anni fa . Alcuni scienziati hanno proposto che la vita sulla Terra sia stata "seminata" da altrove , ma la maggior parte delle ricerche si concentra su varie spiegazioni di come la vita possa essere sorta indipendentemente sulla Terra.

Per circa 2.000 milioni di anni le stuoie microbiche , colonie multistrato di diversi batteri, sono state la vita dominante sulla Terra. L'evoluzione della fotosintesi ossigenata ha permesso loro di svolgere il ruolo principale nell'ossigenazione dell'atmosfera da circa 2.400  milioni di anni fa . Questo cambiamento nell'atmosfera ha aumentato la loro efficacia come vivai di evoluzione. Mentre gli eucarioti , cellule con complesse strutture interne, potrebbero essere stati presenti in precedenza, la loro evoluzione ha accelerato quando hanno acquisito la capacità di trasformare l'ossigeno da veleno a potente fonte di energia metabolica . Questa innovazione potrebbe provenire da eucarioti primitivi che catturano batteri alimentati dall'ossigeno come endosimbionti e li trasformano in organelli chiamati mitocondri . La prima prova di eucarioti complessi con organelli (come i mitocondri) risale a 1.850  milioni di anni fa .

Opabinia ha suscitato l'interesse moderno per l' esplosione del Cambriano

La vita multicellulare è composta solo da cellule eucariotiche, e la prima prova di ciò sono i fossili del gruppo Francevillian di 2.100  milioni di anni fa , anche se la specializzazione delle cellule per diverse funzioni appare per la prima volta tra 1.430  milioni di anni fa (un possibile fungo) e 1.200  milioni di anni fa (una probabile alga rossa ). La riproduzione sessuale può essere un prerequisito per la specializzazione delle cellule, poiché un organismo multicellulare asessuato potrebbe essere a rischio di essere assunto da cellule canaglia che conservano la capacità di riprodursi.

I primi animali conosciuti sono cnidari di circa 580  milioni di anni fa , ma sono così moderni che devono essere discendenti di animali precedenti. I primi fossili di animali sono rari perché non avevano sviluppato parti dure mineralizzate e facilmente fossilizzabili fino a circa 548  milioni di anni fa . I primi animali bilateri dall'aspetto moderno compaiono nel Cambriano antico , insieme a diverse "strane meraviglie" che hanno poca ovvia somiglianza con qualsiasi animale moderno. C'è un lungo dibattito sul fatto che questa esplosione cambriana sia stata davvero un periodo molto rapido di sperimentazione evolutiva; punti di vista alternativi sono che gli animali dall'aspetto moderno hanno iniziato a evolversi prima, ma i fossili dei loro precursori non sono ancora stati trovati, o che le "strane meraviglie" sono "zie" e "cugini" evolutivi di gruppi moderni. I vertebrati rimasero un gruppo minore fino alla comparsa del primo pesce con la mascella nel tardo Ordoviciano .

A circa 13 centimetri (5,1 pollici) il primo Cretaceo Yanoconodon era più lungo del mammifero medio del tempo

La diffusione di animali e piante dall'acqua alla terra ha richiesto agli organismi di risolvere diversi problemi, tra cui la protezione dall'essiccamento e il sostentamento contro la gravità . Le prime testimonianze di piante terrestri e invertebrati terrestri risalgono rispettivamente a circa 476  milioni di anni fa e 490  milioni di anni fa . Quegli invertebrati, come indicato dalle loro tracce e dai fossili del corpo, hanno dimostrato di essere artropodi noti come euticarcinoidi . La stirpe che ha prodotto i vertebrati terrestri si è evoluta più tardi, ma molto rapidamente, tra 370  milioni di anni fa e 360  milioni di anni fa ; recenti scoperte hanno ribaltato le idee precedenti sulla storia e le forze trainanti dietro la loro evoluzione. Le piante terrestri ebbero un tale successo che i loro detriti causarono una crisi ecologica nel tardo Devoniano , fino all'evoluzione di funghi in grado di digerire il legno morto.

