3億多年前,全球氣候變冷但生物多樣性卻大幅增加

2020-01-18 10:32:06 來源: 科技日報 作者: 金鳳

金鳳

在距今4.9-4.7億年和3.4-3億年前,地球發生了兩次生物多樣性快速增加,而當時的全球氣候卻在逐漸變冷。歷經多年研究,南京大學、中國科學院南京地質古生物所的樊雋軒教授、沈樹忠院士團隊,借助“天河二號”超級計算機,運用大數據、超算、遺傳算法等全新的方法和手段,獲得了全新的寒武紀-早三疊世海洋無脊椎動物的復合多樣性曲線,將統計時間分辨率從1000萬年精細到約2.6萬年,較國際同類研究的精度提高了400倍左右,更加準確地重現了地質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過程。1月17日,該成果在《科學》雜志在線發表。

中國古生代高分辨率海洋生物多樣性曲線。金鳳 攝

17年的計算量2-3天就能完成

生命演化中有三個基本問題,即地球上復雜的生態系統是如何形成的?生命如何從一種形式演化到另一種形式?人類出現之前的地球生物圈是否存在災變和生物多樣性事件?

如今,地球上曾經生活過的生物中99%以上已經滅絕,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律是一個重大科學難題。

5億年前的三葉蟲化石。南大供圖

“上世紀八九十年代,科級、屬級的顯生宙生物多樣性曲線,已經可以將地層剖面中保存的海洋生物化石所反映的不同時代的信息,精確到800-1000多萬年,如果想建立更加精確的時間標尺,看到更小時間段內,地球發生了哪些生命演化,就需要完成大量的化石生物多樣性的計算。”南京大學地球科學與工程學院副教授史宇坤介紹,當統計的物種數量上升到1萬個時,用傳統的計算機需要計算17.3年。

在地球歷史中,曾經發生過重大的生態系統和環境的突變,導致了多次生物大滅絕事件。利用古生物數據庫重建地質歷史全球生物多樣性模式,揭示地球生命的演化歷史,以及與環境變化之間的關系,可以為了解當前的地球生物多樣性危機提供重要啟示。

團隊研究人員表明,前人使用的低分辨率且不均一的時間標尺,難以準確重現生命演化的精細過程,會直接影響對古生物多樣性的估算,導致無法準確評估生物多樣性的變化速率和模式,并可能掩蓋突發性的重大事件以及短時間的劇烈波動。

為了建立約5.4億年-2.4億年前、寒武紀至三疊紀早期海洋生物多樣性曲線,南京大學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個地層剖面、11268個海洋化石物種的26萬個化石數據。

如何讓這些海量數據精確、迅速地分析地球生命演化信息?史宇坤介紹,研究團隊結合模擬退火算法和遺傳算法,自主開發了基于并行計算的約束最優化方法-CONOP.SAGA。他們利用“天河二號”超級計算機,經過反復計算和驗證,將17年才能完成的計算提高到2-3天就能完成,并最終獲得了全新的寒武紀-早三疊世海洋無脊椎動物的復合多樣性曲線,將生物多樣性的分辨率從1000多萬年精細到2.6萬年,精度提高了400倍左右。

“以往有關化石生物多樣性的統計分析的數據很粗,每個時間段大約跨越1000萬年,但我們通過大數據、超算、定量化技術,可以精細地看到幾萬年內發生的生物多樣性的變化以及環境的變化,這對于當今生物多樣性如何受環境和氣候的影響,提供了重要的啟示。”中國科學院院士、南京大學教授沈樹忠說。

南京大學樊雋軒教授(左三)、沈樹忠院士(右二)等分析大數據計算的結果,南大供圖

4.9-4.7億年前和3.4-3億年前全球變冷,生物多樣性反而增加

新建立的多樣性變化曲線,更準確地重現了地質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過程。

2.52億年前,地球發生了人類迄今為止識別出的最大規模的生物滅絕事件,導致約80%的海洋生物在數萬年內迅速滅亡,這一事件的發生,與當時全球氣候的快速升溫密切相關。

此外,在此次研究中,研究人員發現,4.9-4.7億年前的中晚奧陶世和3.4-3億年前的石炭-二疊紀,全球氣候變冷,海洋平均溫度下降5度左右,但生物多樣性卻大幅增加。

“這對于我們認識人類活動導致的第六次生物大滅絕以及與全球氣候變化之間的關系具有重要科學價值。”沈樹忠說。

地質歷史中生物多樣性的重大變化,通常也伴隨著環境的劇烈波動。論文選取了六種與氣候變化密切相關的環境指標,包括碳、氧、鍶同位素、沉積物質總量、大氣二氧化碳含量等。

“我們希望能尋找到最關鍵的生物多樣性變化節點上,對應的環境變化是多少。”史宇坤說,雖然目前這些環境指標還缺少更精細的時間尺度,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。“例如,生物多樣性的變化與二氧化碳的濃度,在早古生代的對應關系是0.7,但晚古生代是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致,但到底是什么,還需要進一步研究。

據悉,此項研究是地球科學與數據科學相結合的一項突破。2019年由中國科學家倡議、13個國際組織與機構共同發起的國際大科學計劃——“深時數字地球”(DDE),致力于搭建全球地球科學家與數據科學家合作交流的國際平臺,推動地球科學在大數據時代的創新發展。在DDE計劃的框架下,基于全球地質大數據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。

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責任編輯:岳靚

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