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，而當時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、沈樹忠院士團隊，借助“天河二號”超級計算機，運用大數(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-早三疊世海洋無脊椎動物的復(fù)合多樣性曲線，將統(tǒng)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(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過程。1月17日，該成果在《科學(xué)》雜志在線發(fā)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(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)律是一個重大科學(xué)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(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(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，當統(tǒng)計的物種數(shù)量上升到1萬個時，用傳統(tǒng)的計算機需要計算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(xiàn)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(dǎo)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(fā)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(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個地層剖面、11268個海洋化石物種的26萬個化石數(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，研究團隊結(jié)合模擬退火算法和遺傳算法，自主開發(fā)了基于并行計算的約束最優(yōu)化方法-CONOP.SAGA。他們利用“天河二號”超級計算機，經(jīng)過反復(fù)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(fù)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(guān)化石生物多樣性的統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)很粗，每個時間段大約跨越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。

南京大學(xué)樊雋軒教授(左三)、沈樹忠院士(右二)等分析大數(shù)據(jù)計算的結(jié)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(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過程。

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