南京大学揭秘古生代海洋生物多样性演化

古生代海洋生物多样性的演化曲线

1月17日，《科学》在线发表了南京大学地球科学与工程学院范俊轩教授和中科院沈院士的论文《寒武纪至早三叠世高分辨率海洋生物多样性的演化》。本研究利用古生物学大数据、超级计算和遗传算法等新方法和手段，以化石记录为基础再现生命进化的历史，改变了目前对古生代海洋生物多样性进化的认识。

生命的起源和进化是世界十大科学之谜之一，也是《科学》杂志列出的125大科学问题之一。理解地球上生命的进化是人类理解其起源和未来进化的重要手段。曾经生活在地球上的生物中，超过99%已经灭绝，但只有少数能作为化石保存下来。如何通过不完整的化石记录重建地球历史生物多样性的变化规律是一个重大的科学问题。

此外，在地球历史上，发生了重大的生态和环境变化，导致了许多大规模灭绝。利用古生物数据库重建全球地质历史生物多样性模型，揭示地球生命演化历史及其与环境变化的关系，可以为理解当前地球生物多样性危机提供重要启示。

为了建立古生代(约5.4-2.4亿年，相当于寒武纪至早三叠世)的海洋生物多样性曲线，范俊轩等人收集了大量的地层剖面和化石记录，从中筛选出3112个地层剖面的26万个化石数据和11268个海洋化石物种。国际同类研究通常基于编目数据库进行多样性统计分析，分辨率低，难以准确再现生命进化的精细过程。为了解决这个问题，该团队将模拟退火算法和遗传算法相结合，独立开发了一种基于并行计算的约束优化方法——CONOP。佐贺。利用天河二号超级计算机，经过反复计算和验证，获得了一条全新的寒武纪-三叠纪海洋无脊椎动物复合多样性曲线，统计时间分辨率约为26000年，是同类国际研究的400倍。

研究表明，前人使用的低分辨率和不均匀的时间尺度将直接影响古生物多样性的估算，导致无法准确评估生物多样性变化的速率和模式，并可能掩盖突发的重大事件和短期剧烈波动。新建立的多样性变化曲线更准确地再现了地质历史上三次最大生物灭绝和两次主要生物辐射事件的精细过程。

其中，2.52亿年前，发生了迄今为止人类认识到的最大的灭绝事件，导致大约80%的海洋生物在数万年内迅速灭绝。这一事件的发生与当时全球气候的迅速变暖密切相关。两次重要的生物辐射事件分别发生在4.9亿-4.7亿年前和3.4亿-3亿年前，两次事件都是与当时全球气候逐渐变冷同步发生的。了解这些重大生物事件的驱动机制，对于人们理解当今地球的生物多样性和人类面临的第六次灭绝及其与全球气候变化的关系具有重要意义。

地质历史上生物多样性的重大变化通常伴随着环境的剧烈波动。本文选取了与气候变化密切相关的六个环境指标，包括碳、氧、锶同位素、沉积物质总量、大气二氧化碳含量等。虽然这些环境指标仍然缺乏高分辨率的时间限制，但初步分析表明，大气中的二氧化碳含量是一个环境因素，显示出类似于生物多样性的长期模式。未来的科学研究需要建立高时间分辨率的环境因子曲线，并与生物多样性曲线进行更加准确、可靠的对比分析，以确定各种环境指标与多样性变化之间是否存在因果关系。

本研究采用全新的技术手段，部分解决了建立高分辨率的深层时间尺度(通常指人类出现之前的历史)这一难题，从而在接近现代长期生态学研究的水平上验证或评价生物学或古生物学假说。

这项研究也是地球科学和数据科学结合的一个突破。“深空数字地球”是由中国科学家发起、13个国际组织和机构于2019年联合发起的国际大科学项目，旨在推动大数据时代地球科学的创新发展。在DDE计划的框架下，基于全球地质大数据和更高效的超级计算方法，将实现完整生命进化历史的重建。

论文链接:https://doi.org/10.1126/science.aax4953