研究：3亿多年前，全球气候变冷但生物多样性却大幅增加

在距今4.9-4.7亿年和3.4-3亿年前，地球发生了两次生物多样性快速增加，而当时的全球气候却在逐渐变冷。历经多年研究，南京大学、中国科学院南京地质古生物所的樊隽轩教授、沈树忠院士团队，借助“天河二号”超级计算机，运用大数据、超算、遗传算法等全新的方法和手段，获得了全新的寒武纪-早三叠世海洋无脊椎动物的复合多样性曲线，将统计时间分辨率从1000万年精细到约2.6万年，较国际同类研究的精度提高了400倍左右，更加准确地重现了地质历史中三次生物大灭绝事件和两次重大生物辐射事件的精细过程。1月17日，该成果在《科学》杂志在线发表。

中国古生代高分辨率海洋生物多样性曲线。金凤摄

17年的计算量2-3天就能完成

生命演化中有三个基本问题，即地球上复杂的生态系统是如何形成的?生命如何从一种形式演化到另一种形式?人类出现之前的地球生物圈是否存在灾变和生物多样性事件?

如今，地球上曾经生活过的生物中99%以上已经灭绝，但只有很少一部分能保存为化石，如何通过不完整的化石记录重建地球历史生物多样性的变化规律是一个重大科学难题。

5亿年前的三叶虫化石。南大供图

“上世纪八九十年代，科级、属级的显生宙生物多样性曲线，已经可以将地层剖面中保存的海洋生物化石所反映的不同时代的信息，精确到800-1000多万年，如果想建立更加精确的时间标尺，看到更小时间段内，地球发生了哪些生命演化，就需要完成大量的化石生物多样性的计算。”南京大学地球科学与工程学院副教授史宇坤介绍，当统计的物种数量上升到1万个时，用传统的计算机需要计算17.3年。

在地球历史中，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。利用古生物数据库重建地质历史全球生物多样性模式，揭示地球生命的演化历史，以及与环境变化之间的关系，可以为了解当前的地球生物多样性危机提供重要启示。

团队研究人员表明，前人使用的低分辨率且不均一的时间标尺，难以准确重现生命演化的精细过程，会直接影响对古生物多样性的估算，导致无法准确评估生物多样性的变化速率和模式，并可能掩盖突发性的重大事件以及短时间的剧烈波动。

为了建立约5.4亿年-2.4亿年前、寒武纪至三叠纪早期海洋生物多样性曲线，南京大学教授樊隽轩等收集了大量的地层剖面和化石记录，从中遴选了3112个地层剖面、11268个海洋化石物种的26万个化石数据。

如何让这些海量数据精确、迅速地分析地球生命演化信息?史宇坤介绍，研究团队结合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。他们利用“天河二号”超级计算机，经过反复计算和验证，将17年才能完成的计算提高到2-3天就能完成，并最终获得了全新的寒武纪-早三叠世海洋无脊椎动物的复合多样性曲线，将生物多样性的分辨率从1000多万年精细到2.6万年，精度提高了400倍左右。

“以往有关化石生物多样性的统计分析的数据很粗，每个时间段大约跨越1000万年，但我们通过大数据、超算、定量化技术，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，这对于当今生物多样性如何受环境和气候的影响，提供了重要的启示。”中国科学院院士、南京大学教授沈树忠说。