在距今 4.9-4.7 億年和 3.4-3 億年前，地球發(fā)生了兩次生物多樣性快速增加，而當(dāng)時(shí)的全球氣候卻在逐漸變冷。歷經(jīng)多年研究，南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所的樊雋軒教授、沈樹(shù)忠院士團(tuán)隊(duì)，借助“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、超算、遺傳算法等全新的方法和手段，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，較國(guó)際同類(lèi)研究的精度提高了 400 倍左右，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。1 月 17 日，該成果在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表。

　　17 年的計(jì)算量2-3 天就能完成

　　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。

5 億年前的三葉蟲(chóng)化石。

　　“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)代的信息，精確到 800-1000 多萬(wàn)年，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。”南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院副教授史宇坤介紹，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。

　　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。

　　團(tuán)隊(duì)研究人員表明，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)。

　　為了建立約 5.4 億年-2.4 億年前、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，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)。

　　如何讓這些海量數(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-CONOP.SAGA。他們利用“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，將 17 年才能完成的計(jì)算提高到2-3 天就能完成，并最終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)。

南京大學(xué)樊雋軒教授(左三)、沈樹(shù)忠院士(右二)等分析大數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果

　　4. 9-4.7 億年前和 3.4-3 億年前全球變冷，生物多樣性反而增加

　　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。

　　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. 9-4.7 億年前的中晚奧陶世和 3.4-3 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 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。

　　“我們希望能尋找到最關(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。

　　據(jù)悉，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。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)。
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