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江苏高校研究成果入选“2020年中国十大科技进展新闻”
2021-01-20 13:17:00  来源:中国江苏网  
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中国江苏网讯 生命的史诗与生物演化共舞。如何再现远古生命的恢弘史诗?1月20日,2020年中国十大科技进展新闻揭晓,南京大学、中国科学院南京地质古生物所的樊隽轩教授、沈树忠院士团队的成果入选。

记者了解到,团队在“天河二号”超级计算机支持下,让大数据和超算等新科技与古老化石的碰撞,绘制出全球第一条高精度的古生代海洋生物多样性变化曲线,较国际同类研究的精度提高了400倍左右。该成果于去年1月17日在《科学》杂志以长文形式在线发表。

重建生命历史,石头‘天书’为何难读?

生命起源与演化是世界十大科学之谜,也是《科学》杂志列出的125个重大科学问题之一。

要回溯并重建远古生命的历史,必须要依靠一本本“石头书”。

沈树忠院士科普道,“当走进科罗拉多大峡谷,你会看到厚厚的地层,那就像一本硕大无比的‘石头大书’,岩石中各种各样的化石包含地质信息,就像是书里的文字。生命演化的真谛保存在各种地层记录之中,化石记录是唯一开启地球生命历史进程的窗口。”

但是这本“天书”并不易读。一方面,化石的“文字”就像遗失的古代书简,已经残缺不全,“如今,地球上曾经生活过的生物中99%以上已经灭绝,但只有很少一部分能保存为化石。”而另一方面,现有的化石记录散落在各地,数量不小且非常零碎。

在整个地球历史上,可能存在过的物种也许在40亿种之多,要恢复生命演化的全部历史,首先要把那些已经消失的物种尽可能多地都统计在内。

沈树忠介绍,早在上个世纪70,80年代开始,就有人着手将化石记录收集起来,美国芝加哥大学的古生物学家杰克·塞科斯基(Jack Sepkoski)耗费了十多年的时间,收集北美、欧洲等地的化石记录,构建了第一个较为完整的古生物数据库,“地球的历史太长了,他的时间单位只能做到以千万年计算,也就是统计每千万年里的海洋生物科的数目。”

1982年,杰克·塞科斯基和大卫·骆普(David Raup)建立了第一条自 6 亿年以来地球生物的多样性曲线,人们获知,自6亿年前到4亿多年前之间,生物多样性快速增加,其后发生了五次生物大灭绝,分别发生在约4.4 6亿年前的奥陶纪末、3.64 亿年前的泥盆纪晚期、2.52 亿年前的二叠纪末期、2 亿年前的三叠纪末期和6600 万年前的白垩纪末期,最近的这一次生物大灭绝造成了恐龙在地球上消失。

1998年,在美国国家自然科学基金委的支持下,一批美国与欧洲的古生物学家联合,发起了一个大型的古生物数据库项目,2008年,这些科学家重新计算了过去六亿年的地球生物多样性曲线,尽管数据库远比之前的复杂,但由于时间尺度仍然是以千万计,会直接影响对古生物多样性的估算,导致无法准确评估生物多样性的变化速率和模式,“换句话说,低于这个1000万年以下的大的突发性重大生物事件,将无法识别,漫长生命史中短时间的剧烈波动也可能遗漏。”

在此次研究中,团队收集了大量的地层剖面和化石记录,从中遴选了3112个地层剖面、11268个海洋化石物种的26万个化石数据。“这些化石占中国化石总量的80%,分布在不同地区各个角落,如何零星的点,串起来完整的故事曲线?”沈树忠表示,像这样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科学难题。

超算,将“编年史”融合为一本史诗

如何在更精确的时间尺度上,重建生命演化的历史?樊隽轩教授告诉记者,在拥有了海量化石记录之后,研究还需要实现两个方面的突破,“针对这些古生物大数据的全新算法进行计算;同时我们还需要强大的算力。”

