2020年度中国科学十大进展揭晓:大数据刻画出迄今最高精度的地球3亿年生物多样性演变历史

时间:2021-03-03
作者: 南京大学、科学技术部高技术研究发展中心
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2021年2月27日,科学技术部高技术研究发展中心(基础研究管理中心)发布了2020年度中国科学十大进展:我国科学家积极应对新冠肺炎疫情取得突出进展、嫦娥五号首次实现月面自动采样返回、“奋斗者”号创造中国载人深潜新纪录、揭示人类遗传物质传递的关键步骤、研发出具有超高压电性能的透明铁电单晶、2020珠峰高程测定、古基因组揭示近万年来中国人群的演化与迁徙历史、大数据刻画出迄今最高精度的地球3亿年生物多样性演变历史、深度解析多器官衰老的标记物和干预靶标、实验观测到化学反应中的量子干涉现象等10项重大科学进展入选。

其中,“大数据刻画出迄今最高精度的地球3亿年生物多样性演变历史”由南京大学沈树忠、樊隽轩领衔研发。

生命起源与演化是世界十大科学之谜之一。地球上曾经生活过的生物99%以上已经灭绝,通过化石记录重建地球生物多样性变化历史是认识当今生物多样性现状与未来趋势的最重要途径之一。然而,地质历史时期地球生物多样性变化研究的时间分辨率低、生物分类粗,无法精确识别突发性重大生物演变事件,也不能为近代地球生态系统演变研究提供重要参考。

沈树忠、樊隽轩团队联合国内外专家创建国际大型数据库,自主研发人工智能算法,利用“天河二号”超算取得突破,获得了全球第一条高精度的古生代3亿多年的海洋生物多样性演化曲线,时间分辨率较国际同类研究提高400多倍。新曲线精准刻画出地球生物多样性演变过程中的多次重大生物灭绝、复苏和辐射事件,揭示了当时生物多样性变化与大气CO2含量以及全球性气候剧变的协同关系。该研究将推动整个演化古生物学研究的变革。

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据了解,新曲线精确刻画出地质历史中规模最大的三次生物灭绝事件以及两次重大生物辐射事件的精细过程。

地质历史中规模最大的三次生物灭绝事件:

奥陶纪末大灭绝

发生在奥陶纪末期,距今约4.4亿年前。发生在4.45亿年前,其间约有85%的物种灭绝。根据化石资料研究,此时腕足动物门、苔藓动物门、头足类、三叶虫类、笔石类、珊瑚、滤食型浮游生物等生物大量减少。

泥盆纪大灭绝

发生于古生代泥盆纪晚期,距今约3.7-3.5亿年前。主要的造礁生物——造礁四射珊瑚和造礁海绵类动物完全消失,腕足类、鱼类、浮游藻类等物种大量灭绝。

二叠纪大灭绝

发生在二叠纪末期,距今约2.5亿年前。是公认的迄今已知的真个显生宙6亿年演化史上最大的灭绝事件。据统计,仅海洋动物就有200多个科灭绝,海洋无脊椎动物有700个属灭绝。

两次重大生物辐射事件:

奥陶纪大辐射

在早古生代奥陶纪时期主要发生在海洋生态系统的一次大型辐射事件。这一事件对海洋生物的演化造成了重要影响,属级分类单元的动物增长了超过3倍,古生代演化动物群开始逐渐替代寒武纪演化动物群,以珊瑚-层孔海绵为标志的动物礁也迅速崛起,奠定了之后整个海洋底栖生态系统的格局。

石炭-二叠纪生物辐射

晚石炭-早二叠生物大辐射时期,海洋生物的多样性显示出明显的增长趋势,其主要贡献者有孔虫,尤其是其中的䗴类。腕足类和甲壳类也有一定的贡献。石炭-二叠纪生物辐射事件可与奥陶纪生物大幅射事件比较,但是奥陶纪生物大辐射事件持续时间更长,生物多样性增长更多,且在之间发生过一次短暂的多样性降低事件,另外,不同于陶纪生物大辐射的多门类共同增长,石炭-二叠纪生物辐射则体现出优势类群快速增长的趋势。

该成果也于2020年1月以Article形式发表于Science。Science评述该研究“将推动整个演化古生物学的变革”,Nature评述“古生物学家以惊人的细节绘制出地球3亿年历史”。

沈树忠回答媒体记者关于如何利用超算、人工智能算法等推进相关研究的问题时表示,“希望可以在现有基础上,进一步完善全球化石样本数据,采集更多世界范围内的化石记录,将来可以把整个地球历史的化石记录都做到自主研发的大数据库里,帮助更好地认知地球生物多样性现状和规律,在更精确的时间尺度上,重建生命演化的历史,进而给地球和人类的未来走向更多启示。”