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Sia in Oriente che in Occidente, "predire il futuro" suona come una cosa superstiziosa e misteriosa, ma quando questa parola appare nel mondo degli scienziati, il suo significato diventa "attraverso l'analisi induttiva delle informazioni conosciute, speculando sull'evoluzione delle forme di vita". " Gli scienziati possono "predire il futuro" e trarre conclusioni scientifiche: per diversi animali, il loro diverso aspetto può effettivamente influenzare il loro destino in caso di estinzione.

Nel giugno 2024, Song Haijun, professore presso la Scuola di Scienze della Terra presso la China University of Geosciences (Wuhan), ha guidato un team per condurre uno studio sulla "previsione del futuro" per i fossili.

Hanno utilizzato la tecnologia del deep learning e metodi di automazione, che è ciò che chiamiamo intelligenza artificiale, per studiare l'evoluzione delle forme biologiche durante il più grande evento di estinzione della storia - l'estinzione del Permiano-Triassico, rivelando come In questa estinzione di massa "distruttrice del mondo", come le diverse "apparenze" delle creature marine determinano il loro destino.

Chi avrebbe più probabilità di sopravvivere a un’estinzione di massa, i dinosauri giganti o i minuscoli mammiferi del Mesozoico? La domanda può essere semplice, ma la conclusione sarebbe la stessa per altri organismi o per altre estinzioni di massa?

(Fonte immagine: Wikipedia)

La sopravvivenza o la distruzione hanno qualcosa a che fare con l'"apparenza"?

Nella storia della terra si sono verificati cinque eventi di estinzione di massa, il più famoso dei quali potrebbe essere l'impatto di un asteroide sulla terra alla fine del periodo Cretaceo. Fu probabilmente la causa dell'estinzione di tutti gli esseri alti e potenti dinosauri dell'epoca. I mammiferi più bassi sopravvissero e una specie alla fine si evolse in noi umani.

In effetti, questo fatto dimostra che nell'estinzione alla fine del Cretaceo, l'estinzione o meno era strettamente correlata all'aspetto, cioè alla forma dell'animale: gli animali che crescevano avevano bisogno di più cibo ed erano più probabili morire di fame durante l'estinzione.

Tuttavia, per l’evento di estinzione di massa più grave della storia, l’estinzione di massa della fine del Permiano avvenuta circa 252 milioni di anni fa, la correlazione tra la morfologia animale e l’estinzione è meno chiara. Questa estinzione di massa è conosciuta come la "madre delle estinzioni di massa", causando la scomparsa fino al 96% delle creature marine, tra cui i famosi trilobiti e i granchi a ferro di cavallo.

L'estinzione di massa alla fine del Permiano fu la più grave estinzione di massa della storia e in questa estinzione scomparvero i famosi trilobiti.

(Fonte immagine: Wikipedia)

Questo evento di estinzione è durato a lungo e si è verificato in due fasi, una fase graduale durata circa milioni di anni e un periodo di picco nell'ultimo milione di anni. Alcuni animali si estinguono nella fase graduale, mentre molti altri si estinguono nella fase di picco, come nel caso dell'estinzione di massa di piccoli crostacei e ostracoda (Ostracoda), e dell'estinzione di massa di grandi brachiopodi stazionari filtratori (Brachiopoda), successivamente La differenza va da 720.000 a 1,22 milioni di anni.

Poiché le cause e i tempi di estinzione dei diversi tipi di animali sono incoerenti e ci sono molte persone che si sono estinte, quasi tutti gli animali, indipendentemente dalla loro forma, si sono estinti. Solo un piccolo numero di specie è sopravvissuto con successo a questa crisi la correlazione tra forma ed estinzione non può essere semplicemente dedotta. Pertanto, negli studi precedenti, gli scienziati non avevano una risposta definitiva sul fatto se questo evento di estinzione fosse selettivo per la morfologia animale.

In che modo l’intelligenza artificiale “predice la fortuna”?

Oltre alla complessità dell’evento di estinzione in sé, anche i limiti tecnici limitano la ricerca degli scienziati sull’estinzione della fine del Permiano.

In passato, studiare la relazione tra estinzione e morfologia richiedeva agli scienziati di analizzare manualmente la morfologia dei fossili. Dovevano confrontare ogni fossile o immagine fossile per confrontare le creature paleontologiche con la stessa forma prima dell'evento di estinzione e dopo l'evento di estinzione (come ad esempio). gusci appuntiti, spinosi, lisci, sottili e piatti, gusci larghi e rotondi) vengono classificati rispettivamente e si osserva se la proporzione di animali con la stessa forma cambia prima e dopo l'evento di estinzione.

