2024-08-06
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Ob im Osten oder im Westen, „Wahrsagerei“ klingt wie eine abergläubische und mysteriöse Sache, aber wenn dieses Wort in der Welt der Wissenschaftler auftaucht, wird seine Bedeutung „durch induktive Analyse bekannter Informationen, Spekulationen über die Entwicklung von Lebensformen“. ” Wissenschaftler können „Wahrsagen“ und wissenschaftliche Schlussfolgerungen ziehen – bei verschiedenen Tieren kann ihr unterschiedliches Aussehen tatsächlich ihr Schicksal im Falle des Aussterbens beeinflussen.
Im Juni 2024 leitete Song Haijun, Professor an der School of Earth Sciences der China University of Geosciences (Wuhan), ein Team, um eine Studie zum Thema „Wahrsagerei“ für Fossilien durchzuführen.
Sie nutzten Deep-Learning-Technologie und Automatisierungsmethoden, die wir KI nennen, um die Entwicklung biologischer Formen während des größten Aussterbens der Geschichte – dem Perm-Trias-Aussterben – zu untersuchen und enthüllten, wie bei diesem „weltzerstörenden“ Massenaussterben wie das unterschiedliche „Aussehen“ der Meeresbewohner ihr Schicksal bestimmt.
Wer würde ein Massensterben eher überleben: die Riesendinosaurier oder die winzigen Säugetiere des Mesozoikums? Die Frage mag einfach sein, aber wäre die Schlussfolgerung auch für andere Organismen oder für andere Massenaussterben gültig?
(Bildquelle: Wikipedia)
In der Geschichte der Erde gab es fünf Massenaussterben, von denen das berühmteste der Asteroideneinschlag auf der Erde am Ende der Kreidezeit sein dürfte. Er war wahrscheinlich die Ursache für das Aussterben aller Großen und Mächtigen Dinosaurier zu dieser Zeit. Niedrige Säugetiere überlebten und eine Art entwickelte sich schließlich zu uns Menschen.
Tatsächlich zeigt diese Tatsache, dass beim Aussterben am Ende der Kreidezeit das Aussterben oder Nichtaussterben eng mit dem „Aussehen“, also der Form des Tieres, zusammenhing – Tiere, die größer wurden, brauchten mehr Nahrung und waren wahrscheinlicher während des Aussterbens verhungern.
Beim schwersten Massenaussterben in der Geschichte, dem Massenaussterben im Endperm vor etwa 252 Millionen Jahren, ist der Zusammenhang zwischen Tiermorphologie und Aussterben jedoch weniger klar. Dieses Massensterben wird als „Mutter aller Massensterben“ bezeichnet und führte zum Verschwinden von bis zu 96 % der Meeresbewohner, darunter die berühmten Trilobiten und Pfeilschwanzkrebse.
Das Massensterben am Ende des Perm war das schwerste Massensterben in der Geschichte, und die berühmten Trilobiten verschwanden bei diesem Aussterben.
(Bildquelle: Wikipedia)
Dieses Aussterbeereignis dauerte lange und erfolgte in zwei Phasen, einer allmählichen Phase, die etwa Millionen von Jahren dauerte, und einer Höhepunktphase in den letzten 1 Million Jahren. Einige Tiere sterben in der allmählichen Phase aus, während viele weitere in der Spitzenphase aussterben, wie zum Beispiel das Massensterben kleiner Krebstiere und Ostrakoda (Ostracoda) und das Massensterben großer, stationärer, filterfressender Brachiopoden (Brachiopoda). Der Unterschied beträgt 720.000 bis 1,22 Millionen Jahre.
