借助“天河二号”超级计算机 科学家看清古生物多样性演化精彩“瞬间”
2020-01-23 10:56:27   来源:化石网   评论:0 点击:

本次研究得到的古生物代海洋生物多样性曲线(化石网报道)据科技日报(金凤):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。利用古生物数据库重建地质历史全球生物多样性模

本次研究得到的古生物代海洋生物多样性曲线

(化石网报道)据科技日报(金凤):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。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。
 
最近,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,借助“天河二号”超级计算机,运用大数据、超算、遗传算法等全新的方法和手段,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,将其统计时间分辨率从1000万年精细到约2.6万年,更加准确地重现了地质历史中三次生物大灭绝事件和两次重大生物辐射事件的精细过程。近日,该成果在《科学》杂志在线发表。
 
此前时间分辨率只能精确到800万—1000万年
 
生命演化中有三个基本问题,即地球上复杂的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?人类出现之前的地球生物圈是否存在灾变和生物多样性事件?
 
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。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,是一个重大科学难题。
 
“上世纪八九十年代,科级、属级的显生宙生物多样性曲线,已经可以将地层剖面中保存的海洋生物化石所反映的不同时代信息,精确到800—1000万年。”南京大学地球科学与工程学院副教授史宇坤介绍。
 
但是前人使用的低分辨率且不均一的时间标尺,难以准确重现生命演化的精细过程,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,并可能掩盖突发性的重大事件以及短时间的剧烈波动。
 
“如果想建立更加精确的时间标尺,看到更小时间段内地球发生了哪些生命演化,就需要完成大量的化石生物多样性的计算。”史宇坤说,当统计的物种数量上升到1万个时,用传统的计算机需要计算17.3年。
 
超算让生物多样性分辨率精细到2.6万年
 
为了建立约5.4亿年—2.4亿年前即寒武纪至三叠纪早期海洋生物多样性曲线,南京大学教授樊隽轩等收集了大量的地层剖面和化石记录,他们从2013年起,将1.1万个中国化石剖面、2.7万个化石名称、30.5万个化石记录录入数据库系统,并最终从中遴选了3112个地层剖面、11268个海洋化石物种的26万个化石数据进行分析。
 
如何利用这些海量数据精确、迅速地分析地球生命演化信息?史宇坤介绍,研究团队结合模拟退火算法和遗传算法,自主开发了基于并行计算的约束最优化方法。
 
“我们利用 ‘天河二号’超级计算机,反复计算和验证。2017年的高性能超算版本,将原来需要17年才能完成的一次计算,压缩到2—3天,计算速率提高了6000倍。”史宇坤说,这是首次在“天河二号”上运行地层学程序,也是古生物研究领域率先引入大数据和超算算法的成功尝试,并获得巨大突破。
 
最终,科研团队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,精度提高了400倍左右。
 
“以往有关化石生物多样性的统计分析的数据很粗,每个时间段大约跨越1000万年,但我们通过大数据、超算、定量化技术,可以精细地看到几万年内发生的生物多样性的变化以及环境的变化,这对于当今生物多样性如何受环境和气候的影响,提供了重要的启示。”中国科学院院士、南京大学教授沈树忠说。
 
准确重现三次生物灭绝、两次生物辐射过程
 
新建立的多样性变化曲线,更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。
 
例如,2.52亿年前,地球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80%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。
 
此外,在此次研究中,研究人员发现,4.9亿—4.7亿年前的中晚奥陶世和3.4亿—3亿年前的石炭—二叠纪,全球气候变冷,海洋平均温度下降5摄氏度左右,但生物多样性却大幅增加。“这对于我们认识人类活动导致的第六次生物大灭绝以及与全球气候变化之间的关系具有重要科学价值。”沈树忠说。
 
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。论文选取了6种与气候变化密切相关的环境指标,包括碳、氧、锶同位素、沉积物质总量、大气二氧化碳含量等。
 
“我们希望能寻找到在最关键的生物多样性变化节点上,对应的环境变化是多少。”史宇坤说,虽然目前这些环境指标还缺少更精细的时间尺度,但初步的分析表明,大气二氧化碳含量与生物多样性密切相关。“例如,生物多样性的变化与二氧化碳的浓度在早古生代的对应关系是0.7,但在晚古生代是0.52,二氧化碳浓度变化与生物多样性变化,可能由相同的因素导致,但到底是什么,还需要进一步研究。”
 