Gli uccelli sono gli unici dinosauri sopravvissuti

Durante il periodo Permiano , i sinapsidi , compresi gli antenati dei mammiferi , potrebbero aver dominato gli ambienti terrestri, ma questo si è concluso con l' evento di estinzione del Permiano-Triassico 251  milioni di anni fa , che è arrivato molto vicino a spazzare via tutta la vita complessa. Le estinzioni furono apparentemente abbastanza improvvise, almeno tra i vertebrati. Durante la lenta ripresa da questa catastrofe, un gruppo precedentemente oscuro, gli arcosauri , divennero i vertebrati terrestri più abbondanti e diversificati. Un gruppo di arcosauri, i dinosauri, erano i vertebrati terrestri dominanti per il resto del Mesozoico e gli uccelli si sono evoluti da un gruppo di dinosauri. Durante questo periodo gli antenati dei mammiferi sopravvissero solo come piccoli insettivori , principalmente notturni , che potrebbero aver accelerato lo sviluppo di tratti dei mammiferi come l' endotermia e i capelli. Dopo che l' evento di estinzione del Cretaceo-Paleogene 66  milioni di anni fa uccise tutti i dinosauri tranne gli uccelli, i mammiferi aumentarono rapidamente in dimensioni e diversità, e alcuni presero il volo e il mare.

Prove fossili indicano che le piante da fiore sono apparse e si sono rapidamente diversificate nel Cretaceo inferiore tra 130  milioni di anni fa e 90  milioni di anni fa . Si pensa che la loro rapida ascesa al dominio degli ecosistemi terrestri sia stata spinta dalla coevoluzione con gli insetti impollinatori . Gli insetti sociali sono comparsi nello stesso periodo e, sebbene rappresentino solo piccole parti dell'"albero genealogico" degli insetti, ora formano oltre il 50% della massa totale di tutti gli insetti.

Gli umani si sono evoluti da una stirpe di scimmie che camminano erette i cui primi fossili risalgono a oltre 6  milioni di anni fa . Sebbene i primi membri di questo lignaggio avessero cervelli delle dimensioni di uno scimpanzé , circa il 25% più grande di quello degli umani moderni, ci sono segni di un costante aumento delle dimensioni del cervello dopo circa 3  milioni di anni fa . C'è un dibattito di lunga data sul fatto che gli esseri umani moderni siano discendenti di un'unica piccola popolazione in Africa , che poi migrò in tutto il mondo meno di 200.000 anni fa e sostituì le precedenti specie di ominidi , o sorse in tutto il mondo allo stesso tempo come risultato di incroci .

Estinzioni di massa

Intensità di estinzione.svgCambrian Ordovician Silurian Devonian Carboniferous Permian Triassic Jurassic Cretaceous Paleogene Neogene
Intensità di estinzione marina durante il Fanerozoico
%
Milioni di anni fa
Intensità di estinzione.svgCambrian Ordovician Silurian Devonian Carboniferous Permian Triassic Jurassic Cretaceous Paleogene Neogene
Intensità di estinzione apparente, ovvero la frazione di generi che si estingue in un dato momento, come ricostruito dai reperti fossili (grafico non inteso per includere l'epoca recente dell'evento di estinzione dell'Olocene )

La vita sulla terra ha subito estinzioni di massa occasionali almeno da 542  milioni di anni fa . Nonostante i loro effetti disastrosi, le estinzioni di massa hanno talvolta accelerato l'evoluzione della vita sulla terra. Quando il dominio di una nicchia ecologica passa da un gruppo di organismi a un altro, ciò accade raramente perché il nuovo gruppo dominante supera il vecchio, ma di solito perché un evento di estinzione consente al nuovo gruppo di sopravvivere al vecchio e di entrare nella sua nicchia.