樊隽轩告诉记者,由于化石中携带了大量信息需要甄别,因此传统的方法已经不再适合使用。“化石存在保存和采样的强度的差别,不是所有的动物死后都能变成化石,也不是所有的化石都能被发现,所以我们找到的各个化石出现和消失的时间往往不完整,只会是化石真实寿命的一个‘子集’。这就导致一个问题,那就是化石的出现或消失的先后顺序可能会不准确。”

樊隽轩打了个比方,比如在不同史书当中,李白和杜甫的出生时间记录可能不同,拿一本书单独看可能会发生误差,我们可以将每个化石挖掘点找到的化石记录,看成是一本化石编年史,每本编年史都是不完整的,“有的记录了李白出生更早,有的则是杜甫更早,我们需要融合起来进行比对,再选择其中概率最大的一种可能性。”

为什么计算机需要庞大的算力呢?因为如果是拿两个物种的化石对比,他们相互之间的关系有六种,当三种物种对比,相互关系就有90种可能性……“当统计的物种数量上升到1万个时,传统计算机运算需要17年!”樊隽轩说,要获得这样的时间分辨率,必须使用超级计算机。

2015年开始,团队在超级计算机上开发新的算法,“天河二号”上部署的这一超算版本,也是首次在超级计算机上运行的地层学程序。“这一技术革新,让过去17年才能完成的计算提高到2-3天就能完成。”樊隽轩说。

樊隽轩表示,研究团队花费了两三年时间,结合模拟退火算法和遗传算法,自主开发了一套针对生命演化分析的算法。自主开发了基于并行计算的约束最优化方法-CONOP.SAGA,最终获得了全新的寒武纪-早三叠世海洋无脊椎动物的复合多样性曲线,将生物多样性的分辨率从1000多万年精细到2.6万年,较国际同类研究的精度提高了400倍左右,新建立的多样性变化曲线更加准确地重现了地质历史中最大的三次生物灭绝事件和两次重大生物辐射事件的精细过程。

全球变冷时,地球生命最辉煌?

生物多样性的曲线精确到令人惊叹,但其背后的意义,与人类本身相关。

“了解地球上生命的演化历程,是人类了解自身由来、以及未来演化的重要手段。” 沈树忠表示,“我们必须回答生命演化中三个基本问题,现今复杂生态系统是如何形成的?生命如何从一种形式演化到另一种形式?深时生物圈中是否存在灾变和多样化事件,这些都需要进一步探索过去的生物多样性。”

此外,地质历史中生物多样性的重大变化,通常也伴随着环境的剧烈波动。在地球历史中,曾经发生过重大的生态系统和环境的突变,导致了多次生物大灭绝事件。

沈树忠介绍,利用古生物数据库重建地质历史全球生物多样性模式,揭示地球生命的演化历史,以及与环境变化之间的关系,可以为了解当前的地球生物多样性危机提供重要启示。

“我们将碳、氧、锶同位素、沉积物质总量、大气二氧化碳含量等一些与气候密切相关的环境指标参数与我们的多样性曲线进行了初步的比较,发现生命的兴衰与大气二氧化碳的变化存在同步的现象。” 樊隽轩说,从新建立的古生代海洋生物多样性演变曲线可见,2.52亿年前发生了人类迄今为止识别出的最大规模的生物灭绝事件,导致约81%的海洋生物在数万年内迅速灭亡,这一事件的发生,与当时全球气候的快速升温密切相关。

而代表“地球生命辉煌阶段”的重要生物辐射事件,两次分别发生在4.9-4.7亿年前和3.4-3亿年前,并均与当时全球气候的逐渐变冷同步。沈树忠表示,有数据指出目前地球上正经历前所未有的生物大灭绝事件当中,当今地球是否处于一次生物大灭绝之中?如果是,如何阻止? “全球变暖是当今地球生态系统恶化的主因吗?未来我们可能需要建立高时间分辨率的环境因素曲线,与生物多样性曲线进行更加准确、可靠的对比分析。”根据化石记录重建的生物多样性变化与环境演变历史是能给我们答案的唯一途径。

记者 杨频萍

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责编:缪钦 崔欣
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