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洋の東西を問わず、「占い」というと迷信的で神秘的なもののように聞こえますが、この言葉が科学者の世界に現れると、その意味は「既知の情報を帰納的に分析することによって、生命体の進化を推測すること」になります。 」科学者は「占い」をして科学的結論を導き出すことができます。動物ごとに、その外観の違いが絶滅した場合の運命に確かに影響を与える可能性があります。

2024年6月、中国地質大学（武漢）地球科学部教授の宋海軍氏はチームを率いて、化石の「占い」に関する研究を実施した。

彼らはディープラーニング技術と私たちがAIと呼ぶ自動化手法を使用して、史上最大の絶滅イベントであるペルム紀から三畳紀の絶滅イベント中の生物形態の進化を研究し、この「世界を破壊する」大量絶滅において、どのようにして、海洋生物のさまざまな「外観」が彼らの運命をどのように決定するか。

巨大な恐竜と中生代の小さな哺乳類では、大量絶滅の場合どちらが生き残る可能性が高いでしょうか?質問は簡単かもしれませんが、結論は他の生物や他の大量絶滅でも同じでしょうか?

（画像出典：ウィキペディア）

存続と滅亡は「見た目」と関係があるのか​​？

地球の歴史の中で、5回の大量絶滅が起きましたが、その中で最も有名なのは、おそらく白亜紀末の小惑星の地球への衝突であり、これがおそらく背が高く強力な生物すべての絶滅の原因でした。当時の恐竜。下等哺乳類は生き残り、ある種が最終的に私たち人類に進化しました。

実際、この事実は、白亜紀末の絶滅において、絶滅するかしないかがその動物の「外見」、つまりその形と密接に関係していたということを示している。絶滅の際に餓死すること。

しかし、史上最も深刻な大量絶滅である約2億5,200万年前に起こったペルム紀末の大量絶滅では、動物の形態と絶滅との相関関係はそれほど明確ではありません。この大量絶滅は「大量絶滅の母」として知られており、有名な三葉虫やカブトガニを含む海洋生物の最大96％が絶滅しました。

ペルム紀末の大量絶滅は史上最も深刻な大量絶滅であり、有名な三葉虫はこの絶滅で姿を消しました。

（画像出典：ウィキペディア）

この絶滅現象は長期間続き、約数百万年続いた緩やかな段階と過去100万年間のピークの2段階で発生した。一部の動物は漸進的な段階で絶滅しますが、小型の甲殻類や貝虫類（貝虫綱）の大量絶滅や、静止濾過食性の大型の腕足動物（腕足動物）の大量絶滅など、ピーク期にはさらに多くの動物が次々と絶滅します。その差は72万年から122万年です。

動物の種類によって絶滅の原因や時期には一貫性がなく、絶滅した人間も多数いるため、その形態を問わずほぼすべての動物が絶滅し、この危機を生き延びることができたのはごく少数の種だけです。形態と消滅の間の相関関係は単純に推定することはできません。したがって、過去の研究では、この絶滅事象が動物の形態にとって選択的なものであるかどうかについて、科学者たちは明確な答えを持っていませんでした。

AIはどのようにして「運勢を占う」のでしょうか？

絶滅事象自体の複雑さに加えて、技術的な限界もペルム紀末の絶滅に関する科学者の研究を制限しています。

以前は、絶滅と形態の関係を研究するには、科学者が化石の形態を手動で分析する必要があり、各化石または化石の写真を比較して、絶滅イベント前と絶滅イベント後の同じ形状の古生物を比較する必要がありました。尖った貝殻、とげのある貝殻、滑らかな貝殻、薄くて平らな貝殻、広くて丸い貝殻）をそれぞれ分類し、同じ形の動物の割合が絶滅イベントの前後で変化するかどうかを観察します。

このような「伝統的研究」で得られる成果は、科学者がどのような研究対象を選択するか、どのような研究手法を採用するかによって大きく左右されます。

たとえば、伝統的な形態学的記述法を使用した研究では、アンモノイド（オウムガイの遠縁種）の形態学的差異は絶滅事象中にほとんど減少しなかったことが示されており、逆に、他の研究方法を使用すると、絶滅事象が形態学的に選択的ではなかったことを示唆しています。包括的な離散特徴分析（形態学的変化の最大および最小範囲、データ分散の合計およびデータの中央値に基づく包括的な分析）は、アンモナイトの形態学的多様性が絶滅イベント中に大幅に減少したことを示し、アンモナイトの形態学的選択を裏付けています。性的な結末。

より正確な結論を導き出すには、十分な大きさのサンプルサイズを用意し、より正確な分析方法を使用する必要があります。この種のビッグデータ分析において、初期の AI テクノロジーは間違いなく大きな可能性を秘めています。

この目標を達成するために、ソン・ハイジュン教授のチームは、画像から特徴を抽出する深層学習技術と幾何学的形態計測手法を組み合わせた、化石標本の輪郭を自動的に分析し、化石の形態を効率的に捕捉して簡素化する、DeepMorphと呼ばれる分析プロセスを開発した。 2次元の平面図を作成し、それによってさまざまな形態のタイプを明確に区別し、複数のサンプリングを通じてこのプロセスを繰り返します。

この目的を達成するために、ソン・ハイジュン教授のチームは包括的なデータベースを作成した。そこには、ペルム紀末の大量絶滅期に広く記録された6つの海洋古生物学生物の化石標本の画像が含まれている。その中には二重の殻を持つオウムガイの近縁種であるアンモノイドも含まれる。 、濾過摂食腕足動物、2つの甲羅に包まれた「エビ団子」を持つ貝虫、二枚貝（ハマグリ）と腹足動物（カタツムリ）、そして鋭い歯を持つ脊椎動物のコノドン類。

