時(shí)間：2025-12-10 08:11:28 來(lái)源：桑間濮上網(wǎng)

本次研究得到的古生物代海洋生物多樣性曲線
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)科技日?qǐng)?bào)（金鳳）：在地球歷史中，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)重大的借助計(jì)算機(jī)科精彩生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的突變，導(dǎo)致了多次生物大滅絕事件。超級(jí)利用古生物數(shù)據(jù)庫(kù)重建地質(zhì)歷史全球生物多樣性模式，看清揭示地球生命的古生演化歷史，以及與環(huán)境變化之間的物多關(guān)系，可以為了解當(dāng)前的樣性演化地球生物多樣性危機(jī)提供重要啟示。
最近，瞬間南京大學(xué)、天河二號(hào)中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所的借助計(jì)算機(jī)科精彩樊雋軒教授、沈樹(shù)忠院士團(tuán)隊(duì)，超級(jí)借助“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，看清運(yùn)用大數(shù)據(jù)、古生超算、物多遺傳算法等全新的樣性演化方法和手段，獲得了全新的寒武紀(jì)—早三疊世海洋無(wú)脊椎動(dòng)物的復(fù)合多樣性曲線，將其統(tǒng)計(jì)時(shí)間分辨率從1000萬(wàn)年精細(xì)到約2.6萬(wàn)年，更加準(zhǔn)確地重現(xiàn)了地質(zhì)歷史中三次生物大滅絕事件和兩次重大生物輻射事件的精細(xì)過(guò)程。近日，該成果在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表。
此前時(shí)間分辨率只能精確到800萬(wàn)—1000萬(wàn)年
生命演化中有三個(gè)基本問(wèn)題，即地球上復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)是如何形成的？生命如何從一種形式演化到另一種形式？人類(lèi)出現(xiàn)之前的地球生物圈是否存在災(zāi)變和生物多樣性事件？
如今，地球上曾經(jīng)生活過(guò)的生物中99%以上已經(jīng)滅絕，但只有很少一部分能保存為化石。如何通過(guò)不完整的化石記錄重建地球歷史生物多樣性的變化規(guī)律，是一個(gè)重大科學(xué)難題。
“上世紀(jì)八九十年代，科級(jí)、屬級(jí)的顯生宙生物多樣性曲線，已經(jīng)可以將地層剖面中保存的海洋生物化石所反映的不同時(shí)代信息，精確到800—1000萬(wàn)年。”南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院副教授史宇坤介紹。
但是前人使用的低分辨率且不均一的時(shí)間標(biāo)尺，難以準(zhǔn)確重現(xiàn)生命演化的精細(xì)過(guò)程，會(huì)直接影響對(duì)古生物多樣性的估算，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估生物多樣性的變化速率和模式，并可能掩蓋突發(fā)性的重大事件以及短時(shí)間的劇烈波動(dòng)。
“如果想建立更加精確的時(shí)間標(biāo)尺，看到更小時(shí)間段內(nèi)地球發(fā)生了哪些生命演化，就需要完成大量的化石生物多樣性的計(jì)算。”史宇坤說(shuō)，當(dāng)統(tǒng)計(jì)的物種數(shù)量上升到1萬(wàn)個(gè)時(shí)，用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)需要計(jì)算17.3年。
超算讓生物多樣性分辨率精細(xì)到2.6萬(wàn)年
為了建立約5.4億年—2.4億年前即寒武紀(jì)至三疊紀(jì)早期海洋生物多樣性曲線，南京大學(xué)教授樊雋軒等收集了大量的地層剖面和化石記錄，他們從2013年起，將1.1萬(wàn)個(gè)中國(guó)化石剖面、2.7萬(wàn)個(gè)化石名稱(chēng)、30.5萬(wàn)個(gè)化石記錄錄入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，并最終從中遴選了3112個(gè)地層剖面、11268個(gè)海洋化石物種的26萬(wàn)個(gè)化石數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
如何利用這些海量數(shù)據(jù)精確、迅速地分析地球生命演化信息？史宇坤介紹，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合模擬退火算法和遺傳算法，自主開(kāi)發(fā)了基于并行計(jì)算的約束最優(yōu)化方法。
“我們利用 ‘天河二號(hào)’超級(jí)計(jì)算機(jī)，反復(fù)計(jì)算和驗(yàn)證。2017年的高性能超算版本，將原來(lái)需要17年才能完成的一次計(jì)算，壓縮到2—3天，計(jì)算速率提高了6000倍。”史宇坤說(shuō)，這是首次在“天河二號(hào)”上運(yùn)行地層學(xué)程序，也是古生物研究領(lǐng)域率先引入大數(shù)據(jù)和超算算法的成功嘗試，并獲得巨大突破。
最終，科研團(tuán)隊(duì)獲得了全新的寒武紀(jì)—早三疊世海洋無(wú)脊椎動(dòng)物的復(fù)合多樣性曲線，將生物多樣性的分辨率從1000多萬(wàn)年精細(xì)到2.6萬(wàn)年，精度提高了400倍左右。
