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                                                                                                      【劉東生講座第3講】宋海軍:地球生物學大數據及應用
                                                                                                      發布時間:2021-09-08 

                                                                                                        2021年9月6日,中國科學院新生代地質與環境重點實驗室舉行第三期“劉東生講座”,中國地質大學教授宋海軍做題為“地球生物學大數據及應用”報告。 

                                                                                                        過去四十年里,地球科學SCI論文數量增加了7倍。隨著數據共享機制、存儲分發平臺的逐漸完善,以及人工智能絕對智商不斷提高,大數據和人工智能手段在現代地球科學研究中地位日益凸顯。 

                                                                                                        宋海軍教授簡要回顧地球生物學大數據的發展歷史。1860年,John Philips出版了《英國化石匯編》,并構建了第一條顯生宙的生物多樣性曲線,生物大滅絕事件初現崢嶸。1980年代,John Sepkoski Jr.根據屬的多樣性重建了生物多樣性變化曲線,揭示了五次生物大滅絕,但沒有充分考慮化石的保存和分布信息。新一代的數據庫以南京地質古生物研究所的地球生物多樣性數據庫為代表。該數據庫覆蓋了25,000多個剖面以及57萬多條數據,有效支撐了古生代生物多樣性的高分辨率重建。 

                                                                                                        過去10年中,宋海軍教授利用大數據方法深入研究了生物大滅絕事件的性質。顯生宙最大的生物滅絕事件發生在二疊紀和三疊紀之交。二疊-三疊大滅絕事件在不到10萬年的時間里,滅絕了90%以上的海洋物種。宋海軍教授系統收集、統計和分析了全球5萬多條化石記錄發現,在滅絕前的二疊紀海洋生態系統中,底棲型動物占據主導地位,而在滅絕后的早三疊世海洋,游泳型動物占據主導地位,——滅絕事件導致海洋生態金字塔出現倒轉(下圖)。他還發現,三疊紀海洋中,處于生物鏈頂端的動物復蘇比底端更快,海洋生態系統重建是自上而下進行的。生物多樣性在滅絕事件發生5Ma后就恢復到了滅絕前的水平,而生態系統恢復時間則超過了50Ma,直到三疊紀末才恢復到滅絕前的水平。

                                                                                                        生物多樣性最顯著的空間特征是多樣性緯度梯度:赤道地區生物多樣性高,而高緯地區生物多樣性低。宋海均教授團隊采用多種重采樣方法分析了5萬多條海洋生物化石數據,發現在晚二疊世和中晚三疊世生物多樣性緯度都非常明顯。而二疊-三疊之交的生物大滅絕事件發生時,熱帶地區生物多樣性高峰消失,生物多樣性在赤道和兩極地區沒有顯著差別。這種扁平的緯度多樣性梯度持續了整個早三疊世,到中晚三疊世才逐漸恢復(下圖)。

                                                                                                        他們還注意到,在大滅絕發生后的早三疊世,不同地點的菊石相似程度明顯增加,菊石出現了全球化現象,這表明二疊-三疊大滅絕是全球性事件。菊石數據分析發現,早三疊世幸存的菊石缺少復雜紋飾,表面大多比較光滑,菊石的滅絕存在選擇性。有孔蟲數據分析發現,較大的有孔蟲更容易滅絕。由于二疊-三疊滅絕事件存在形態和大小上的選擇性,暗示滅絕事件的主要原因是升溫而非降溫,選擇性滅絕的原因可能是海洋酸化和缺氧,而不是隕石撞擊事件。 

                                                                                                        生態實驗和海洋調查表明溫度是影響生物生存和多樣性變化的重要因素。為進一步探討大滅絕事件的可能機制,宋海軍教授團隊建立了顯生宙化石氧同位素數據庫,包括25,000多條各類化石的磷酸鹽和碳酸鹽氧同位素數據。集成的氧同位素曲線與地質歷史中冰期變化大致相符,也與重建的大氣二氧化碳濃度變化接近。他們進一步和Chris Scotese團隊合作,將全球沉積大數據和地球化學數據結合起來,構建了顯生宙地球平均溫度變化曲線(下圖)。

                                                                                                        宋海軍教授利用近4萬個化石屬、85萬多條化石記錄計算了4.5億年以來海洋生物滅絕率變化,并與古溫度變化進行對比。對比發現顯生宙海洋生物滅絕率與溫度變化的幅度和速率顯著正相關:溫度變化速度越快、幅度越大,的生物滅絕率就越高(下圖)。顯生宙五大滅絕事件發生的氣候變化的閾值為:溫度變化幅度超過5.2℃,且溫度變化速率大于10℃/Myr。

                                                                                                        該項研究結果對當前氣候變化和生態響應有重要啟示。自1850年以來,全球平均溫度已經上升了1°C 。到2100年,地球平均溫度有可能上升5度,接近甚至超過地史時期五次大滅絕的閾值,很可能對海洋生態系統造成災難性打擊。 

                                                                                                        在研究深入的同時,宋海軍教授還將AI引入了課堂。目前,基于深度卷積神經網絡的化石AI鑒定平臺已經上線,整體鑒定準確率超過了90%。即使是容易混淆的腕足類和雙殼類,準確率也超過80%。宋海軍教授領導的地球生物學大數據&模擬團正積極構建基于AI識別的生物多樣性曲線。 

                                                                                                        全所數十名師生出席了講座,并與宋海軍教授就生物大滅絕的性質、后果,大數據處理的方法和理論、AI工作原理等展開了熱烈交流。  

                                                                                                        講座結束后,新生代重點實驗室楊石嶺研究員為宋海軍教授頒發“劉東生講座”證書,并合影留念。 

                                                                                                         

                                                                                                       
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