Da die Ursachen und Zeitpunkte des Aussterbens verschiedener Tierarten uneinheitlich sind und viele Menschen ausgestorben sind, sind fast alle Tiere, unabhängig von ihrer Form, ausgestorben. Nur eine kleine Anzahl von Arten hat diese Krise erfolgreich überstanden Der Zusammenhang zwischen Form und Aussterben kann nicht einfach abgeleitet werden. Daher hatten Wissenschaftler in früheren Studien keine eindeutige Antwort darauf, ob dieses Aussterbeereignis selektiv für die Tiermorphologie war.
Neben der Komplexität des Aussterbeereignisses selbst schränken auch technische Einschränkungen die wissenschaftliche Forschung zum Aussterben am Ende des Perms ein.
In der Vergangenheit mussten Wissenschaftler zur Untersuchung der Beziehung zwischen Aussterben und Morphologie die Morphologie der Fossilien manuell analysieren. Sie mussten jedes Fossil oder Fossilbild vergleichen, um die paläontologischen Lebewesen mit der gleichen Form vor dem Aussterben und nach dem Aussterben zu vergleichen spitze, stachelige, glatte, dünne und flache Schalen, breite und runde Schalen) werden jeweils klassifiziert und beobachtet, ob sich der Anteil der Tiere mit gleicher Form vor und nach dem Aussterben ändert.
Die durch eine solche „traditionelle Forschung“ erzielten Ergebnisse werden stark von den von den Wissenschaftlern ausgewählten Forschungsobjekten und den angewandten Forschungsmethoden beeinflusst.
Beispielsweise haben Studien mit traditionellen morphologischen Beschreibungsmethoden gezeigt, dass morphologische Unterschiede bei Ammonoiden (einem entfernten Verwandten des Nautilus) während des Aussterbens kaum verringert wurden, was darauf hindeutet, dass das Aussterben im Gegensatz dazu bei Verwendung anderer Forschungsmethoden, z. Eine umfassende diskrete Merkmalsanalyse (umfassende Analyse basierend auf dem maximalen und minimalen Bereich morphologischer Veränderungen, der Summe der Datenvarianzen und dem Median der Daten) zeigt, dass die morphologische Vielfalt der Ammoniten während des Aussterbeereignisses erheblich verringert wurde, was die morphologische Auswahl von Ammoniten unterstützt das Aussterbeereignis.
Um genauere Schlussfolgerungen ziehen zu können, ist eine ausreichend große Stichprobengröße und die Verwendung genauerer Analysemethoden erforderlich. Bei dieser Art der Big-Data-Analyse hat die aufkommende KI-Technologie zweifellos großes Potenzial.
Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelte das Team von Professor Song Haijun einen Analyseprozess namens DeepMorph, der Deep-Learning-Technologie zum Extrahieren von Merkmalen aus Bildern mit geometrischen morphometrischen Methoden kombiniert, um die Umrisse von Fossilienexemplaren automatisch zu analysieren und Fossilien effektiv zu erfassen und zu vereinfachen eine zweidimensionale ebene Figur, wodurch verschiedene morphologische Typen klar unterschieden werden und dieser Vorgang dann durch mehrere Stichproben wiederholt wird.
Zu diesem Zweck hat das Team von Professor Song Haijun eine umfassende Datenbank zusammengestellt, die Bilder von Fossilien von sechs weithin dokumentierten marinen paläontologischen Organismen während des Massenaussterbens am Ende des Perms enthält, darunter die Ammonoide, die nahen Verwandten der Nautilus, die Doppelschalen hatten. , filterfressende Brachiopoden, Ostrakoden mit zwei von Panzern umwickelten „Garnelenknödeln“, Muscheln (Muscheln) und Schnecken sowie Wirbeltier-Conodonten mit scharfen Zähnen.