I risultati ottenuti da tale "ricerca tradizionale" sono fortemente influenzati dagli oggetti di ricerca selezionati dagli scienziati e dai metodi di ricerca adottati.

Ad esempio, studi che utilizzano metodi tradizionali di descrizione morfologica hanno dimostrato che le differenze morfologiche negli ammonoidi (un lontano parente del nautilus) erano poco ridotte durante l'evento di estinzione, suggerendo che l'evento di estinzione non era morfologicamente selettivo, al contrario, utilizzando altri metodi di ricerca, ad es. L'analisi completa delle caratteristiche discrete (analisi completa basata sulla gamma massima e minima dei cambiamenti morfologici, sulla somma delle varianze dei dati e sulla mediana dei dati) mostra che la diversità morfologica delle ammoniti è stata significativamente ridotta durante l'evento di estinzione, supportando la selezione morfologica di l'evento di estinzione.

Per trarre conclusioni più accurate, è necessario disporre di un campione sufficientemente ampio e utilizzare metodi di analisi più accurati. In questo tipo di analisi dei big data, la nascente tecnologia AI ha senza dubbio un grande potenziale.

Per raggiungere questo obiettivo, il team del professor Song Haijun ha sviluppato un processo di analisi chiamato DeepMorph, che combina la tecnologia di deep learning per estrarre caratteristiche dalle immagini con metodi morfometrici geometrici per analizzare automaticamente il contorno dei campioni fossili e catturare efficacemente la morfologia, semplificandola una figura piana bidimensionale, distinguendo così chiaramente le varie tipologie morfologiche, e ripetendo poi questo processo attraverso campionamenti multipli.

A tal fine, il team del professor Song Haijun ha compilato un database completo, che contiene immagini di esemplari fossili di sei organismi paleontologici marini ampiamente registrati durante l'estinzione di massa della fine del Permiano, compresi gli ammonoidi, i parenti stretti del nautilus, che avevano doppie conchiglie. , brachiopodi che si nutrono di filtri, ostracodi con due "gnocchi di gamberetti" avvolti nel carapace, bivalvi (vongole) e gasteropodi (lumache) e conodonti vertebrati con denti aguzzi.

Questo database include 599 generi rappresentati da 656 immagini prima e dopo l'evento di estinzione, che spaziano dallo stadio Changxing del tardo Permiano allo stadio indiano del primo Triassico, da 254,14 milioni di anni fa a 250,7 milioni di anni fa, fornendo un forte supporto di big data per Il deep learning dell'intelligenza artificiale.

a: Il principio di funzionamento di DeepMorph. Le immagini dei campioni di tipo raccolti dalle pubblicazioni vengono convertite in formato binario attraverso la segmentazione del modello U2-Net, quindi i contorni fossili e le caratteristiche morfologiche vengono estratti e inclusi nel database. b: convertire la morfologia in dati di distribuzione normale multivariata; c: utilizzare dati di distribuzione normale multivariata per eseguire la simulazione dell'estinzione selettiva e infine generare il diagramma del modello di estinzione del modello selettivo.

(Fonte immagine: riferimento 1)

La relazione tra “apparenza” e destino è la stessa per animali di gruppi diversi?

L'analisi dei dati di DeepMorph è simile all'analisi delle caratteristiche discrete. La somma degli intervalli (SOR), tutti gli intervalli occupati dai dati, sono determinati dalla forma più speciale, ad esempio il guscio più liscio è 0, il più ruvido è 10 e l'intervallo è 0 -10), somma della varianza (SOV, la somma delle varianze di ciascun dato e della media, che indica la diversità dei dati) e analisi della posizione del baricentro (POC, la mediana dei dati) come mezzo per dedurre la selettività degli eventi di estinzione sulla morfologia.

La ricerca ha scoperto che la relazione tra "apparenza" e destino non è la stessa per i diversi gruppi di animali. Durante l'estinzione di massa, le specie più estinte nella maggior parte dei phyla erano animali di grandi dimensioni con decorazioni di conchiglie complesse o forti (come spine, costole e tumori), mentre i conodonti non mostravano segni di estinzione morfologica selettiva.

Prima e dopo l'evento di estinzione, le ammoniti si estinsero principalmente a causa delle strutture complesse e altamente decorative sui loro gusci. Ciò si riflette nei dati, con più estinzioni che si verificano su un lato del punto medio, chiamata estinzione selettiva asimmetrica.

Ceratitida e Prolecanitida, i cui gusci sono piatti, lisci e meno decorativi, sopravvissero all'estinzione di massa e si evolsero rapidamente in molti nuovi tipi, ma anche le forme dei nuovi tipi mantennero generalmente il loro aspetto liscio, indicando che esiste una forte correlazione tra la comparsa delle ammoniti e se si estinguono.