“以往有關(guān)化石生物多樣性的統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)很粗，每個(gè)時(shí)間段大約跨越1000萬(wàn)年，但我們通過(guò)大數(shù)據(jù)、超算、定量化技術(shù)，可以精細(xì)地看到幾萬(wàn)年內(nèi)發(fā)生的生物多樣性的變化以及環(huán)境的變化，這對(duì)于當(dāng)今生物多樣性如何受環(huán)境和氣候的影響，提供了重要的啟示。”中國(guó)科學(xué)院院士、南京大學(xué)教授沈樹(shù)忠說(shuō)。
準(zhǔn)確重現(xiàn)三次生物滅絕、兩次生物輻射過(guò)程
新建立的多樣性變化曲線，更準(zhǔn)確地重現(xiàn)了地質(zhì)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(xì)過(guò)程。
例如，2.52億年前，地球發(fā)生了人類(lèi)迄今為止識(shí)別出的最大規(guī)模的生物滅絕事件，導(dǎo)致約80%的海洋生物在數(shù)萬(wàn)年內(nèi)迅速滅亡。這一事件的發(fā)生，與當(dāng)時(shí)全球氣候的快速升溫密切相關(guān)。
此外，在此次研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，4.9億—4.7億年前的中晚奧陶世和3.4億—3億年前的石炭—二疊紀(jì)，全球氣候變冷，海洋平均溫度下降5攝氏度左右，但生物多樣性卻大幅增加。“這對(duì)于我們認(rèn)識(shí)人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的第六次生物大滅絕以及與全球氣候變化之間的關(guān)系具有重要科學(xué)價(jià)值。”沈樹(shù)忠說(shuō)。
地質(zhì)歷史中生物多樣性的重大變化，通常也伴隨著環(huán)境的劇烈波動(dòng)。論文選取了6種與氣候變化密切相關(guān)的環(huán)境指標(biāo)，包括碳、氧、鍶同位素、沉積物質(zhì)總量、大氣二氧化碳含量等。
“我們希望能尋找到在最關(guān)鍵的生物多樣性變化節(jié)點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)的環(huán)境變化是多少。”史宇坤說(shuō)，雖然目前這些環(huán)境指標(biāo)還缺少更精細(xì)的時(shí)間尺度，但初步的分析表明，大氣二氧化碳含量與生物多樣性密切相關(guān)。“例如，生物多樣性的變化與二氧化碳的濃度在早古生代的對(duì)應(yīng)關(guān)系是0.7，但在晚古生代是0.52，二氧化碳濃度變化與生物多樣性變化，可能由相同的因素導(dǎo)致，但到底是什么，還需要進(jìn)一步研究。”
相關(guān)報(bào)道：中國(guó)科學(xué)家牽頭揭秘古生代海洋生物多樣性演化
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所：在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）“關(guān)鍵地史時(shí)期生物與環(huán)境演變過(guò)程及其機(jī)制”等的支持下，由南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所等共同完成的有關(guān)寒武紀(jì)至三疊紀(jì)早期海洋無(wú)脊椎動(dòng)物生物多樣性演化的論文于1月17日在美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志在線刊發(fā)。該研究利用古生物大數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算、模擬退火算法和遺傳算法等全新的方法和手段，基于化石記錄重現(xiàn)了生命演化歷史，改變了當(dāng)前對(duì)古生代海洋生物多樣性演化的認(rèn)知。 
生命起源與演化是世界十大科學(xué)之謎，也是《科學(xué)》雜志列出的125個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題之一。了解地球上生命的演化歷程，是人類(lèi)了解自身由來(lái)、以及未來(lái)演化的重要手段。地球上曾經(jīng)生活過(guò)的生物中99%以上已經(jīng)滅絕，但只有很少一部分能保存為化石，如何通過(guò)不完整的化石記錄重建地球歷史生物多樣性的變化規(guī)律是一個(gè)重大科學(xué)難題。此外，在地球歷史中，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)重大的生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的突變，導(dǎo)致了多次生物大滅絕事件。利用古生物數(shù)據(jù)庫(kù)重建地質(zhì)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(huán)境變化之間的關(guān)系，可以為了解當(dāng)前的地球生物多樣性危機(jī)提供重要啟示。 
為了建立古生代（約5.4億年-2.4億年，相當(dāng)于寒武紀(jì)至三疊紀(jì)早期）海洋生物多樣性曲線，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自2000年開(kāi)始收集了大量已發(fā)表的地層剖面和化石記錄，并于2006年統(tǒng)一納入由南京古生物所自主建設(shè)的古生物學(xué)和地層學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（GBDB數(shù)據(jù)庫(kù)），本次研究從中遴選了3112個(gè)地層剖面、11268個(gè)海洋化石物種的26萬(wàn)化石數(shù)據(jù)作為研究的對(duì)象。 
