 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)科技日報(bào)（金鳳）：在地球歷史中，曾經(jīng)發(fā)生過重大的借助計(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。超級廣州外圍（外圍預(yù)約）外圍包夜（電話微信181-8279-1445）一二線城市可以快速安排，真實(shí)上門外圍上門外圍女30分鐘到達(dá)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，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)、天河二號中國科學(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、沈樹忠院士團(tuán)隊(duì)，超級借助“天河二號”超級計(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1000萬年精細(xì)到約2.6萬年，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—1000萬年 生命演化中有三個(gè)基本問題，即地球上復(fù)雜的廣州外圍（外圍預(yù)約）外圍包夜（電話微信181-8279-1445）一二線城市可以快速安排，真實(shí)上門外圍上門外圍女30分鐘到達(dá)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、屬級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)過程，會(huì)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(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，當(dāng)統(tǒng)計(jì)的物種數(shù)量上升到1萬個(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1.1萬個(gè)中國化石剖面、2.7萬個(gè)化石名稱、30.5萬個(gè)化石記錄錄入數(shù)據(jù)庫系統(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’超級計(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，這是首次在“天河二號”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多萬年精細(xì)到2.6萬年，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1000萬年，但我們通過大數(shù)據(jù)、超算、定量化技術(shù)，可以精細(xì)地看到幾萬年內(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。”中國科學(xué)院院士、南京大學(xué)教授沈樹忠說。 準(zhǔn)確重現(xiàn)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(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。 例如，2.52億年前，地球發(fā)生了人類迄今為止識(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。“這對于我們認(rèn)識(shí)人類活動(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。”沈樹忠說。 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，對應(yīng)的環(huán)境變化是多少。”史宇坤說，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)中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所：在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）“關(guān)鍵地史時(shí)期生物與環(huán)境演變過程及其機(jī)制”等的支持下，由南京大學(xué)、中國科學(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)早期海洋無脊椎動(dòng)物生物多樣性演化的論文于1月17日在美國《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(jīng)生活過的生物中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。 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（GBDB數(shù)據(jù)庫），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26萬化石數(shù)據(jù)作為研究的對象。 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(jì)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(duì)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(jì)算的約束最優(yōu)化方法 - CONOP.SAGA。利用“天河二號”超級計(jì)算機(jī)，經(jīng)過反復(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2.6萬年，較國際同類研究的精度提高了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(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)過程。其中，2.52億年前發(fā)生了人類迄今為止識(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，對于我們認(rèn)識(shí)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期模式的環(huán)境因素。未來需要建立高時(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)代長尺度生態(tài)研究的水平上驗(yàn)證或評估生物或古生物學(xué)的假說。 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)庫建設(shè)經(jīng)驗(yàn)等的基礎(chǔ)上，2019年由中國科學(xué)家倡議、13個(gè)國際組織與機(jī)構(gòu)共同發(fā)起的國際大科學(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)研究得到中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委和國家重點(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 |