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人工智能发现了地球生物灭绝的惊人模式

人工智能发现了地球生物灭绝的惊人模式

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2020-12-15 20:09:50


 

来源于:PHYS

 东京工业大学


颜色表示从十亿年前的Tonian到黄色的地质时期,到当前的第四纪的绿色时期。红色到蓝色的过渡标志着二叠纪末生物大灭绝,这是化石记录中最具破坏性的事件之一.png

 


一项新的研究将机器学习应用于化石记录,以可视化生命的历史,从而显示出重大进化事件的影响。这表明了灭绝和物种形成主要事件的长期演变和生态影响。颜色表示从十亿年前的Tonian到黄色的地质时期,到当前的第四纪的绿色时期。红色到蓝色的过渡标志着二叠纪末生物大灭绝,这是化石记录中最具破坏性的事件之一。图片提供:J。Hoyal Cuthill和N. Guttenberg。


查尔斯·达尔文(Charles Darwin)具有里程碑意义的作品“物种起源”结尾处是他的进化论的优美总结:“这种生命观中有一种宏伟的事物,它具有多种力量,最初被吸入多种形式或一种形式。 ;而且,尽管这颗行星按照固定的万有引力定律旋转,但从一个简单的开始,就已经形成了无数最美丽,最奇妙的形态。” 实际上,科学家现在知道,曾经存在的大多数物种都已灭绝。

该物种灭绝了,就整体而言,被粗略地换新了地球历史上首创平衡,有以下几个主要暂时的不平衡科学家通话质量灭绝事件。长期以来,科学家一直认为,物种大灭绝创造了物种进化或“辐射”的生产期,这种模式称为“创造性破坏”。东京工业大学地球生命科学研究所(ELSI)附属科学家领导的一项新研究使用机器学习检查了化石物种的共现现象,发现辐射和灭绝很少联系在一起,因此大规模灭绝很可能很少引起相当规模的辐射。

创造性破坏是经典进化概念的核心。显然,有一段时间许多物种突然消失,而许多新物种突然出现。然而,与灭绝事件规模相当的辐射,因此被本研究称为大规模辐射,其接受的分析远远少于灭绝事件。这项研究比较了灭绝和辐射的影响在化石可利用的整个时期内,即所谓的Phanerozoic Eon。代生代(在希腊语中为“表观生命”的意思)代表了地球约45亿年历史中的最新〜5.5亿年,并且对古生物学家意义重大:在此之前,大多数存在的生物是不容易形成化石的微生物,因此以前的进化记录很难观察到。这项新的研究表明,创造性破坏不是对物种的起源或灭绝的好描述,并且表明,许多最重要的进化辐射时期是生命进入新的进化和生态舞台时发生的,例如寒武纪时期。动物多样性的爆发和森林生物群落的石炭纪扩张。

古生物学家已经在古生代化石记录中发现了一些最严重的物种灭绝事件。这些主要包括“五种”大灭绝,例如二叠纪末期大灭绝,据估计其中超过70%的物种已灭绝。生物学家现在建议,我们现在可能正在进入第六次灭绝,他们认为这主要是人类活动造成的,包括狩猎和农业扩张引起的土地利用变化。

众所周知的“前五大”物种大灭绝的例子是白垩纪-第三纪大灭绝(通常缩写为“ KT”,用德语拼写为白垩纪),似乎是大约6500万年前流星撞击地球时造成的。 ,消灭非禽类恐龙。通过观察化石记录,科学家们开始相信大灭绝事件会产生特别有效的辐射。例如,在KT灭绝恐龙的事件中,通常认为灾难造成了一片荒地,使哺乳动物等生物得以重新定殖和“辐射”,从而允许各种新的哺乳动物物种进化,最终奠定了人类出现的基础。换句话说,如果没有发生“创造性破坏”的KT事件,

这项新的研究始于在ELSI的“ Agora”(一个大型休息室)中进行的随意讨论,在这里,ELSI的科学家和访客经常吃午饭并进行新的对话。该论文的两位作者是进化生物学家Jennifer Hoyal Cuthill(现为英国埃塞克斯大学的研究员)和物理学家/机器学习专家Nicholas Guttenberg(现为Cross Labs的研究科学家,与捷克GoodAI合作),这项工作开始时,他们都是ELSI的博士后学者,他们都围绕着是否可以使用机器学习来可视化和理解化石记录的问题展开讨论。

在访问ELSI期间,就在COVID-19大流行开始限制国际旅行之前,他们热心工作以扩展其分析范围,以研究灭绝与辐射事件之间的相关性。这些讨论使他们能够将其新数据与有关大规模灭绝和辐射的现有观点的广度联系起来。他们很快发现,借助机器学习识别的进化模式在关键方面与传统解释不同。

该团队使用一种新颖的机器学习应用程序来检查古生代化石记录中物种的时间共现,在庞大的精选公共数据库中检查了超过100万个条目,其中包括近20万个物种。

首席作者霍亚尔·卡特希尔(Hoyal Cuthill)博士说:“了解生命史的一些最具挑战性的方面是涉及的物种的巨大时标和数量。机器学习的新应用可以帮助我们以人类可读的方式可视化此信息,从而为我们提供帮助。可以说,这意味着我们可以掌控五亿年的发展,并从我们所看到的中获得新的见解。”

利用他们的客观方法,他们发现机器学习方法发现了古生物学家先前确定的“五大”大规模灭绝事件,它们是灭绝超过辐射或反之亦然的重大破坏的前5%。还有7次额外的物种灭绝,两次综合的物种灭绝-辐射事件和15次质量辐射。出乎意料的是,与之前强调灭绝后辐射重要性的叙述相反,这项工作发现,最可比的质量辐射和灭绝在时间上很少耦合,从而驳斥了它们之间的因果关系。

合著者Nicholas Guttenberg博士说:“生态系统是动态的,您不必为了使新事物出现而必须砍掉现有的碎片。”

研究小组进一步发现,辐射实际上可能导致现有生态系统发生重大变化,这一想法被作者称为“破坏性创造”。他们发现,平均而言,在古生代时期,在任何时候组成一个生态系统的物种几乎都在1900万年后消失了。但是,当发生大规模灭绝或辐射时,这种周转率要高得多。

这为现代第六次灭绝的发生提供了新的视角。始于250万年前的第四纪时期,见证了反复的气候动荡,包括冰川的剧烈变化,即地球上高纬度地区被冰雪覆盖的时期。这意味着目前的第六次物种灭绝正在侵蚀已经被破坏的生物多样性,作者建议至少需要800万年才能恢复到1900万年的长期平均水平。霍亚尔·卡特希尔(Hoyal Cuthill)博士说:“我们手表上发生的每一次灭绝都会消灭一种可能已经存在了数百万年的物种,这使新物种的正常繁殖更加困难。 替代丢失的东西。”


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