L'intervallo di distribuzione morfologica (somma degli intervalli) di vari animali nello stadio Changxing del tardo Permiano (arancione), nello strato di transizione (grigio) e nello stadio indiano del Triassico inferiore (blu). I crisantemi sono (a), i brachiopodi sono (b), gli ostracodi sono (c), i bivalvi sono (d), i gasteropodi sono (e) e i conodonti sono (f). Si possono vedere diverse estinzioni.

(Fonte immagine: riferimento 1)

Tutti i dati sui brachiopodi sono diminuiti in modo significativo e la ricchezza del livello del genere è diminuita del 96,65%, indicando che la maggior parte dei brachiopodi si è estinta durante questo periodo. Sono stati gravemente colpiti principalmente perché i loro gusci spessi richiedono grandi quantità di carbonato di calcio e l'acidificazione degli oceani ha ostacolato gravemente la formazione di gusci di calcio. Di conseguenza, le specie con gusci complessi, spessi e decorati erano quasi tutte estinte.

La maggior parte dei sopravvissuti e dei nuovi arrivati ​​provengono dalla morfologia più semplice degli Spiriferidi e dei crostacei dalla bocca piccola Rinconellidi. Questi animali sono di dimensioni più piccole, hanno modelli semplificati e hanno gusci traslucidi che riducono l'uso di calcio, mentre gli ostracodi sono i gruppi principali. degli insetti che si estinsero erano gruppi specializzati con i gusci più sottili e più spessi.

Questi due taxa hanno mostrato un’estinzione selettiva marginale, che ha eliminato i taxa più specializzati come un colpo di pistola alla testa. Rispetto alle forme più diverse del Permiano, i brachiopodi e gli ostracodi del Triassico mantennero una forma più o meno media, con quelli più comuni sopravvissuti.

Il mollusco esistente Terebratalia transversa ha un guscio sottile e traslucido.

(Fonte immagine: Wikipedia)

Gli ostracodi esistenti sono come un gambero avvolto in un carapace a due petali. I loro numerosi carapace sono fossili importanti negli strati.

(Fonte immagine: Vita polare canadese)

L'estinzione dei gasteropodi e dei bivalvi, i gruppi che conosciamo, delle lumache e dei bivalvi, non ha alcuna relazione definita con la morfologia.

Chiunque abbia allevato o osservato lumache e vongole apprezzerà la loro capacità di sopravvivere in condizioni come torbidità, surriscaldamento o mancanza di ossigeno, possono anche sopravvivere a lungo facendo affidamento sul loro cibo proprie riserve e le alghe che crescono sulle pareti dei serbatoi, che è uno dei motivi per cui sono riusciti a sopravvivere a precedenti eventi di estinzione di massa. Tutti i principali tipi morfologici sono sopravvissuti e l'estinzione non ha quasi nulla a che fare con la loro morfologia, è solo una questione di fortuna o sfortuna.

Il fossile di Ambonychia ulrichi della formazione Ordoviciano di Fairview proveniente dalla contea di Warren, Ohio, circa 400 milioni di anni fa, appartiene alla sottoclasse Pterozoa e presenta somiglianze con le capesante moderne.

(Fonte immagine: sketchfab)

Anche i fossili di gasteropodi (lumache) dell'era Paleozoica sono molto simili alle lumache di oggi.

(Fonte immagine: riferimento 2)

Il morfospazio di un altro taxon, i conodonti, non è stato influenzato in modo significativo dall'evento di estinzione.

A differenza di altri cladi, la diversità morfologica dei conodonti è diminuita molto poco durante l'estinzione di massa. Al contrario, dopo il primo impulso di estinzione, il loro spazio morfologico è aumentato invece di diminuire, indicando che erano ancora a casa durante l'evento di estinzione, in esplorazione una varietà di nuove forme e i pesci sono simili, il che potrebbe essere correlato alla diminuzione del numero dei loro concorrenti (come ammoniti, nautili, ecc., anch'essi carnivori).

Cambiamenti morfologici negli estinti, nei sopravvissuti e nei nuovi arrivati ​​di sei cladi durante l'estinzione di massa del Permiano-Triassico. Il giallo rappresenta i nuovi arrivati, il rosso rappresenta gli sterminatori e il verde rappresenta i sopravvissuti.

(Fonte immagine: riferimento 1)

Quattro diverse modalità di estinzione selettiva, con linee rosse che rappresentano gli eventi di estinzione. a, estinzione selettiva orizzontale, come le ammoniti; b, estinzione selettiva dei bordi, inclusi brachiopodi e ostracodi c, estinzione non selettiva, inclusi bivalvi e gasteropodi d, i conodonti sono forme trascurabili che si estinguono;

(Fonte immagine: riferimento 1)

Qual è il significato di “predire la fortuna” sui fossili?