國(guó)際同類(lèi)研究通常基于編目式數(shù)據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行多樣性統(tǒng)計(jì)分析，分辨率低，難以準(zhǔn)確重現(xiàn)生命演化的精細(xì)過(guò)程。為了根本地解決這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)結(jié)合了模擬退火算法和遺傳算法，自主開(kāi)發(fā)了基于并行計(jì)算的約束最優(yōu)化方法 - CONOP.SAGA。利用“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和驗(yàn)證，獲得了全新的寒武紀(jì)-三疊紀(jì)海洋無(wú)脊椎動(dòng)物的復(fù)合多樣性曲線，其統(tǒng)計(jì)時(shí)間分辨率約為2.6萬(wàn)年，較國(guó)際同類(lèi)研究的精度提高了400倍左右。 
該項(xiàng)研究表明，前人使用的低分辨率且不均一的時(shí)間標(biāo)尺，會(huì)直接影響對(duì)古生物多樣性的估算，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估生物多樣性的變化速率和模式，并可能掩蓋突發(fā)性的重大事件以及短時(shí)間的劇烈波動(dòng)。 
新建立的多樣性變化曲線更加準(zhǔn)確地重現(xiàn)了地質(zhì)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(xì)過(guò)程。其中，2.52億年前發(fā)生了人類(lèi)迄今為止識(shí)別出的最大規(guī)模的生物滅絕事件，導(dǎo)致約80%的海洋生物在數(shù)萬(wàn)年內(nèi)迅速滅亡，這一事件的發(fā)生，與當(dāng)時(shí)全球氣候的快速升溫密切相關(guān)。兩次重要的生物輻射事件，分別發(fā)生在4.9-4.7億年前和3.4-3億年前，并均與當(dāng)時(shí)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(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)于我們認(rèn)識(shí)當(dāng)今地球生物多樣性以及人類(lèi)面臨的第六次大滅絕及其與全球氣候變化之間的關(guān)系具有重要啟示意義。 
地質(zhì)歷史中生物多樣性的重大變化，通常也伴隨著環(huán)境的劇烈波動(dòng)。論文選取了六種與氣候變化密切相關(guān)的環(huán)境指標(biāo)，包括碳、氧、鍶同位素、沉積物質(zhì)總量、大氣二氧化碳含量等。雖然這些環(huán)境指標(biāo)還缺少高分辨率的時(shí)間約束，但初步的分析表明，大氣二氧化碳含量是一個(gè)表現(xiàn)出與生物多樣性存在相似的長(zhǎng)期模式的環(huán)境因素。未來(lái)需要建立高時(shí)間分辨率的環(huán)境因素曲線，可以與生物多樣性曲線進(jìn)行更加準(zhǔn)確、可靠的對(duì)比分析，從而識(shí)別各種環(huán)境指標(biāo)與多樣性變化之間是否存在因果關(guān)系。 
此項(xiàng)研究采用了全新的技術(shù)手段，部分解決了深時(shí)（Deep-time，通常指人類(lèi)出現(xiàn)之前的歷史）高分辨率時(shí)間標(biāo)尺建立的難題，從而可以在接近現(xiàn)代長(zhǎng)尺度生態(tài)研究的水平上驗(yàn)證或評(píng)估生物或古生物學(xué)的假說(shuō)。 
此項(xiàng)研究是地球科學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)相結(jié)合的一項(xiàng)突破。在GBDB數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)等的基礎(chǔ)上，2019年由中國(guó)科學(xué)家倡議、13個(gè)國(guó)際組織與機(jī)構(gòu)共同發(fā)起的國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃 - “深時(shí)數(shù)字地球”（DDE），致力于搭建全球地球科學(xué)家與數(shù)據(jù)科學(xué)家合作交流的國(guó)際平臺(tái)，推動(dòng)地球科學(xué)在大數(shù)據(jù)時(shí)代的創(chuàng)新發(fā)展。在DDE計(jì)劃的框架下，基于全球地質(zhì)大數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)。 
此項(xiàng)研究得到中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。 
論文相關(guān)信息：Jun-xuan Fan, Shu-zhong Shen*, Douglas H. Erwin, Peter M. Sadler, Norman MacLeod, Qiu-ming Cheng, Xu-dong Hou, Jiao Yang, Xiang-dong Wang, Yue Wang, Hua Zhang, Xu Chen, Guo-xiang Li, Yi-chun Zhang, Yu-kun Shi, Dong-xun Yuan, Qing Chen, Lin-na Zhang, Chao Li, Ying-ying Zhao, 2020, A high-resolution summary of Cambrian to Early Triassic marine invertebrate biodiversity, Science, 367-6475, pp. 272-277. DOI: 10.1126/science.aax4953

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