Diese Datenbank umfasst 599 Gattungen, die durch 656 Bilder vor und nach dem Aussterben dargestellt werden, und reicht vom Changxing-Stadium des späten Perms bis zum indischen Stadium der frühen Trias, von vor 254,14 Millionen Jahren bis vor 250,7 Millionen Jahren, und bietet starke Big-Data-Unterstützung für Deep Learning der KI.
a: Das Funktionsprinzip von DeepMorph. Aus Veröffentlichungen gesammelte Musterbilder werden durch U2-Net-Modellsegmentierung in ein Binärformat konvertiert, anschließend werden Fossilienumrisse und morphologische Merkmale extrahiert und in die Datenbank aufgenommen. b: Konvertieren Sie die Morphologie in multivariate Normalverteilungsdaten. c: Verwenden Sie multivariate Normalverteilungsdaten, um eine selektive Extinktionssimulation durchzuführen und schließlich das Extinktionsmusterdiagramm des selektiven Musters zu generieren.
(Bildquelle: Referenz 1)
Die Datenanalyse von DeepMorph ähnelt der diskreten Merkmalsanalyse (SOR). Alle von den Daten eingenommenen Bereiche werden durch die speziellste Form bestimmt. Die glatteste Schale ist beispielsweise 0 und die raueste Der Bereich liegt zwischen 0 und 10), der Varianzsummenanalyse (SOV, die Summe der Varianzen aller Daten und dem Mittelwert, die die Diversität der Daten angibt) und der Schwerpunktpositionsanalyse (POC, der Median der Daten). Die Selektivität von Aussterbeereignissen anhand der Morphologie ableiten.
Untersuchungen haben ergeben, dass der Zusammenhang zwischen „Aussehen“ und Schicksal bei verschiedenen Tiergruppen nicht gleich ist. Während des Massenaussterbens waren die am stärksten ausgestorbenen Arten in den meisten Stämmen große Tiere mit komplexen oder starken Panzerdekorationen (wie Stacheln, Rippen und Tumoren), während Conodonten keine Anzeichen eines morphologischen selektiven Aussterbens zeigten.
Vor und nach dem Aussterben starben Ammoniten hauptsächlich aufgrund der komplexen und äußerst dekorativen Strukturen auf ihren Schalen aus. Dies spiegelt sich in den Daten wider, wobei auf einer Seite des Mittelpunkts mehr Aussterben stattfand, was als asymmetrische selektive Auslöschung bezeichnet wird.
Ceratitida und Prolecanitida, deren Schalen flach, glatt und weniger dekorativ sind, überlebten das Massenaussterben und entwickelten sich schnell zu vielen neuen Arten, aber die Formen der neuen Arten behielten im Allgemeinen auch ihr glattes Aussehen, was darauf hindeutet, dass zwischen ihnen ein starker Zusammenhang besteht das Auftreten von Ammoniten und ob sie aussterben.
Das morphologische Verbreitungsgebiet (Summe der Verbreitungsgebiete) verschiedener Tiere im Changxing-Stadium des späten Perm (orange), der Übergangsschicht (grau) und im indischen Stadium der frühen Trias (blau). Chrysanthemen sind (a), Brachiopoden sind (b), Ostrakoden sind (d), Muscheln sind (e), und Conodonten sind (f). Verschiedene Arten des Aussterbens sind zu sehen.
(Bildquelle: Referenz 1)
Alle Daten zu Brachiopoden sind erheblich zurückgegangen, und der Artenreichtum der Gattung ist um 96,65 % gesunken, was darauf hindeutet, dass die meisten Brachiopoden in diesem Zeitraum ausgestorben sind. Sie waren vor allem deshalb stark betroffen, weil ihre dicken Schalen große Mengen an Kalziumkarbonat benötigen und die Versauerung der Ozeane die Bildung von Kalziumschalen stark behinderte. Infolgedessen starben fast alle Arten mit komplexen, dicken und verzierten Schalen aus.
Die meisten ihrer Überlebenden und Neuankömmlinge stammen aus der einfacheren Morphologie der Spiriferiden und der kleinmauligen Schalentiere Rhynchonelliden. Diese Tiere sind kleiner, haben vereinfachte Muster und haben durchscheinende Schalen, die den Verbrauch von Kalzium reduzieren, während Ostrakoden die Hauptgruppen sind Bei den ausgestorbenen Insekten handelte es sich um spezialisierte Gruppen mit den dünnsten und dicksten Schalen.
