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Que ce soit en Orient ou en Occident, la « voyance » semble être une chose superstitieuse et mystérieuse, mais lorsque ce mot apparaît dans le monde des scientifiques, son sens devient « grâce à l'analyse inductive d'informations connues, en spéculant sur l'évolution des formes de vie ». » Les scientifiques peuvent « deviner la bonne aventure » et tirer des conclusions scientifiques : pour différents animaux, leurs différentes apparences peuvent en effet affecter leur sort en cas d'extinction.

En juin 2024, Song Haijun, professeur à l'École des sciences de la Terre de l'Université chinoise des géosciences (Wuhan), a dirigé une équipe chargée de mener une étude sur la « bonne aventure » pour les fossiles.

Ils ont utilisé une technologie d'apprentissage profond et des méthodes automatisées, ce que nous appelons l'IA, pour étudier l'évolution des formes biologiques au cours du plus grand événement d'extinction de l'histoire - l'événement d'extinction du Permien-Trias, révélant comment dans cette extinction de masse « destructrice du monde », Comment les différentes « apparences » des créatures marines ont-elles déterminé leur destin ?

Qu’est-ce qui aurait le plus de chances de survivre à une extinction massive : les dinosaures géants ou les minuscules mammifères du Mésozoïque ? La question est peut-être simple, mais la conclusion serait-elle la même pour d’autres organismes, ou pour d’autres extinctions massives ?

(Source de l'image : Wikipédia)

La survie ou la destruction ont-elles quelque chose à voir avec « l'apparence » ?

Dans l'histoire de la Terre, il y a eu cinq événements d'extinction massive, dont le plus célèbre est peut-être l'impact d'un astéroïde sur la Terre à la fin du Crétacé. C'est probablement la raison pour laquelle tous les dinosaures grands et puissants ont été présents. le temps était éteint. Les petits mammifères ont survécu et une espèce a finalement évolué pour devenir nous, les humains.

En fait, ce fait montre que lors de l'extinction à la fin du Crétacé, l'extinction ou non était étroitement liée à "l'apparence", c'est-à-dire à la forme de l'animal - les animaux qui grandissaient avaient besoin de plus de nourriture et étaient plus susceptibles mourir de faim pendant l'extinction.

Cependant, pour l’extinction massive la plus grave de l’histoire, celle de la fin du Permien survenue il y a environ 252 millions d’années, la corrélation entre la morphologie animale et l’extinction est moins claire. Cette extinction massive est connue comme la « mère des extinctions massives », entraînant la disparition de jusqu'à 96 % des créatures marines, dont les fameux trilobites et limules.

L’extinction massive de la fin du Permien a été l’extinction massive la plus grave de l’histoire, et les célèbres trilobites ont disparu lors de cette extinction.

(Source de l'image : Wikipédia)

Cet événement d'extinction a duré longtemps et s'est produit en deux phases, une phase progressive durant environ des millions d'années et une période de pointe au cours du dernier million d'années. Certains animaux ont disparu au cours de la phase progressive, tandis que beaucoup d'autres ont disparu au cours de la phase maximale, comme l'extinction massive des petits crustacés et des ostracodes (Ostracoda), et l'extinction massive des grands brachiopodes filtreurs stationnaires (Brachiopoda), successivement. La différence est de 720 000 à 1,22 million d'années.

Étant donné que les causes et les périodes d'extinction des différents types d'animaux sont incohérentes et que de nombreuses personnes ont disparu, presque tous les animaux, quelle que soit leur forme, ont disparu. Seul un petit nombre d'espèces ont survécu avec succès à cette crise, et le nombre d'espèces a disparu. la corrélation entre la forme et l’extinction ne peut être simplement déduite. Par conséquent, dans des études antérieures, les scientifiques n’ont pas eu de réponse définitive quant à savoir si cet événement d’extinction était sélectif pour la morphologie animale.

Comment l’IA « prédit-elle l’avenir » ?

Outre la complexité de l'extinction elle-même, les limitations techniques limitent également les recherches scientifiques sur l'extinction de la fin du Permien.

Dans le passé, pour étudier la relation entre l'extinction et la morphologie, les scientifiques devaient analyser manuellement la morphologie des fossiles. Ils devaient comparer chaque fossile ou image fossile pour comparer les créatures paléontologiques ayant la même forme avant et après l'extinction (comme les épineux, les morphologies). pointu, etc.) Les coquilles épineuses, lisses, fines et plates, les coquilles larges et rondes) sont classées séparément et observent si la proportion d'animaux ayant la même forme change avant et après l'événement d'extinction.