相关报道:中国科学家牵头揭秘古生代海洋生物多样性演化
 
(化石网报道)据中国科学院南京地质古生物研究所:在中国科学院战略性先导科技专项(B类)“关键地史时期生物与环境演变过程及其机制”等的支持下,由南京大学、中国科学院南京地质古生物研究所等共同完成的有关寒武纪至三叠纪早期海洋无脊椎动物生物多样性演化的论文于1月17日在美国《科学》(Science)杂志在线刊发。该研究利用古生物大数据、超级计算、模拟退火算法和遗传算法等全新的方法和手段,基于化石记录重现了生命演化历史,改变了当前对古生代海洋生物多样性演化的认知。 
 
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。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。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,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科学难题。此外,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。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。 
 
为了建立古生代(约5.4亿年-2.4亿年,相当于寒武纪至三叠纪早期)海洋生物多样性曲线,项目团队自2000年开始收集了大量已发表的地层剖面和化石记录,并于2006年统一纳入由南京古生物所自主建设的古生物学和地层学数据库(GBDB数据库),本次研究从中遴选了3112个地层剖面、11268个海洋化石物种的26万化石数据作为研究的对象。 
 
国际同类研究通常基于编目式数据库的方式进行多样性统计分析,分辨率低,难以准确重现生命演化的精细过程。为了根本地解决这一问题,团队结合了模拟退火算法和遗传算法,自主开发了基于并行计算的约束最优化方法 - CONOP.SAGA。利用“天河二号”超级计算机,经过反复计算和验证,获得了全新的寒武纪-三叠纪海洋无脊椎动物的复合多样性曲线,其统计时间分辨率约为2.6万年,较国际同类研究的精度提高了400倍左右。 
 
该项研究表明,前人使用的低分辨率且不均一的时间标尺,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,并可能掩盖突发性的重大事件以及短时间的剧烈波动。 
 
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。其中,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80%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。两次重要的生物辐射事件,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。深刻理解这些重大生物事件的驱动机制,对于我们认识当今地球生物多样性以及人类面临的第六次大灭绝及其与全球气候变化之间的关系具有重要启示意义。 
 
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。论文选取了六种与气候变化密切相关的环境指标,包括碳、氧、锶同位素、沉积物质总量、大气二氧化碳含量等。虽然这些环境指标还缺少高分辨率的时间约束,但初步的分析表明,大气二氧化碳含量是一个表现出与生物多样性存在相似的长期模式的环境因素。未来需要建立高时间分辨率的环境因素曲线,可以与生物多样性曲线进行更加准确、可靠的对比分析,从而识别各种环境指标与多样性变化之间是否存在因果关系。 
 
此项研究采用了全新的技术手段,部分解决了深时(Deep-time,通常指人类出现之前的历史)高分辨率时间标尺建立的难题,从而可以在接近现代长尺度生态研究的水平上验证或评估生物或古生物学的假说。 
 
此项研究是地球科学与数据科学相结合的一项突破。在GBDB数据库建设经验等的基础上,2019年由中国科学家倡议、13个国际组织与机构共同发起的国际大科学计划 - “深时数字地球”(DDE),致力于搭建全球地球科学家与数据科学家合作交流的国际平台,推动地球科学在大数据时代的创新发展。在DDE计划的框架下,基于全球地质大数据与更加高效的超算方法,重建完整的生命演化历史将得以实现。 
 
此项研究得到中国科学院、国家自然科学基金委和国家重点研发计划等项目的支持。 
 
论文相关信息:Jun-xuan Fan, Shu-zhong Shen*, Douglas H. Erwin, Peter M. Sadler, Norman MacLeod, Qiu-ming Cheng, Xu-dong Hou, Jiao Yang, Xiang-dong Wang, Yue Wang, Hua Zhang, Xu Chen, Guo-xiang Li, Yi-chun Zhang, Yu-kun Shi, Dong-xun Yuan, Qing Chen, Lin-na Zhang, Chao Li, Ying-ying Zhao, 2020, A high-resolution summary of Cambrian to Early Triassic marine invertebrate biodiversity, Science, 367-6475, pp. 272-277. DOI: 10.1126/science.aax4953

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