日前，南京大學(xué)教授樊雋軒，中國(guó)科學(xué)院院士、南京大學(xué)教授沈樹(shù)忠等在《科學(xué)》雜志發(fā)表了題為《寒武紀(jì)至早三疊世高分辨率海洋生物多樣性演化》的論文。該研究利用古生物大數(shù)據(jù)、超算和遺傳算法等全新的方法和手段，基于化石記錄重現(xiàn)了生命演化歷史，改變了當(dāng)前對(duì)古生代海洋生物多樣性演化的認(rèn)知。
生命起源與演化是世界十大科學(xué)之謎，也是《科學(xué)》雜志列出的125個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題之一。了解地球上生命的演化歷程，是人類(lèi)了解自身由來(lái)，以及未來(lái)演化的重要手段。地球上曾經(jīng)生活過(guò)的生物中99%以上已經(jīng)滅絕，但只有很少一部分能保存為化石，如何通過(guò)不完整的化石記錄重建地球歷史生物多樣性的變化規(guī)律是一個(gè)重大科學(xué)難題。此外，在地球歷史中，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)重大的生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的突變，導(dǎo)致了多次生物大滅絕事件。利用古生物數(shù)據(jù)庫(kù)重建地質(zhì)歷史全球生物多樣性模式，揭示地球生命的演化歷史，以及與環(huán)境變化之間的關(guān)系，可以為了解當(dāng)前的地球生物多樣性危機(jī)提供重要啟示。
為了建立古生代(約5.4億年—2.4億年，相當(dāng)于寒武紀(jì)至三疊紀(jì)早期)海洋生物多樣性曲線，樊雋軒等人收集了大量的地層剖面和化石記錄，從中遴選了3112個(gè)地層剖面、11268個(gè)海洋化石物種的26萬(wàn)條化石數(shù)據(jù)。國(guó)際同類(lèi)研究通?；诰幠渴綌?shù)據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行多樣性統(tǒng)計(jì)分析，分辨率低，難以準(zhǔn)確重現(xiàn)生命演化的精細(xì)過(guò)程。為了根本地解決這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)結(jié)合了模擬退火算法和遺傳算法，自主開(kāi)發(fā)了基于并行計(jì)算的約束最優(yōu)化方法，利用“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和驗(yàn)證，獲得了全新的寒武紀(jì)—三疊紀(jì)海洋無(wú)脊椎動(dòng)物的復(fù)合多樣性曲線，其統(tǒng)計(jì)時(shí)間分辨率約為2.6萬(wàn)年，較國(guó)際同類(lèi)研究的精度提高了400倍左右。
該項(xiàng)研究表明，前人使用的低分辨率且不均一的時(shí)間標(biāo)尺，會(huì)直接影響對(duì)古生物多樣性的估算，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估生物多樣性的變化速率和模式，并可能掩蓋突發(fā)性的重大事件以及短時(shí)間的劇烈波動(dòng)。新建立的多樣性變化曲線更加準(zhǔn)確地重現(xiàn)了地質(zhì)歷史中最大的三次生物滅絕事件和兩次重大生物輻射事件的精細(xì)過(guò)程。
研究采用了全新的技術(shù)手段，部分解決了深時(shí)(Deep-time，通常指人類(lèi)出現(xiàn)之前的歷史)高分辨率時(shí)間標(biāo)尺建立的難題，從而可以在接近現(xiàn)代長(zhǎng)尺度生態(tài)研究的水平上驗(yàn)證或評(píng)估生物或古生物學(xué)的假說(shuō)。
此項(xiàng)研究是地球科學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)相結(jié)合的一項(xiàng)突破。2019年由中國(guó)科學(xué)家倡議、13個(gè)國(guó)際組織與機(jī)構(gòu)共同發(fā)起的國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃——“深時(shí)數(shù)字地球”(DDE)，致力于搭建全球地球科學(xué)家與數(shù)據(jù)科學(xué)家合作交流的國(guó)際平臺(tái)，推動(dòng)地球科學(xué)在大數(shù)據(jù)時(shí)代的創(chuàng)新發(fā)展。在DDE計(jì)劃的框架下，基于全球地質(zhì)大數(shù)據(jù)與更加高效的超算方法，重建完整的生命演化歷史將得以實(shí)現(xiàn)。(蘇雁)
