大數據再現地球3億年歷史

文／馮偉民

2月27日，由科技部高技術研究發展中心（基礎研究管理中心）牽頭組織的“2020年度中國科學十大進展”遴選成果揭曉。由古生物學家主導的“大數據刻畫出迄今最高精度的地球3億年生物多樣性演變歷史”成功入選。

研究地球生物多樣性是如何演變而來，對于認識地球的生物多樣性現狀與人類居住環境未來發展趨勢有重要意義。自地球生命誕生，生物多樣性便一路演化而來，造就了當今地球生物圈面貌。但是，在地球生命史上，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。

如何深刻理解這些重大生物事件的驅動機制，對于我們認識當今地球生物多樣性、人類可能面臨的第六次大滅絕，及其與全球氣候變化之間的關系具有重要啟示意義。科學家研究表明，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。

科學家曾試圖通過化石記錄重建地球生物多樣性變化歷史。20世紀80年代，美國科學家勞普（D.Raup）和同事杰克·塞普克斯基（J.Sepkoski）詳細研究各國化石記錄后，公布了對物種滅絕“背景”比率的研究結果，即有機體在地球生命史中滅絕的正常比例，表明物種至少經歷了五次全球大滅絕。這一研究成果曾引起科學家廣泛關注和社會影響，被大量引用于專業文獻和博物館展覽展示中。

然而，以往研究展示的對地質歷史時期地球生物多樣性變化在時間分辨率上還比較低、生物分類比較粗，識別突發性重大生物演變事件的精度也不夠，也缺乏與環境因子的比較對比。因此，科學界期待有更高分辨率和更為精準的研究成果問世，以便為近代地球生態系統演變研究提供更有價值的重要參考。

為此，我國科學家沈樹忠、樊雋軒團隊聯合國內外專家創建國際大型古生物數據庫，從中遴選出3112個地層剖面和11268個海洋化石物種的26萬條化石數據，自主建立大型古生物和地層數據庫，并結合了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。利用“天河二號”超級計算機，經過反復計算和驗證，獲得了全新的寒武紀-三疊紀海洋無脊椎動物的復合多樣性曲線。

這條具有世界性意義的原創地質歷史全球生物復合型多樣性曲線，將統計時間的分辨率達到了2.6萬年，較國際同類研究的精度整整提高了400倍左右。因此，這一突破性成果獲得了全球第一條高精度的古生代3億多年的海洋生物多樣性演化曲線，將為揭示地球生命的演化歷史，以及與環境變化之間的關系，深刻理解這些重大生物事件的驅動機制，并為了解當前的地球生物多樣性危機提供重要啟示。

大數據不僅刻畫出迄今最高精度的地球3億年生物多樣性演變歷史，再現了地球生物多樣性演變過程中的多次重大生物滅絕、復蘇和輻射事件，而且還揭示了這一歷史時期生物多樣性變化與大氣二氧化碳含量以及全球性氣候劇變的協同關系，彰顯了更具科學意義的成果。

這條基于化石記錄大數據演算出來的古生代海洋生物多樣性曲線，還揭示出很多以前模式中看不到的事件和細節，改變了當前對古生代海洋生物多樣性演化的認知。因此，該研究將推動整個演化古生物學研究的變革。中國科學家的成果獲得了國際同行的高度評價。美國《科學》雜志評述該研究“將推動整個演化古生物學的變革”，英國《自然》則評述“古生物學家以驚人的細節繪制出地球3億年歷史”。

此項研究是地球科學與數據科學相結合的一項突破，極大地鼓舞了科學家致力于“深時數字地球”（DDE）研究，必將進一步推動全球地球科學家與數據科學家的合作交流，推動地球科學在大數據時代的創新發展，最終實現重建完整的生命演化歷史的壯舉，為人類的未來可持續發展提供更多啟示。