Diese beiden Taxa zeigten ein marginales selektives Aussterben, das die spezialisiertesten Taxa wie einen Schuss in den Kopf vernichtete. Verglichen mit den vielfältigeren Formen des Perms behielten die Brachiopoden und Ostrakoden der Trias eine ungefähr durchschnittliche Form bei, wobei die häufigsten Exemplare überlebten.
Der noch vorhandene Schwarzschalenkrebs Terebratalia transversa hat eine dünne, durchscheinende Schale.
(Bildquelle: Wikipedia)
Die vorhandenen Ostrakoden ähneln einer Garnele, die in einen zweiblättrigen Panzer gehüllt ist. Ihre zahlreichen Panzer sind wichtige Fossilien in den Schichten.
(Bildquelle: Canada's Polar Life)
Das Aussterben der Schnecken und Muscheln, also der uns bekannten Gruppen Schnecken und Muscheln, hat keinen eindeutigen Zusammenhang mit der Morphologie.
Jeder, der Schnecken und Muscheln gezüchtet oder beobachtet hat, wird ihre Fähigkeit zu schätzen wissen, unter Bedingungen wie Trübung, Überhitzung oder Sauerstoffmangel zu überleben. Sie können auch lange überleben, wenn sie darauf angewiesen sind Ihre eigenen Reserven und die an den Beckenwänden wachsenden Algen, was einer der Gründe dafür ist, dass sie frühere Massenaussterben überleben konnten. Alle wichtigen morphologischen Arten von ihnen haben überlebt, und das Aussterben hat fast nichts mit ihrer Morphologie zu tun, es ist nur eine Frage von Glück oder Unglück.
Das Fossil der ordovizischen Fairview-Formation Ambonychia ulrichi aus Warren County, Ohio, vor etwa 400 Millionen Jahren, gehört zur Unterklasse der Pterozoa und weist Ähnlichkeiten mit modernen Jakobsmuscheln auf.
(Bildquelle: Sketchfab)
Auch die Schneckenfossilien des Paläozoikums sind den heutigen Schnecken sehr ähnlich.
(Bildquelle: Referenz 2)
Der Morphoraum eines anderen Taxons, der Conodonten, wurde durch das Aussterben nicht wesentlich beeinträchtigt.
Im Gegensatz zu anderen Kladen nahm die morphologische Vielfalt der Conodonten während des Massenaussterbens kaum ab. Im Gegenteil, nach dem ersten Aussterben nahm ihr morphologischer Raum zu, anstatt sich zu verringern, was darauf hindeutet, dass sie während des Prosperity-Ereignisses noch zu Hause waren Es gibt eine Vielzahl neuer Formen, und die Fische ähneln sich, was möglicherweise mit der Verringerung der Zahl ihrer Konkurrenten (wie Ammoniten, Nautilus usw., die ebenfalls fleischfressend sind) zusammenhängt.
Morphologische Veränderungen bei Ausgestorbenen, Überlebenden und Neuankömmlingen von sechs Gruppen während des Massenaussterbens im Perm und in der Trias. Gelb steht für Neuankömmlinge, Rot für Kammerjäger und Grün für Überlebende.
(Bildquelle: Referenz 1)
Vier verschiedene selektive Aussterbemodi, wobei rote Linien Aussterbeereignisse darstellen. a, horizontales selektives Aussterben, wie z. B. Ammoniten; b, randselektives Aussterben, einschließlich Brachiopoden und Ostrakoden; d, Conodonten sind vernachlässigbare Form, die ausstirbt.