Les résultats obtenus par une telle « recherche traditionnelle » dépendent grandement des objets de recherche sélectionnés par les scientifiques et des méthodes de recherche adoptées.

Par exemple, des études utilisant des méthodes de description morphologique traditionnelles ont montré que les différences morphologiques chez les ammonoïdes (un parent éloigné du nautile) étaient peu réduites lors de l'extinction, ce qui suggère que l'extinction n'était pas morphologiquement sélective, à l'inverse, en utilisant d'autres méthodes de recherche, par ex. Grâce à une analyse complète des caractéristiques discrètes (analyse complète basée sur la plage maximale et minimale des changements morphologiques, la somme des variances des données et la médiane des données), il montre que la diversité morphologique des ammonites a été considérablement réduite au cours de l'événement d'extinction, confirmant ainsi l'hypothèse. sélection morphologique de l'événement d'extinction.

Pour tirer des conclusions plus précises, il est nécessaire de disposer d’un échantillon suffisamment grand et d’utiliser des méthodes d’analyse plus précises. Dans ce type d’analyse du Big Data, la technologie naissante de l’IA présente sans aucun doute un grand potentiel.

Afin d'atteindre cet objectif, l'équipe du professeur Song Haijun a développé un processus d'analyse appelé DeepMorph, qui combine une technologie d'apprentissage profond pour extraire les caractéristiques des images avec des méthodes morphométriques géométriques pour analyser automatiquement les contours des spécimens fossiles et capturer efficacement la morphologie des fossiles, en la simplifiant. une figure plane bidimensionnelle, distinguant ainsi clairement différents types morphologiques, puis répétant ce processus à travers de multiples échantillonnages.

À cette fin, l’équipe du professeur Song Haijun a compilé une base de données complète contenant des images de spécimens fossiles de six organismes paléontologiques marins largement enregistrés lors de l’extinction massive de la fin du Permien, y compris les ammonoïdes, les proches parents du nautile, qui avaient une double coquille. , des brachiopodes filtreurs, des ostracodes avec deux « boulettes de crevettes » enveloppées dans une carapace, des bivalves (palourdes) et des gastéropodes (escargots) et des conodontes vertébrés aux dents pointues.

Cette base de données comprend 599 genres représentés par 656 images avant et après l'extinction, s'étendant du stade Changxing du Permien supérieur au stade indien du Trias inférieur, d'il y a 254,14 millions d'années à 250,7 millions d'années, fournissant un solide support de données massives pour L'apprentissage profond de l'IA.

a : Le principe de fonctionnement de DeepMorph. Les images de spécimens de type collectées à partir de publications sont converties au format binaire via la segmentation du modèle U2-Net, puis les contours des fossiles et les caractéristiques morphologiques sont extraits et inclus dans la base de données. b : Convertir la morphologie en données de distribution normale multivariée ; c : Utiliser les données de distribution normale multivariée pour effectuer une simulation d'extinction sélective, et enfin générer le diagramme de modèle d'extinction du modèle sélectif.

(Source de l'image : référence 1)

La relation entre « apparence » et destin est-elle la même pour les animaux de différents groupes ?

L'analyse des données par DeepMorph est similaire à l'analyse des caractéristiques discrètes. La somme des plages (SOR), toutes les plages occupées par les données, sont déterminées par la forme la plus spéciale, par exemple, la coque la plus lisse est 0, la plus rugueuse est 10 ; la plage est de 0 à 10), l'analyse de la somme de la variance (SOV, la somme des variances de chaque donnée et de la moyenne, indiquant la diversité des données) et de la position du centroïde (POC, la médiane des données) comme moyen de déduire la sélectivité des événements d'extinction sur la morphologie.

Des recherches ont montré que la relation entre « l'apparence » et le destin n'est pas la même pour différents groupes d'animaux. Au cours de l'extinction massive, les espèces les plus éteintes dans la plupart des phylums étaient de grands animaux avec des décorations de coquille complexes ou fortes (telles que des épines, des côtes et des tumeurs), tandis que les conodontes ne présentaient aucun signe d'extinction sélective morphologique.

