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　　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。

　　最近，南京大學(xué)、中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所的樊雋軒教授、沈樹忠院士團(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3個(gè)基本問題，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(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800萬—1000萬年?！蹦暇┐髮W(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?！笔酚罾ふf，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。

　　超算等技術(shù)讓分辨率精度提高400倍左右

　　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(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?！笔酚罾ふf，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)—早三疊世海洋無脊椎動(dòng)物的復(fù)合多樣性曲線，將生物多樣性的時(shí)間分辨率從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，這給當(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?！斑@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?！鄙驑渲艺f。

　　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?！笔酚罾ふf，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)?！袄纾锒鄻有缘淖兓c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。”

　?。ㄔd于《科技日報(bào)》 2020-01-23 03版）