I reperti fossili sembrano mostrare che il tasso di estinzione sta rallentando, con sia i divari tra le estinzioni di massa che si allungano sia i tassi di estinzione medi e di fondo che diminuiscono. Tuttavia, non è certo se l'effettivo tasso di estinzione sia cambiato, poiché entrambe queste osservazioni potrebbero essere spiegate in diversi modi:

  • Gli oceani potrebbero essere diventati più ospitali alla vita negli ultimi 500 milioni di anni e meno vulnerabili alle estinzioni di massa: l' ossigeno disciolto è diventato più diffuso e penetrato a profondità maggiori; lo sviluppo della vita sulla terra ha ridotto il deflusso di nutrienti e quindi il rischio di eutrofizzazione ed eventi anossici ; gli ecosistemi marini sono diventati più diversificati in modo che le catene alimentari avessero meno probabilità di essere interrotte.
  • I fossili ragionevolmente completi sono molto rari: la maggior parte degli organismi estinti sono rappresentati solo da fossili parziali e i fossili completi sono più rari nelle rocce più antiche. Così i paleontologi hanno erroneamente assegnato parti dello stesso organismo a generi diversi , che spesso venivano definiti unicamente per accogliere questi reperti – la storia di Anomalocaris ne è un esempio. Il rischio di questo errore è maggiore per i fossili più vecchi perché spesso sono parti diverse da qualsiasi organismo vivente. Molti generi "superflui" sono rappresentati da frammenti che non vengono più ritrovati, e questi generi "superflui" sono interpretati come estinti molto rapidamente.
Tutti i generi
Generi "ben definiti"
Linea di tendenza
Altre estinzioni di massa
Milioni di anni fa
Migliaia di generi
Biodiversità fanerozoica come dimostrato dai reperti fossili

La biodiversità nei reperti fossili, che è

"il numero di generi distinti vivi in ​​un dato momento, cioè quelli la cui prima occorrenza è precedente e la cui ultima occorrenza è successiva a quel tempo"

mostra una tendenza diversa: un aumento abbastanza rapido da 542 a 400 milioni di anni fa , un leggero declino da 400 a 200 milioni di anni fa , in cui il devastante evento di estinzione del Permiano-Triassico è un fattore importante, e un rapido aumento da 200  milioni di anni fa al presente.

Storia

Questa illustrazione di una mascella di elefante indiano e di una mascella di mammut (in alto) è tratta dal documento di Cuvier del 1796 sugli elefanti viventi e fossili.

Sebbene la paleontologia si sia affermata intorno al 1800, i primi pensatori avevano notato aspetti della documentazione fossile . Gli antichi greci filosofo Senofane (570-480 aC) hanno concluso da fossili conchiglie che alcune zone di terra un tempo erano sotto l'acqua. Durante il Medioevo il naturalista persiano Ibn Sina , noto in Europa come Avicenna , discusse di fossili e propose una teoria dei fluidi pietrificanti sulla quale Alberto di Sassonia elaborò nel XIV secolo. Il naturalista cinese Shen Kuo (1031-1095) propose una teoria del cambiamento climatico basata sulla presenza di bambù pietrificato in regioni che ai suoi tempi erano troppo aride per il bambù.

Nella prima Europa moderna , lo studio sistematico dei fossili è emerso come parte integrante dei cambiamenti nella filosofia naturale avvenuti durante l' Età della Ragione . Nel Rinascimento italiano, Leonardo da Vinci ha dato vari contributi significativi al campo e ha anche raffigurato numerosi fossili. I contributi di Leonardo sono centrali nella storia della paleontologia perché ha stabilito una linea di continuità tra i due rami principali della paleontologia: l'icnologia e la paleontologia dei corpi fossili. Ha individuato quanto segue:

  1. La natura biogena degli icnofossili, cioè gli icnofossili erano strutture lasciate da organismi viventi;
  2. L'utilità degli icnofossili come strumenti paleoambientali – alcuni icnofossili mostrano l'origine marina degli strati rocciosi;
  3. L'importanza dell'approccio neoicnologico – tracce recenti sono una chiave per comprendere gli icnofossili;
  4. L'indipendenza e le prove complementari di icnofossili e fossili corporei: gli icnofossili sono distinti dai fossili corporei, ma possono essere integrati con i fossili corporei per fornire informazioni paleontologiche

Alla fine del XVIII secolo il lavoro di Georges Cuvier stabilì l' anatomia comparata come disciplina scientifica e, dimostrando che alcuni animali fossili non assomigliavano a quelli viventi, dimostrò che gli animali potevano estinguersi , portando all'emergere della paleontologia. L'espansione della conoscenza dei reperti fossili ha anche svolto un ruolo crescente nello sviluppo della geologia, in particolare della stratigrafia .