Avant et après l'extinction, les ammonites ont disparu principalement en raison des structures complexes et hautement décoratives de leurs coquilles. Cela se reflète dans les données, avec davantage d'extinctions se produisant d'un côté du point médian, ce que l'on appelle extinction sélective asymétrique.

Ceratitida et Prolecanitida, dont les coquilles sont plates, lisses et moins décoratives, ont survécu à l'extinction massive et ont rapidement évolué vers de nombreux nouveaux types, mais les formes des nouveaux types ont également généralement conservé leur apparence lisse, ce qui indique qu'il existe une forte corrélation entre les deux. l'apparition des ammonites et si elles disparaissent.

L'aire de répartition morphologique (somme des aires de répartition) de divers animaux du stade Changxing du Permien supérieur (orange), de la couche de transition (gris) et du stade indien du Trias inférieur (bleu). Les chrysanthèmes sont (a), les brachiopodes sont (b), les ostracodes sont (c), les bivalves sont (d), les gastéropodes sont (e) et les conodontes sont (f). Différentes extinctions peuvent être vues dans le modèle.

(Source de l'image : référence 1)

Toutes les données sur les brachiopodes ont chuté de manière significative et la richesse du genre a chuté de 96,65 %, ce qui indique que la plupart des brachiopodes ont disparu au cours de cette période. Ils ont été gravement touchés, principalement parce que leurs coquilles épaisses nécessitent de grandes quantités de carbonate de calcium et que l’acidification des océans a gravement entravé la formation de coquilles de calcium. En conséquence, les espèces à coquilles complexes, épaisses et décorées ont presque toutes disparu.

La plupart de leurs survivants et nouveaux arrivants proviennent de la morphologie plus simple du Spiriferidé et du coquillage à petite bouche Rhynchonellidé. Ces animaux sont de plus petite taille, ont des motifs simplifiés et ont des coquilles translucides qui réduisent l'utilisation de calcium, tandis que les ostracodes constituent les principaux groupes de. les insectes qui ont disparu étaient des groupes spécialisés dotés des coquilles les plus fines et les plus épaisses.

Ces deux taxons ont montré une extinction sélective marginale, qui a éliminé les taxons les plus spécialisés comme un coup de feu dans la tête. Comparés aux formes plus diverses du Permien, les brachiopodes et les ostracodes du Trias ont conservé une forme à peu près moyenne, les plus courants ayant survécu.

Le coquillage à petite bouche existant Terebratalia transversa a une fine coquille translucide.

(Source de l'image : Wikipédia)

Les ostracodes existants ressemblent à une crevette enveloppée dans une carapace à deux pétales. Leurs nombreuses carapaces constituent des fossiles importants dans les strates.

(Source de l'image : La vie polaire du Canada)

L'extinction des gastéropodes et des bivalves, les groupes que nous connaissons, les escargots et les bivalves, n'a pas de rapport précis avec la morphologie.

Tous ceux qui ont élevé ou observé des escargots et des palourdes doivent être impressionnés par leur capacité à survivre dans des conditions telles que la turbidité, la surchauffe ou le manque d'oxygène, même en l'absence de nourriture. Ils peuvent également vivre longtemps en s'appuyant sur leurs propres réserves ; et les algues qui poussent sur les parois des réservoirs, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles elles ont pu survivre aux précédentes extinctions massives. Tous les principaux types morphologiques d'entre eux ont survécu, et leur extinction n'a presque rien à voir avec leur morphologie, c'est juste une question de chance ou de malheur.

Le fossile d'Ambonychia ulrichi de la Formation Ordovicienne Fairview du comté de Warren, Ohio, il y a environ 400 millions d'années, appartient à la sous-classe des Ptérozoïdes et présente des similitudes avec les pétoncles modernes.

(Source de l'image : sketchfab)

Les fossiles de gastéropodes (escargots) de l’ère paléozoïque ressemblent également beaucoup aux escargots d’aujourd’hui.

(Source de l'image : référence 2)

Le morphospace d’un autre taxon, les conodontes, n’a pas été affecté de manière significative par l’extinction.

Contrairement à d’autres clades, la diversité morphologique des conodontes a très peu diminué lors de l’extinction massive. Au contraire, après la première impulsion d’extinction, leur espace morphologique a augmenté au lieu de diminuer, indiquant qu’ils étaient toujours chez eux pendant l’extinction, en train d’explorer. une variété de formes nouvelles et les poissons sont similaires, ce qui peut être lié à la diminution du nombre de leurs concurrents (comme les ammonites, les nautiles, etc., qui sont également carnivores).

