High-resolution big data reshape ancient biodiversity records

21世纪的地球科学主题是研究地球各圈层相互作用 的地球系统科学. 生物圈演化与地球演化基本同步, 其研 究对象有机界相对于无机界演化快速、反应灵敏, 因此对 地球系统科学研究十分重要. 迄今对生物圈演化的研究集 中在距今5.4亿年前的显生宙 . 依据古生物数据库建立的 几个显生宙生物演化曲线已经揭示了生物的盛衰史及 其转折点——起源、辐射和灭绝. 但是迄今的工作都遇到 了同样的瓶颈: 由于化石采集的不完备性和时间记录、化 石鉴定的不精确性 , 导致所建立的曲线比较粗略(时间精 度为811±2.43.2 Ma), 不能精确描述生物演化和卡定突 发性事件, 并难于与较精确的地球化学曲线相对比, 因而 在恢复地球历史变迁、进而预测未来方面受到限制. Fan等人 报道的GBDB(Geobiodiversity Database)古 生代至中三叠世数据库在这方面有所突破, 表现在以下几 方面(图1): (1) 资料基础完备, 可靠性高. 研究基于3112条 地层剖面、11268个海洋生物物种、116060个地层层位, 而 且化石清单经过专家审定 ; (2) 此数据库虽以中国为主 , 但由于组成中国的各板块的地史分布, 基本上代表了显生 宙时的东半球自冈瓦纳南部至北方区北部的情况(文献[4] 的图S3), 且可与以往以西半球为主的诸曲线互相补充对 照; (3) 更重要的是, 为了改进时间记录不精确性, 他们采 用了CONOP(约束最优化法 ), 并针对并行计算设计了 SAGA混合算法(模拟退火算法simulated annealing和遗传 算法genetic algorithm), 形成了CONOP.SAGA方法 , 使其 古生代至中三叠世的时间划分到一万一千多个时间段, 其 平均时间精度达到约2.6±1.49万年, 比前人的时间精度提 高了400余倍 . 这大大细化了该时间段生物演化的研究 , 并加强了与地球环境演变对比的潜力. 与包括Sepkoski、Alroy等人、Bambach在内的以 往成果相比, Fan等人利用GBDB所绘制的古生代至三叠 纪生物多样性曲线, 在晚奥陶世、泥盆纪F.-F.(文献[4]中前 延至中-晚泥盆世)及二叠纪末3次大灭绝方面大体相似, 在 生物辐射方面则有差异. 其中, 奥陶纪大辐射从寒武纪末 即已开始, 比以往提早了2千万年; 显现了一个早志留世的 辐射, 是以往没有的; 以往曲线显示了晚石炭世至早中二 叠世的较小辐射, 此次曲线则显示其幅度更大、时限更长, 可与奥陶纪大辐射媲美, 并且延伸至晚二叠世而没有中二 叠世末的灭绝. 这些变动值得我们注意. 但是文献[4]中“二 叠纪末大灭绝”延至251.32(251.95~0.63) Ma, 已进入三叠纪 范围(文献[4]中表S2, H. parvus时间为251.902 Ma), 似应称 为“二叠-三叠纪之交大灭绝”, 这样称呼亦符合野外实况. Fan等人 将GBDB生物多样性曲线与显生宙同一时 间段中多种反映地球环境变化的代用标志曲线相对比, 试 图从生物与环境协同演化的角度论述生物多样性变化的 外因机制. 对比结果是, 大气CO2浓度与生物多样性的长 期曲线有某种相似性, 但用差分法(first difference)去除时 间序列趋势后, 显示两者并无显著因果关系(文献[4]中图 4(F)和5). 其他代用标志曲线亦未能显示与生物多样性曲 线的可对比性 . 搞清楚古生代气候与构造活动(含大陆漂 移 )与生物多样性的关系还有很长一段路要走 , 但Fan等 人的尝试是值得赞赏的. 古生物学已经有几百年的历史. GBDB在传统的分类 学和生物地层学基础上, 采用创新的方法和大数据、高性 能计算(天河二号超级计算机)、人工智能算法, 使我国古生 物数据库研究走到国际前列. 它给我们的启示是, 古老的 学科可以焕发青春, 其途径是开拓创新和交叉融合.