Nella storia, le cinque estinzioni di massa si sono verificate per ragioni diverse, come eruzioni vulcaniche, cambiamenti climatici, impatti planetari, ecc. Ogni evento di estinzione ha avuto un impatto diverso sull’ambiente e anche le creature che ne sono state colpite erano diverse.

Ad esempio, le ammoniti sono sopravvissute a molte estinzioni di massa facendo affidamento sulla loro capacità di resistere all'ipossia, ma durante la grave acidificazione dell'oceano alla fine del Cretaceo, alla fine si estinsero perché i loro gusci calcarei non potevano formarsi in modo significativo; l'estinzione, ma non sopravvisse alla meno grave estinzione di massa della fine del Triassico.

Ricostruzione del conodonte Ozarkodina. Il conodonte è un vertebrato senza mascella che assomiglia a un piccolo pesce. La struttura a forma di dente nella loro bocca è diventata fossile, chiamata conodonte o dente. Riuscirono a sopravvivere all'estinzione di massa alla fine del Permiano, ma furono spazzati via da un evento di estinzione minore alla fine del Triassico.

(Fonte immagine: disegnata dall'autore)

Nei tempi moderni, l’impatto delle attività umane sulla terra ha causato molti problemi ambientali, come temperature estremamente elevate, piogge acide, distruzione di foreste e habitat, invasioni biologiche e inquinamento ambientale, provocando una nuova ondata di estinzioni.

Dalla nascita della civiltà umana, l’83% degli animali selvatici si è estinto. Si stima che il tasso di estinzione delle specie sia 100 volte superiore al tasso medio di estinzione prima della comparsa dell’uomo. Quali specie, taxa ed ecosistemi hanno maggiori probabilità di estinguersi a causa dell’influenza umana sull’ambiente?

Il professor Song Haijun ha affermato che analizzando i cambiamenti nella diversità morfologica nei reperti fossili, possiamo prevedere e rispondere meglio alle attuali minacce alla biodiversità. Ad esempio, i taxa con un'ampia distribuzione geografica (come gli uccelli) possono sopravvivere alla distruzione accidentale dell'habitat, ma non sono in grado di resistere ai cambiamenti simultanei dell'ambiente globale, mentre alcuni taxa con una forte capacità di sopravvivenza ma con una distribuzione ristretta (come i pesci delle caverne e le lumache) possono essere resistenti ai cambiamenti ambientali, ma una volta distrutti i loro habitat, moriranno.

Il 9 gennaio 2019, l'ultima lumaca d'agata conosciuta al mondo, Achatinella apexfulva "George", è morta all'età di 14 anni. Trovato solo alle Hawaii, queste lumache erano abbondanti in passato ma sono in pericolo o estinte a causa dell'invasione dei predatori.

(Fonte immagine: Wikipedia)

Attraverso lo studio degli organismi estinti in passato, possiamo imparare dalla storia, rivelare il meccanismo di estinzione e prevedere il rischio di estinzione delle specie biologiche, trovare gruppi con scarsa capacità di sopravvivenza nell'ambiente attuale e proteggerli inoltre, utilizzando la tecnologia AI - DeepMorph; Anche i metodi automatizzati per l’analisi dei fossili paleontologici possono essere utilizzati come punto di partenza, fornendo più idee e possibilità per la futura ricerca sull’intersezione tra apprendimento profondo e geobiologia.

Riferimenti:

[1]Liu X, Song H, Chu D, et al. Selettività eterogenea ed evoluzione morfologica dei cladi marini durante l'estinzione di massa del Permiano-Triassico[J]. Nature Ecology & Evolution, 2024: 1-11.

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[5]Korn, D., Hopkins, MJ, e Walton, SA, 2013, Spazio di estinzione: un metodo per la quantificazione e la classificazione dei cambiamenti nello spazio morfologico attraverso i confini di estinzione: Evolution , v. 67, p. 2795–2810,

[6]Peng, Y., Shi, GR, Gao, Y., He, W., & Shen, S. (2007). Come e perché i Lingulidae (Brachiopoda) non solo sopravvissero all'estinzione di massa della fine del Permiano, ma prosperarono anche nelle sue conseguenze? Palaeogeografia, Palaeoclimatologia, Palaeoecologia, 252(1-2), 118–131.

Prodotto da: Popular Science Cina

Autore: Gu Mingdi Lian (popolare creatore di scienze)

Produttore: China Popular Science Expo