Science:大數據和超算揭秘古生代海洋生物多樣性演化

2021-02-08 中科院青藏高原地球科學卓越中心

北京時間1月17日，國際權威期刊Science以研究長文的形式在線發表了南京大學、中國科學院南京地質古生物所和中國科學院大陸碰撞及高原隆升重點實驗室、青藏高原研究所和青藏高原地球科學卓越創新中心沈樹忠院士聯合樊雋軒教授等合作者的論文「Ahigh-resolution summary of Cambrian to Early Triassic marine invertebratebiopersity」。該研究利用古生物大數據、超算和遺傳算法等全新的方法和手段，基於化石記錄重現了生命演化歷史，改變了當前對古生代海洋生物多樣性演化的認知。

生命起源與演化是世界十大科學之謎，也是Science雜誌列出的125個重大科學問題之一。了解地球上生命的演化歷程，是人類了解自身由來、以及未來演化的重要手段。地球上曾經生活過的生物中99%以上已經滅絕，但只有很少一部分能保存為化石，如何通過不完整的化石記錄重建地球歷史生物多樣性的變化規律是一個重大科學難題。此外，在地球歷史中，曾經發生過重大的生態系統和環境的突變，導致了多次生物大滅絕事件。利用古生物資料庫重建地質歷史全球生物多樣性模式，揭示地球生命的演化歷史，以及與環境變化之間的關係，可以為了解當前的地球生物多樣性危機提供重要啟示。

圖1 古生代海洋生物多樣性演變曲線

為了建立古生代（約5.4億年-2.4億年，相當於寒武紀至三疊紀早期）海洋生物多樣性曲線（圖1），該研究收集了大量的地層剖面和化石記錄，從中遴選了3112個地層剖面、11268個海洋化石物種的26萬化石數據，其中大量數據來自青藏高原（圖2）。國際同類研究通常基於編目式資料庫的方式進行多樣性統計分析，解析度低，難以準確重現生命演化的精細過程。為了根本地解決這一問題，團隊結合了模擬退火算法和遺傳算法，自主開發了基於並行計算的約束最優化方法 - CONOP.SAGA。利用「天河二號」超級計算機，經過反覆計算和驗證，獲得了全新的寒武紀-三疊紀海洋無脊椎動物的複合多樣性曲線（圖1），其統計時間解析度約為2.6萬年，較國際同類研究的精度提高了400倍左右。 

圖2 研究中使用的中國境內古生代剖面分布圖，大量剖面分布在青藏高原上

該項研究表明，前人使用的低解析度且不均一的時間標尺，會直接影響對古生物多樣性的估算，導致無法準確評估生物多樣性的變化速率和模式，並可能掩蓋突發性的重大事件以及短時間的劇烈波動。新建立的多樣性變化曲線更加準確地重現了地質歷史中最大的三次生物滅絕事件和兩次重大生物輻射事件的精細過程。其中，2.52億年前發生了人類迄今為止識別出的最大規模的生物滅絕事件，導致約80%的海洋生物在數萬年內迅速滅亡，這一事件的發生，與當時全球氣候的快速升溫密切相關。兩次重要的生物輻射事件，分別發生在4.9-4.7億年前和3.4-3億年前，並均與當時全球氣候的逐漸變冷同步。深刻理解這些重大生物事件的驅動機制，對於我們認識當今地球生物多樣性以及人類面臨的第六次大滅絕及其與全球氣候變化之間的關係具有重要啟示意義。

地質歷史中生物多樣性的重大變化，通常也伴隨著環境的劇烈波動。論文選取了六種與氣候變化密切相關的環境指標，包括碳、氧、鍶同位素、沉積物質總量、大氣二氧化碳含量等。雖然這些環境指標還缺少高解析度的時間約束，但初步的分析表明，大氣二氧化碳含量是一個表現出與生物多樣性存在相似的長期模式的環境因素。未來需要建立高時間解析度的環境因素曲線，可以與生物多樣性曲線進行更加準確、可靠的對比分析，從而識別各種環境指標與多樣性變化之間是否存在因果關係。

此項研究採用了全新的技術手段，部分解決了深時（Deep-time，通常指人類出現之前的歷史）高解析度時間標尺建立的難題，從而可以在接近現代長尺度生態研究的水平上驗證或評估生物或古生物學的假說。

此項研究是地球科學與數據科學相結合的一項突破。2019年由中國科學家倡議、13個國際組織與機構共同發起的國際大科學計劃 - 「深時數字地球」（DDE），致力於搭建全球地球科學家與數據科學家合作交流的國際平臺，推動地球科學在大數據時代的創新發展。在DDE計劃的框架下，基於全球地質大數據與更加高效的超算方法，重建完整的生命演化歷史將得以實現。

此項研究得到中國科學院、國家自然科學基金委和國家重點研發計劃等項目的支持。樊雋軒教授為論文第一作者，沈樹忠院士為論文通訊作者。

論文引用：Fan, J.-x., Shen, S.-z.*, Erwin, D.H., Sadler,P.M., MacLeod, N., Cheng, Q.-m., Hou, X.-d., Yang, J., Wang, X.-d., Wang, Y.,Zhang, H., Chen, X., Li, G.-x., Zhang, Y.-c., Shi, Y.-k., Yuan, D.-x., Chen,Q., Zhang, L.-n., Li, C., Zhao, Y.-y., 2020. A high-resolution summary ofCambrian to Early Triassic marine invertebrate biodiversity. Science, 367 (6475): 272-277.

（轉自南京大學地球科學與工程學院網站）


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