研究：3億多年前，全球氣候變冷但生物多樣性卻大幅增加

來源：科技日?qǐng)?bào) 時(shí)間：2020-01-19 10:08:10

在距今4.9-4.7億年和3.4-3億年前，地球發(fā)生了兩次生物多樣性快速增加，而當(dāng)時(shí)的全球氣候卻在逐漸變冷。歷經(jīng)多年研究，南京大學(xué)、中國(guó)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，將統(tǒng)計(jì)時(shí)間分辨率從1000萬年精細(xì)到約2.6萬年，較國(guó)際同類研究的精度提高了400倍左右，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。1月17日，該成果在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表。

中國(guó)古生代高分辨率海洋生物多樣性曲線。金鳳攝

17年的計(jì)算量2-3天就能完成

生命演化中有三個(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。

5億年前的三葉蟲化石。南大供圖

“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)代的信息，精確到800-1000多萬年，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。”南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院副教授史宇坤介紹，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。

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(kù)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。

團(tuán)隊(duì)研究人員表明，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(duì)古生物多樣性的估算，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確評(píng)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)。

為了建立約5.4億年-2.4億年前、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，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)。

如何讓這些海量數(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-CONOP.SAGA。他們利用“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和驗(yàn)證，將17年才能完成的計(jì)算提高到2-3天就能完成，并最終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(duì)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(guó)科學(xué)院院士、南京大學(xué)教授沈樹忠說。