大数据再现地球3亿年历史

文／冯伟民

2月27日，由科技部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）牵头组织的“2020年度中国科学十大进展”遴选成果揭晓。由古生物学家主导的“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”成功入选。

研究地球生物多样性是如何演变而来，对于认识地球的生物多样性现状与人类居住环境未来发展趋势有重要意义。自地球生命诞生，生物多样性便一路演化而来，造就了当今地球生物圈面貌。但是，在地球生命史上，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。

如何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、人类可能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。科学家研究表明，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。

科学家曾试图通过化石记录重建地球生物多样性变化历史。20世纪80年代，美国科学家劳普（D.Raup）和同事杰克·塞普克斯基（J.Sepkoski）详细研究各国化石记录后，公布了对物种灭绝“背景”比率的研究结果，即有机体在地球生命史中灭绝的正常比例，表明物种至少经历了五次全球大灭绝。这一研究成果曾引起科学家广泛关注和社会影响，被大量引用于专业文献和博物馆展览展示中。

然而，以往研究展示的对地质历史时期地球生物多样性变化在时间分辨率上还比较低、生物分类比较粗，识别突发性重大生物演变事件的精度也不够，也缺乏与环境因子的比较对比。因此，科学界期待有更高分辨率和更为精准的研究成果问世，以便为近代地球生态系统演变研究提供更有价值的重要参考。

为此，我国科学家沈树忠、樊隽轩团队联合国内外专家创建国际大型古生物数据库，从中遴选出3112个地层剖面和11268个海洋化石物种的26万条化石数据，自主建立大型古生物和地层数据库，并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。

这条具有世界性意义的原创地质历史全球生物复合型多样性曲线，将统计时间的分辨率达到了2.6万年，较国际同类研究的精度整整提高了400倍左右。因此，这一突破性成果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，将为揭示地球生命的演化历史，以及与环境变化之间的关系，深刻理解这些重大生物事件的驱动机制，并为了解当前的地球生物多样性危机提供重要启示。

大数据不仅刻画出迄今最高精度的地球3亿年生物多样性演变历史，再现了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，而且还揭示了这一历史时期生物多样性变化与大气二氧化碳含量以及全球性气候剧变的协同关系，彰显了更具科学意义的成果。

这条基于化石记录大数据演算出来的古生代海洋生物多样性曲线，还揭示出很多以前模式中看不到的事件和细节，改变了当前对古生代海洋生物多样性演化的认知。因此，该研究将推动整个演化古生物学研究的变革。中国科学家的成果获得了国际同行的高度评价。美国《科学》杂志评述该研究“将推动整个演化古生物学的变革”，英国《自然》则评述“古生物学家以惊人的细节绘制出地球3亿年历史”。

此项研究是地球科学与数据科学相结合的一项突破，极大地鼓舞了科学家致力于“深时数字地球”（DDE）研究，必将进一步推动全球地球科学家与数据科学家的合作交流，推动地球科学在大数据时代的创新发展，最终实现重建完整的生命演化历史的壮举，为人类的未来可持续发展提供更多启示。