Prima menzione della parola palæontologie , coniata nel gennaio 1822 da Henri Marie Ducrotay de Blainville nel suo Journal de physique .

La prima metà del XIX secolo ha visto l'attività geologica e paleontologica diventare sempre più ben organizzata con la crescita di società e musei geologici e un numero crescente di geologi professionisti e specialisti di fossili. L'interesse aumentò per ragioni non puramente scientifiche, poiché la geologia e la paleontologia aiutarono gli industriali a trovare e sfruttare risorse naturali come il carbone. Ciò ha contribuito a un rapido aumento delle conoscenze sulla storia della vita sulla Terra e al progresso nella definizione della scala temporale geologica , in gran parte basata su prove fossili. Nel 1822 Henri Marie Ducrotay de Blainville , editore del Journal de Physique , coniò la parola "paleontologia" per riferirsi allo studio degli antichi organismi viventi attraverso i fossili. Man mano che la conoscenza della storia della vita continuava a migliorare, divenne sempre più evidente che c'era stato un qualche tipo di ordine successivo allo sviluppo della vita. Ciò ha incoraggiato le prime teorie evolutive sulla trasmutazione delle specie . Dopo che Charles Darwin pubblicò Origin of Species nel 1859, gran parte dell'attenzione della paleontologia si spostò sulla comprensione dei percorsi evolutivi , inclusa l'evoluzione umana e la teoria evolutiva.

Haikouichthys , di circa 518  milioni di anni fa in Cina, potrebbe essere il primo pesce conosciuto

L'ultima metà del XIX secolo ha visto un'enorme espansione dell'attività paleontologica, soprattutto in Nord America. La tendenza è continuata nel XX secolo con l'apertura di ulteriori regioni della Terra alla raccolta sistematica di fossili. I fossili trovati in Cina verso la fine del XX secolo sono stati particolarmente importanti in quanto hanno fornito nuove informazioni sulla prima evoluzione degli animali, dei primi pesci, dei dinosauri e dell'evoluzione degli uccelli. Gli ultimi decenni del XX secolo hanno visto un rinnovato interesse per le estinzioni di massa e il loro ruolo nell'evoluzione della vita sulla Terra. C'è stato anche un rinnovato interesse per l' esplosione del Cambriano che a quanto pare ha visto lo sviluppo dei piani corporei della maggior parte dei phyla animali . La scoperta di fossili del biota ediacarano e gli sviluppi della paleobiologia hanno ampliato le conoscenze sulla storia della vita molto prima del Cambriano.

La crescente consapevolezza del lavoro pionieristico di Gregor Mendel nel campo della genetica ha portato prima allo sviluppo della genetica delle popolazioni e poi, a metà del XX secolo, alla moderna sintesi evolutiva , che spiega l' evoluzione come il risultato di eventi quali mutazioni e trasferimento genico orizzontale , che fornire variazioni genetiche , con la deriva genetica e la selezione naturale che guidano i cambiamenti in questa variazione nel tempo. Nel giro di pochi anni furono scoperti il ruolo e il funzionamento del DNA nell'ereditarietà genetica, portando a quello che oggi è conosciuto come il "dogma centrale" della biologia molecolare . Nella filogenetica molecolare degli anni '60 , l'indagine sugli "alberi genealogici" evolutivi mediante tecniche derivate dalla biochimica , iniziò ad avere un impatto, in particolare quando fu proposto che il lignaggio umano si fosse discostato dalle scimmie molto più recentemente di quanto generalmente si pensasse all'epoca. Sebbene questo primo studio abbia confrontato le proteine delle scimmie e degli esseri umani, la maggior parte della ricerca filogenetica molecolare si basa ora sul confronto di RNA e DNA .

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