寒武紀(jì)至早期三疊紀(jì)海洋無脊椎動物生物多樣性的高分辨率綜述
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古生代海洋生物多樣性演變曲線
（神秘的寒武海洋地球uux.cn報道）據(jù)荔枝新聞（編輯/高志鵬 通訊員/高雅）：北京時間1月17日，國際權(quán)威期刊《Science》以研究長文的紀(jì)至形式在線發(fā)表了南京大學(xué)和中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所樊雋軒教授、沈樹忠院士等的早期椎動論文“A high-resolution summary of Cambrian to Early Triassic marine invertebrate biodiversity”。該研究利用古生物大數(shù)據(jù)、疊紀(jì)的高超算和遺傳算法等全新的無脊物生物多方法和手段，基于化石記錄重現(xiàn)了生命演化歷史，樣性改變了當(dāng)前對古生代海洋生物多樣性演化的分辨認(rèn)知。
我們從哪來，率綜又到哪去？寒武海洋大數(shù)據(jù)協(xié)助破解生命起源和演化之謎
生命起源與演化是世界十大科學(xué)之謎，也是紀(jì)至《Science》雜志列出的125個重大科學(xué)問題之一。了解地球上生命的早期椎動演化歷程，是疊紀(jì)的高人類了解自身由來、以及未來演化的無脊物生物多重要手段。地球上曾經(jīng)生活過的樣性生物中99%以上已經(jīng)滅絕，但只有很少一部分能保存為化石，分辨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(guī)律是一個重大科學(xué)難題。
此外，在地球歷史中，曾經(jīng)發(fā)生過重大的生態(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。
“天河二號”加持，精準(zhǔn)重現(xiàn)古生物“大滅絕”
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，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個地層剖面、11268個海洋化石物種的26萬化石數(shù)據(jù)。國際同類研究通常基于編目式數(shù)據(jù)庫的方式進(jìn)行多樣性統(tǒng)計分析，分辨率低，難以準(zhǔn)確重現(xiàn)生命演化的精細(xì)過程。
為了根本地解決這一問題，團(tuán)隊結(jié)合了模擬退火算法和遺傳算法，自主開發(fā)了基于并行計算的約束最優(yōu)化方法 - CONOP.SAGA。利用“天河二號”超級計算機(jī)，經(jīng)過反復(fù)計算和驗證，獲得了全新的寒武紀(jì)-三疊紀(jì)海洋無脊椎動物的復(fù)合多樣性曲線，其統(tǒng)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(biāo)尺，會直接影響對古生物多樣性的估算，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確評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間的劇烈波動。
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)過程。其中，2.52億年前發(fā)生了人類迄今為止識別出的最大規(guī)模的生物滅絕事件，導(dǎo)致約80%的海洋生物在數(shù)萬年內(nèi)迅速滅亡，這一事件的發(fā)生，與當(dāng)時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)動機(jī)制，對于我們認(rèn)識當(dāng)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(guān)系具有重要啟示意義。
地球科學(xué)+數(shù)據(jù)科學(xué)，重建完整的生命演化歷史
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。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間約束，但初步的分析表明，大氣二氧化碳含量是一個表現(xiàn)出與生物多樣性存在相似的長期模式的環(huán)境因素。未來需要建立高時間分辨率的環(huán)境因素曲線，可以與生物多樣性曲線進(jìn)行更加準(zhǔn)確、可靠的對比分析，從而識別各種環(huán)境指標(biāo)與多樣性變化之間是否存在因果關(guān)系。
此項研究采用了全新的技術(shù)手段，部分解決了深時（Deep-time，通常指人類出現(xiàn)之前的歷史）高分辨率時間標(biāo)尺建立的難題，從而可以在接近現(xiàn)代長尺度生態(tài)研究的水平上驗證或評估生物或古生物學(xué)的假說。
此項研究是地球科學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)相結(jié)合的一項突破。2019年由中國科學(xué)家倡議、13個國際組織與機(jī)構(gòu)共同發(fā)起的國際大科學(xué)計劃 - “深時數(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)家合作交流的國際平臺，推動地球科學(xué)在大數(shù)據(jù)時代的創(chuàng)新發(fā)展。在DDE計劃的框架下，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現(xiàn)。
此項研究得到中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委和國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。