(Bildquelle: Referenz 1)
In der Geschichte ereigneten sich die fünf Massenaussterben aus unterschiedlichen Gründen, wie Vulkanausbrüchen, Klimawandel, Auswirkungen auf den Planeten usw. Jedes Aussterben hatte unterschiedliche Auswirkungen auf die Umwelt und auch die Lebewesen, die davon betroffen waren, waren unterschiedlich.
Beispielsweise haben Ammoniten viele Massenaussterben überlebt, indem sie sich auf ihre Fähigkeit verlassen haben, Hypoxie zu widerstehen, aber während der starken Versauerung der Ozeane am Ende der Kreidezeit starben sie schließlich aus, weil ihre Kalkschalen nicht gebildet werden konnten das Aussterben, überlebte jedoch das weniger schwerwiegende Massenaussterben am Ende der Trias nicht.
Rekonstruktion des Conodonten Ozarkodina ist ein kieferloses Wirbeltier, das wie ein kleiner Fisch aussieht. Die zahnähnliche Struktur in ihrem Maul ist versteinert und wird als Dornzahn bezeichnet. Sie überlebten das Massenaussterben am Ende des Perms, wurden jedoch bei einem kleineren Aussterben am Ende der Trias ausgelöscht.
(Bildquelle: Vom Autor gezeichnet)
In der heutigen Zeit haben die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Erde viele Umweltprobleme verursacht, wie beispielsweise extrem hohe Temperaturen, saurer Regen, Zerstörung von Wäldern und Lebensräumen, biologische Invasionen und Umweltverschmutzung, was zu einer neuen Welle des Aussterbens führte.
Seit der Entstehung der menschlichen Zivilisation sind 83 % der Wildtiere ausgestorben. Die Rate des Artensterbens wird auf das Hundertfache der durchschnittlichen Aussterberate vor der Entstehung des Menschen geschätzt. Welche Arten, Taxa und Ökosysteme sind aufgrund des menschlichen Einflusses auf die Umwelt eher vom Aussterben bedroht?
Professor Song Haijun sagte, dass wir durch die Analyse von Veränderungen der morphologischen Vielfalt in Fossilienbeständen aktuelle Bedrohungen der biologischen Vielfalt besser vorhersagen und darauf reagieren können. Beispielsweise können Taxa mit großer geografischer Verbreitung (z. B. Vögel) eine versehentliche Lebensraumzerstörung überleben, sind jedoch nicht in der Lage, einer gleichzeitigen globalen Umweltveränderung standzuhalten, während einige Taxa mit starker Überlebensfähigkeit, aber enger Verbreitung (z. B. Höhlenfische und Schnecken) mögen resistent gegen Umweltveränderungen sein, aber sobald ihr Lebensraum zerstört wird, sterben sie.
Am 9. Januar 2019 verstarb die letzte bekannte Achatschnecke der Welt, Achatinella apexfulva „George“, im Alter von 14 Jahren. Diese nur auf Hawaii vorkommenden Schnecken kamen in der Vergangenheit häufig vor, sind jedoch aufgrund der Invasion durch Raubtiere gefährdet oder ausgestorben.
(Bildquelle: Wikipedia)
Durch die Untersuchung vergangener ausgestorbener Organismen können wir aus der Geschichte lernen, den Aussterbemechanismus aufdecken und das Aussterberisiko biologischer Arten vorhersagen, Gruppen mit schlechter Überlebensfähigkeit in der aktuellen Umwelt finden und sie zusätzlich schützen, indem wir die KI-Technologie einsetzen – DeepMorph Auch automatisierte Methoden zur Analyse paläontologischer Fossilien können als Ausgangspunkt dienen und weitere Ideen und Möglichkeiten für zukünftige Schnittstellenforschung zwischen Deep Learning und Geobiologie liefern.
Verweise:
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Produziert von: Popular Science China
Autor: Gu Mingdi Lian (Schöpfer der Populärwissenschaft)
Produzent: China Popular Science Expo
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