Changements morphologiques chez les disparus, les survivants et les nouveaux arrivants de six clades au cours de l'extinction massive du Permien-Trias. Le jaune représente les nouveaux arrivants, le rouge les exterminateurs et le vert les survivants.

(Source de l'image : référence 1)

Quatre modes d'extinction sélectifs différents, avec des lignes rouges représentant les événements d'extinction. a, extinction sélective horizontale, comme les ammonites ; b, extinction sélective en bordure, y compris les brachiopodes et les ostracodes ; c, extinction non sélective, y compris les bivalves et les gastéropodes ; d, les conodontes sont des formes négligeables qui s'éteignent ;

(Source de l'image : référence 1)

Quelle est l’importance de « prédire l’avenir » sur les fossiles ?

Historiquement, les cinq extinctions massives se sont produites pour différentes raisons, telles que des éruptions volcaniques, le changement climatique, les impacts planétaires, etc. Chaque événement d'extinction a un impact différent sur l'environnement, et les créatures qui en sont affectées sont également différentes.

Par exemple, les ammonites comptaient sur leur capacité à résister à l'hypoxie pour survivre à de nombreuses extinctions massives, mais lors de la grave acidification des océans à la fin du Crétacé, elles ont finalement disparu parce que leurs coquilles calcaires n'ont pas pu se former. extinction, mais il n’a pas survécu à l’extinction massive, moins grave, de la fin du Trias.

Reconstruction du conodonte Ozarkodina. Le conodonte est un vertébré sans mâchoire qui ressemble à un petit poisson. La structure en forme de dent dans sa bouche s'est fossilisée, appelée conodonte ou forme d'épine. Ils ont réussi à survivre à l’extinction massive de la fin du Permien, mais ont été anéantis lors d’un événement d’extinction plus mineur à la fin du Trias.

(Source photo : Dessiné par l'auteur)

Dans les temps modernes, l’impact des activités humaines sur la Terre a causé de nombreux problèmes environnementaux, tels que des températures extrêmement élevées, des pluies acides, la destruction des forêts et des habitats, des invasions biologiques et la pollution de l’environnement, provoquant une nouvelle vague d’extinction.

Depuis la naissance de la civilisation humaine, 83 % des animaux sauvages ont disparu. Le taux d’extinction des espèces est estimé à 100 fois le taux d’extinction moyen avant l’émergence de l’homme. Quels espèces, groupes et écosystèmes sont les plus susceptibles de disparaître en raison de l’influence humaine sur l’environnement ?

Le professeur Song Haijun a déclaré qu'en analysant les changements dans la diversité morphologique des archives fossiles, nous pouvons mieux prédire et répondre aux menaces actuelles qui pèsent sur la biodiversité. Par exemple, les taxons avec une large répartition géographique (comme les oiseaux) peuvent survivre à la destruction accidentelle de leur habitat, mais ils sont incapables de résister aux changements simultanés de l'environnement mondial, alors que certains taxons avec une forte capacité de survie mais une distribution étroite (comme les poissons des cavernes et les escargots) ; peuvent être résistants aux changements environnementaux, mais une fois leurs habitats détruits, ils mourront.

Le 9 janvier 2019, le dernier escargot en agate connu au monde, Achatinella apexfulva "George", est décédé à l'âge de 14 ans. Présents uniquement à Hawaï, ces escargots étaient abondants dans le passé, mais sont en voie de disparition ou ont disparu en raison de l'invasion de prédateurs.

(Source de l'image : Wikipédia)

Grâce à l'étude des organismes disparus du passé, nous pouvons apprendre de l'histoire, révéler le mécanisme d'extinction et prédire le risque d'extinction des espèces biologiques, trouver des groupes ayant une faible capacité de survie dans l'environnement actuel et les protéger en outre, en utilisant la technologie de l'IA - DeepMorph ; Les méthodes automatisées d’analyse des fossiles paléontologiques peuvent également être utilisées comme point de départ, fournissant ainsi davantage d’idées et de possibilités pour de futures recherches croisées entre l’apprentissage profond et la géobiologie.

les références:

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Produit par : Popular Science Chine

Auteur : Gu Mingdi Lian (créateur de vulgarisation scientifique)

Producteur : Expo scientifique populaire de Chine