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報道）據科技日報（金鳳）：在地球歷史中，曾經發生過重大的借助計算機科精彩生態系統和環境的突變，導致了多次生物大滅絕事件。超級利用古生物數據庫重建地質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，以及與環境變化之間的物多關系，可以為了解當前的樣性演化地球生物多樣性危機提供重要啟示。
最近，瞬間南京大學、天河二號中國科學院南京地質古生物所的借助計算機科精彩樊雋軒教授、沈樹忠院士團隊，超級借助“天河二號”超級計算機，看清運用大數據、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—早三疊世海洋無脊椎動物的復合多樣性曲線，將其統計時間分辨率從1000萬年精細到約2.6萬年，更加準確地重現了地質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過程。近日，該成果在《科學》雜志在線發表。
此前時間分辨率只能精確到800萬—1000萬年
生命演化中有三個基本問題，即地球上復雜的生態系統是如何形成的？生命如何從一種形式演化到另一種形式？人類出現之前的地球生物圈是否存在災變和生物多樣性事件？
如今，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。
“上世紀八九十年代，科級、屬級的顯生宙生物多樣性曲線，已經可以將地層剖面中保存的海洋生物化石所反映的不同時代信息，精確到800—1000萬年。”南京大學地球科學與工程學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間標尺，難以準確重現生命演化的精細過程，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，并可能掩蓋突發性的重大事件以及短時間的劇烈波動。
“如果想建立更加精確的時間標尺，看到更小時間段內地球發生了哪些生命演化，就需要完成大量的化石生物多樣性的計算。”史宇坤說，當統計的物種數量上升到1萬個時，用傳統的計算機需要計算17.3年。
超算讓生物多樣性分辨率精細到2.6萬年
為了建立約5.4億年—2.4億年前即寒武紀至三疊紀早期海洋生物多樣性曲線，南京大學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1.1萬個中國化石剖面、2.7萬個化石名稱、30.5萬個化石記錄錄入數據庫系統，并最終從中遴選了3112個地層剖面、11268個海洋化石物種的26萬個化石數據進行分析。
如何利用這些海量數據精確、迅速地分析地球生命演化信息？史宇坤介紹，研究團隊結合模擬退火算法和遺傳算法，自主開發了基于并行計算的約束最優化方法。
“我們利用 ‘天河二號’超級計算機，反復計算和驗證。2017年的高性能超算版本，將原來需要17年才能完成的一次計算，壓縮到2—3天，計算速率提高了6000倍。”史宇坤說，這是首次在“天河二號”上運行地層學程序，也是古生物研究領域率先引入大數據和超算算法的成功嘗試，并獲得巨大突破。
最終，科研團隊獲得了全新的寒武紀—早三疊世海洋無脊椎動物的復合多樣性曲線，將生物多樣性的分辨率從1000多萬年精細到2.6萬年，精度提高了400倍左右。
“以往有關化石生物多樣性的統計分析的數據很粗，每個時間段大約跨越1000萬年，但我們通過大數據、超算、定量化技術，可以精細地看到幾萬年內發生的生物多樣性的變化以及環境的變化，這對于當今生物多樣性如何受環境和氣候的影響，提供了重要的啟示。”中國科學院院士、南京大學教授沈樹忠說。
準確重現三次生物滅絕、兩次生物輻射過程
新建立的多樣性變化曲線，更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。
例如，2.52億年前，地球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。
此外，在此次研究中，研究人員發現，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，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。“這對于我們認識人類活動導致的第六次生物大滅絕以及與全球氣候變化之間的關系具有重要科學價值。”沈樹忠說。
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6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。
“我們希望能尋找到在最關鍵的生物多樣性變化節點上，對應的環境變化是多少。”史宇坤說，雖然目前這些環境指標還缺少更精細的時間尺度，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。“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應關系是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致，但到底是什么，還需要進一步研究。”
相關報道：中國科學家牽頭揭秘古生代海洋生物多樣性演化
（神秘的地球uux.cn報道）據中國科學院南京地質古生物研究所：在中國科學院戰略性先導科技專項（B類）“關鍵地史時期生物與環境演變過程及其機制”等的支持下，由南京大學、中國科學院南京地質古生物研究所等共同完成的有關寒武紀至三疊紀早期海洋無脊椎動物生物多樣性演化的論文于1月17日在美國《科學》（Science）雜志在線刊發。該研究利用古生物大數據、超級計算、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《科學》雜志列出的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。利用古生物數據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系，可以為了解當前的地球生物多樣性危機提供重要啟示。 
為了建立古生代（約5.4億年-2.4億年，相當于寒武紀至三疊紀早期）海洋生物多樣性曲線，項目團隊自2000年開始收集了大量已發表的地層剖面和化石記錄，并于2006年統一納入由南京古生物所自主建設的古生物學和地層學數據庫（GBDB數據庫），本次研究從中遴選了3112個地層剖面、11268個海洋化石物種的26萬化石數據作為研究的對象。 
國際同類研究通常基于編目式數據庫的方式進行多樣性統計分析，分辨率低，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，自主開發了基于并行計算的約束最優化方法 - CONOP.SAGA。利用“天河二號”超級計算機，經過反復計算和驗證，獲得了全新的寒武紀-三疊紀海洋無脊椎動物的復合多樣性曲線，其統計時間分辨率約為2.6萬年，較國際同類研究的精度提高了400倍左右。 
該項研究表明，前人使用的低分辨率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，并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，并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，對于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系具有重要啟示意義。 
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分辨率的時間約束，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分辨率的環境因素曲線，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系。 
此項研究采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）高分辨率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。在GBDB數據庫建設經驗等的基礎上，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），致力于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，基于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。 
論文相關信息：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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