當(dāng)今世界處于冰室氣候狀態(tài)，氣候總體偏冷，南北兩極常年冰封。在恐龍時(shí)代直至3400萬年前，地球處于溫室氣候狀態(tài)，整體氣候更為溫暖。大約3400萬年前，地球經(jīng)歷了一次全球范圍的降溫事件，南極大陸形成大規(guī)模冰蓋，全球從相對溫暖的“溫室狀態(tài)”轉(zhuǎn)為較冷的“冰室狀態(tài)”。這場持續(xù)了數(shù)千萬年的氣候變化，深刻改寫了海洋生命的命運(yùn)。
近日，南京大學(xué)樊雋軒、錢超、史宇坤教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)，通過全球海洋有孔蟲化石記錄，首次高分辨率重建了這一時(shí)期海洋生物多樣性的變化歷程。研究發(fā)現(xiàn)，海洋生命對這場氣候劇變的響應(yīng)，遠(yuǎn)比我們想象的更復(fù)雜。
“明星化石”有孔蟲藏著古海洋的秘密
研究的主角是一類叫有孔蟲的微體海洋生物（圖1），個(gè)體微小，卻是古海洋學(xué)界的“明星化石”——分布廣、演化快、殼體易保存為化石，是科學(xué)家追蹤古氣候和海洋生態(tài)變化的絕佳“記錄員”。當(dāng)時(shí)的有孔蟲可分為三類生態(tài)習(xí)性各異的類群：浮游有孔蟲生活在海水表層，大底棲有孔蟲主要生活在淺海溫暖的海底，小底棲有孔蟲則分布范圍較廣，從淺海到相對較深的海底均有分布。
圖1. 掃描電子顯微鏡下的有孔蟲化石圖像（由論文作者之一Bridget Wade教授拍攝）研究團(tuán)隊(duì)利用自研的地層古生物大數(shù)據(jù)平臺——OneStratigraphy，系統(tǒng)整合了全球161條地層剖面和鉆井的化石數(shù)據(jù)，經(jīng)過嚴(yán)格篩選，最終獲得1269個(gè)有孔蟲物種、約4萬條化石產(chǎn)出記錄。
人工智能看透海洋生命“一舉一動(dòng)”
為了從海量數(shù)據(jù)中還原出真實(shí)的演化歷程，古生物學(xué)家和人工智能專家聯(lián)手，創(chuàng)新性地開發(fā)了受人工智能啟發(fā)的新一代定量地層學(xué)算法——基于演化算法的約束最優(yōu)化法（Constrained Optimisation-Evolutionary Algorithm，CONOP.EA）。該算法的思路很有意思：把每個(gè)可能的全球地層對比方案模擬成一段“DNA”，然后讓這些“DNA”像生物一樣經(jīng)歷變異、重組和自然選擇。每一代“DNA”中，更優(yōu)的方案被保留，較差的被淘汰。經(jīng)過無數(shù)次的迭代，最終篩選出最合理、最一致的地層對比結(jié)果（圖2）。
圖2. CONOP.EA算法：像生物進(jìn)化一樣“優(yōu)勝劣汰”，找出最優(yōu)解借助這一方法，研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建出一條自4800萬年前至2000萬年前、具有高時(shí)間分辨率的全球有孔蟲多樣性曲線。這也是科學(xué)家第一次能以如此精細(xì)的尺度看清這場氣候轉(zhuǎn)折期海洋生命的“一舉一動(dòng)”。
研究得出結(jié)論：不是“集體滅絕”，而是“各奔前程”。高分辨率數(shù)據(jù)帶來了全新的科學(xué)認(rèn)識。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，始新世—漸新世過渡期的海洋生態(tài)變化是一場長時(shí)間的、不同類群命運(yùn)各異的生態(tài)重組。其中，浮游有孔蟲和大底棲有孔蟲由于生活在相對淺水的環(huán)境中，更容易受到海表面溫度和海平面變化的影響，并在南極冰蓋大規(guī)模形成之際遭遇明顯的物種滅絕；而小底棲有孔蟲則在晚始新世早期經(jīng)歷了一輪顯著輻射，物種快速增加，之后才進(jìn)入漫長的衰退期，它們的變化更多地反映了深海環(huán)境和碳循環(huán)的波動(dòng)。換句話說，同樣一場全球降溫，不同“住戶”的命運(yùn)卻截然不同。
揭秘塵封3400萬年的海洋故事
這項(xiàng)研究的意義，不只在于還原了3400萬年前氣候快速變化下的海洋故事——更重要的是，它為今天理解生物多樣性如何響應(yīng)全球變化提供了來自“深時(shí)地球”的重要參照。
研究表明，當(dāng)?shù)厍蛳到y(tǒng)被重新塑造時(shí)，生物多樣性的變化往往不是同步發(fā)生的，而可能表現(xiàn)出明顯的階段性、差異性和滯后性，這與不同生物類群各自的生活環(huán)境密切相關(guān)。幾千萬年前的海洋變化并不是一段遙遠(yuǎn)而陌生的歷史，它像一面來自“深時(shí)地球”的鏡子，提醒我們：當(dāng)?shù)厍蛳到y(tǒng)被重新塑造時(shí)，生命的命運(yùn)不會簡單重演，而會以復(fù)雜而分化的方式展開。今天，我們正面臨又一次全球變化的挑戰(zhàn)，雖然這次不是變冷而是變暖，但化石記錄中保存的這些遠(yuǎn)古生命興衰，也許能幫助我們更清楚地預(yù)見未來。