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超算地质-可以精细地看到几万年内发生的生物多样性的变化以及环境的变化-云水新闻网

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如何利用這些海量數據(603138,股吧)精確、迅速地分析地球生命演化信息?史宇坤介紹,研究團隊結合模擬退火算法和遺傳算法,自主開發了基於并行計算的約束最優化方法。

準確重現三次生物滅絕、兩次生物輻射過程

此外,在此次研究中,研究人員發現,4.9億—4.7億年前的中晚奧陶世和3.4億—3億年前的石炭—二疊紀,全球氣候變冷,海洋平均溫度下降5攝氏度左右,但生物多樣性卻大幅增加。「這對於我們認識人類活動導致的第六次生物大滅絕以及與全球氣候變化之間的關係具有重要科學價值。」沈樹忠說。

「我們利用『天河二號』超級計算機,反覆計算和驗證。2017年的高性能超算版本,將原來需要17年才能完成的一次計算,壓縮到2—3天,計算速率提高了6000倍。」史宇坤說,這是首次在「天河二號」上運行地層學程序,也是古生物研究領域率先引入大數據和超算算法的成功嘗試,並獲得巨大突破。

為了建立約5.4億年—2.4億年前即寒武紀至三疊紀早期海洋生物多樣性曲線,南京大學教授樊雋軒等收集了大量的地層剖面和化石記錄,他們從2013年起,將1.1萬個中國化石剖面、2.7萬個化石名稱、30.5萬個化石記錄錄入數據庫系統,並最終從中遴選了3112個地層剖面、11268個海洋化石物種的26萬個化石數據進行分析。

如今,地球上曾經生活過的生物中99%以上已經滅絕,但只有很少一部分能保存為化石。如何通過不完整的化石記錄重建地球歷史生物多樣性的變化規律,是一個重大科學難題。

最近,南京大學、中國科學院南京地質古生物所的樊雋軒教授、沈樹忠院士團隊,藉助「天河二號」超級計算機,運用大數據、超算、遺傳算法等全新的方法和手段,獲得了全新的寒武紀—早三疊世海洋無脊椎動物的複合多樣性曲線,將其統計時間分辨率從1000萬年精細到約2.6萬年,更加準確地重現了地質歷史中三次生物大滅絕事件和兩次重大生物輻射事件的精細過程。近日,該成果在《科學》雜誌在線發表。

新建立的多樣性變化曲線,更準確地重現了地質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過程。

地質歷史中生物多樣性的重大變化,通常也伴隨着環境的劇烈波動。論文選取了6種與氣候變化密切相關的環境指標,包括碳、氧、鍶同位素、沉積物質總量、大氣二氧化碳含量等。

「以往有關化石生物多樣性的統計分析的數據很粗,每個時間段大約跨越1000萬年,但我們通過大數據、超算、定量化技術,可以精細地看到幾萬年內發生的生物多樣性的變化以及環境的變化,這給當今生物多樣性如何受環境和氣候的影響,提供了重要的啟示。」中國科學院院士、南京大學教授沈樹忠說。

「上世紀八九十年代,科級、屬級的顯生宙生物多樣性曲線,已經可以將地層剖面中保存的海洋生物化石所反映的不同時代信息,精確到800萬—1000萬年。」南京大學地球科學與工程學院副教授史宇坤介紹。

在地球歷史中,曾經發生過重大的生態系統和環境的突變,導致了多次生物大滅絕事件。利用古生物數據庫重建地質歷史全球生物多樣性模式,揭示地球生命的演化歷史,以及與環境變化之間的關係,可以為了解當前的地球生物多樣性危機提供重要啟示。

最終,科研團隊獲得了全新的寒武紀—早三疊世海洋無脊椎動物的複合多樣性曲線,將生物多樣性的時間分辨率從1000多萬年精細到2.6萬年,精度提高了400倍左右。

但是前人使用的低分辨率且不均一的時間標尺,難以準確重現生命演化的精細過程,會直接影響對古生物多樣性的估算,導致無法準確評估生物多樣性的變化速率和模式,並可能掩蓋突發性的重大事件以及短時間的劇烈波動。

例如,2.52億年前,地球發生了人類迄今為止識別出的最大規模的生物滅絕事件,導致約80%的海洋生物在數萬年內迅速滅亡。這一事件的發生,與當時全球氣候的快速升溫密切相關。

超算等技術讓分辨率精度提高400倍左右

此前時間分辨率只能精確到800萬—1000萬年

生命演化中有3個基本問題,即地球上複雜的生態系統是如何形成的?生命如何從一種形式演化到另一種形式?人類出現之前的地球生物圈是否存在災變和生物多樣性事件?

「如果想建立更加精確的時間標尺,看到更小時間段內地球發生了哪些生命演化,就需要完成大量的化石生物多樣性的計算。」史宇坤說,當統計的物種數量上升到1萬個時,用傳統的計算機需要計算17.3年。

「我們希望能尋找到在最關鍵的生物多樣性變化節點上,對應的環境變化是多少。」史宇坤說,雖然目前這些環境指標還缺少更精細的時間尺度,但初步的分析表明,大氣二氧化碳含量與生物多樣性密切相關。「例如,生物多樣性的變化與二氧化碳的濃度在早古生代的對應關係是0.7,但在晚古生代是0.52,二氧化碳濃度變化與生物多樣性變化,可能由相同的因素導致,但到底是什麼,還需要進一步研究。」

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