5.4億年前，地球經(jīng)歷了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)，在此之前的時(shí)間，地球上的生命又經(jīng)歷了怎樣的演化歷程？經(jīng)過(guò)六年多努力，南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院唐卿研究員和沈樹(shù)忠院士等，聯(lián)合中外多家科研單位，繪制出了迄今第一條早期地球高精度生物多樣性曲線，首次勾勒出早期地球生命演化的總體面貌，填補(bǔ)了研究空白。12月20日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了這項(xiàng)重要成果（論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adm9137）。

結(jié)合超算和人工智能

創(chuàng)建目前全球數(shù)據(jù)最全的早期地球古生物地層數(shù)據(jù)庫(kù)

據(jù)悉，該研究通過(guò)建立早期地球化石大數(shù)據(jù)，利用超算和人工智能等分析方法，首次繪制了地球從20億到5億年前，約15億年的高精度生物多樣性演化歷史，揭示了地球上的早期生命是通過(guò)漫長(zhǎng)的演化歷程，經(jīng)歷多次大輻射和大滅絕事件后，最終演化出約5億年前的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。

研究填補(bǔ)了關(guān)于早期地球生物多樣性宏演化的空白，為闡明早期地球生命起源和演化規(guī)律、探索地外生命是否存在以及宜居地球的可持續(xù)發(fā)展提供重要的理論基礎(chǔ)和借鑒。

“生命的演化，究竟是一步步前進(jìn)，展現(xiàn)出一條較為平滑的發(fā)展曲線，還是在環(huán)境突變中曲折跳躍前行？”論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院院士沈樹(shù)忠說(shuō)，對(duì)于早期地球而言，生命演化速率是一個(gè)非常重要而有趣，卻又難以解答的科學(xué)問(wèn)題。

化石是記錄生命演化的最直接證據(jù)。但在5億年以前漫長(zhǎng)的早期地球階段，生命，尤其是發(fā)育有細(xì)胞核的真核生物是什么時(shí)候開(kāi)始出現(xiàn)并留下它的第一個(gè)化石記錄的？作為所有現(xiàn)代高等生物的祖先，早期生命是如何逢兇化吉進(jìn)化出我們現(xiàn)在看到的五彩繽紛的生物世界？這些事關(guān)我們從哪里來(lái)，要到哪里去的重大科學(xué)問(wèn)題由于研究方法的限制，長(zhǎng)期得不到準(zhǔn)確地解答。

針對(duì)以上難解之謎，研究團(tuán)隊(duì)耗時(shí)六年時(shí)間創(chuàng)建了目前全球數(shù)據(jù)最全、信息量最大的早期地球古生物地層數(shù)據(jù)庫(kù)。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地結(jié)合了超算和人工智能等大數(shù)據(jù)分析手段，建立起迄今第一條早期地球高精度生物多樣性曲線。唐卿介紹，目前數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)包含13658個(gè)化石事件、263個(gè)剖面、2731個(gè)化石屬種，185個(gè)同位素絕對(duì)年齡，未來(lái)還會(huì)不斷將新全球發(fā)表的相關(guān)數(shù)據(jù)納入其中。“南大團(tuán)隊(duì)為此開(kāi)發(fā)創(chuàng)建了‘超算+AI’的算法程序，突破了算力和算法瓶頸，才繪制出了這條填補(bǔ)生命演化歷史空白的生物多樣性演化曲線。”

地表溫度、氧氣含量等環(huán)境因素的驟變

對(duì)早期地球復(fù)雜生命系統(tǒng)演化影響巨大

研究結(jié)果表明，隨著第一個(gè)可信的真核生物化石在約17億年前出現(xiàn)后，其多樣性一直保持較低但穩(wěn)定增長(zhǎng)的模式。直到約7.2億年前全球性大冰期的出現(xiàn)打斷了生命演化的原有進(jìn)程。隨著大冰期事件的結(jié)束，地球物種多樣性開(kāi)始迅速增加并且頻繁發(fā)生波動(dòng)，造成多次生物大輻射和大滅絕事件。其中包括約6.35億到5.8億年前的生物大輻射事件，以及緊隨期后發(fā)生的生物演化史上第一次大滅絕事件，導(dǎo)致當(dāng)時(shí)的優(yōu)勢(shì)類型——帶刺的微體生物大量滅絕。在此之后，形態(tài)更為復(fù)雜的宏體生物（包括動(dòng)物）迎來(lái)了快速輻射，但這些復(fù)雜宏體生物在埃迪卡拉紀(jì)末（約5.51億至5.39億年前）又遭遇了兩次明顯地多樣性下降，代表了動(dòng)物演化史上最早的兩次大滅絕事件。

唐卿介紹，本研究首次用大數(shù)據(jù)方法定量化地揭示了早期地球15億年的生命演化歷程，定量勾畫(huà)了復(fù)雜生命的起源、輻射、滅絕、再次輻射至現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)形成的早期歷史過(guò)程。以上數(shù)據(jù)表明雪球地球等極端氣候事件的發(fā)生會(huì)嚴(yán)重阻止地球早期生物圈的演化進(jìn)程，導(dǎo)致生物大滅絕事件出現(xiàn)。而隨著大冰期事件的結(jié)束，地表溫度回暖以及大氣氧含量升高促成了新一輪復(fù)雜生物大輻射事件，進(jìn)一步證實(shí)了生命從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的演化，并不是簡(jiǎn)單線性的，而是呈長(zhǎng)期滯緩與相對(duì)快速輻射交替發(fā)展的模式。

由此可見(jiàn)，地表溫度、氧氣含量等環(huán)境因素的驟變，對(duì)早期地球復(fù)雜生命系統(tǒng)演化影響巨大。沈樹(shù)忠院士認(rèn)為，這進(jìn)一步證實(shí)了生命從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的演化，并不是簡(jiǎn)單線性的，而是呈現(xiàn)出長(zhǎng)期緩滯與相對(duì)快速輻射交替發(fā)展的模式。“我們了解生命的過(guò)去也是為人類預(yù)測(cè)地球未來(lái)的宜居性、探索極端環(huán)境下的地外生命提供重要參考。”

據(jù)悉，多位《Science》審稿人評(píng)價(jià)，該研究終于帶來(lái)了長(zhǎng)期缺失的早期地球高精度生物多樣性演化曲線；該曲線揭示的真核生物大輻射和大滅絕事件將激發(fā)一大波探索早期地球生命與環(huán)境協(xié)同演化的熱潮。此項(xiàng)研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委以及國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃——“深時(shí)數(shù)字地球”（DDE）等項(xiàng)目的支持。

揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞 楊甜子

剪輯 戴哲涵

校對(duì) 盛媛媛