このデータベースには、ペルム紀後期の長興期から三畳紀初期のインド期まで、2 億 5,414 万年前から 2 億 5,070 万年前までの絶滅イベントの前後の 656 枚の画像で表される 599 属が含まれており、強力なビッグデータ サポートを提供しています。 AIのディープラーニング。

a: DeepMorph の動作原理は、出版物から収集されたタイプ標本画像が U2-Net モデルセグメンテーションを通じてバイナリ形式に変換され、化石の輪郭と形態学的特徴が抽出されてデータベースに組み込まれます。 b: 形態を多変量正規分布データに変換します; c: 多変量正規分布データを使用して選択的消滅シミュレーションを実行し、最終的に選択的パターンの消滅パターン図を生成します。

（画像出典：参考１）

「外見」と運命の関係は、異なるグループの動物でも同じなのでしょうか？

DeepMorph のデータ分析は、離散特徴量分析 (SOR)、つまりデータが占めるすべての範囲によって決まります。たとえば、最も滑らかなシェルは 0、最も粗いシェルは 10、そして最も粗いシェルは 10 です。範囲は 0 ～ 10)、分散和 (SOV、データの多様性を示す各データの分散と平均の合計)、および重心位置 (POC、データの中央値) 分析を行う手段として使用されます。形態に関する絶滅事象の選択性を推測します。

研究によると、「外見」と運命の関係は、動物のグループが異なれば同じではないことがわかっています。大量絶滅の間、ほとんどの門で最も絶滅した種は、複雑または強力な殻の装飾（棘、肋骨、腫瘍など）を持つ大型動物でしたが、コノドントは形態学的選択的絶滅の兆候を示しませんでした。

絶滅イベントの前後で、アンモナイトは主に殻の複雑で高度に装飾的な構造が原因で絶滅しました。これはデータに反映されており、中間点の片側でより多くの絶滅が発生しています。これは非対称選択的絶滅と呼ばれます。

殻が平らで滑らかで装飾性の少ないケラティティダとプロレカニティダは、大量絶滅を乗り越えて多くの新種に急速に進化しましたが、新種の形状も概して滑らかな外観を維持しており、両者の間には強い相関関係があることが示されています。アンモナイトの出現と絶滅の有無。

ペルム紀後期の長興期（オレンジ）、移行層（灰色）、三畳紀前期のインド期（青色）におけるさまざまな動物の形態分布範囲（範囲の合計）。キクは (a)、腕足類は (b)、貝虫類は (c)、二枚貝は (d)、腹足類は (e)、コノドン類は (f) です。さまざまな絶滅が見られます。

（画像出典：参考１）

腕足類のすべてのデータは大幅に減少し、属レベルの豊かさは 96.65% 低下しました。これは、ほとんどの腕足類がこの期間中に絶滅したことを示しています。厚い殻には大量の炭酸カルシウムが必要であり、海洋酸性化によりカルシウム殻の形成が著しく妨げられたことが主な原因で深刻な影響を受け、その結果、複雑で厚く装飾された殻を持つ種はほぼすべて絶滅した。

彼らの生存者と新参者のほとんどは、スピリフェリ科と口の小さな貝類リンコネリドのより単純な形態に由来しています。これらの動物はサイズが小さく、パターンが単純化されており、カルシウムの使用を減らす半透明の殻を持っていますが、貝虫類は主要なグループです。絶滅した昆虫の多くは、最も薄い殻と最も厚い殻を持つ特殊なグループでした。

これら 2 つの分類群は限界的な選択的絶滅を示し、銃で頭を撃たれたかのように最も特殊な分類群が排除されました。ペルム紀のより多様な形態と比較して、三畳紀の腕足類と貝虫類はほぼ平均的な形態を維持しており、最も一般的なものが生き残っています。

現存するスモールマウス貝 Terrebratalia transversa は薄い半透明の殻を持っています。

（画像出典：ウィキペディア）

現存する貝虫は、2枚の花びらの甲羅に包まれたエビのような形をしており、その多数の甲羅は地層の重要な化石です。

(画像出典: Canada's Polar Life)

腹足類と二枚貝、つまり私たちがよく知っているグループであるカタツムリと二枚貝の絶滅は、形態学と明確な関係はありません。

カタツムリやアサリを飼育したり観察したりしたことのある人なら誰でも、濁り、過熱、酸素不足などの条件下でも生存できる能力を理解するでしょう。自身の埋蔵量と水槽の壁に生えている藻類が原因で、これが以前の大量絶滅の際にも生き残ることができた理由の 1 つです。それらの主要な形態的タイプはすべて生き残っており、絶滅はそれらの形態とはほとんど関係がなく、単なる幸運か不運の問題です。

オハイオ州ウォーレン郡で産出された約4億年前のオルドビス紀のフェアビュー層アンボニシア・ウルリキの化石は翼虫亜綱に属し、現代のホタテ貝との類似点がある。

（画像出典：sketchfab）

古生代の腹足類（カタツムリ）の化石も現在のカタツムリとよく似ています。

（画像出典：参考２）

別の分類群であるコノドントの形態空間は、絶滅事象によって大きな影響を受けませんでした。

他のクレードとは異なり、コノドントの形態的多様性は大量絶滅中にほとんど減少しませんでしたが、逆に、最初の絶滅パルスの後、コノドントの形態的空間は減少するのではなく増加しました。これは、コノドントが繁栄の間もまだ生息していたことを示しています。さまざまな新しい形態が存在し、魚も似ていますが、これは競合相手（アンモナイトやオウムガイなど、同じく肉食動物）の数の減少に関係している可能性があります。

ペルム紀から三畳紀の大量絶滅の間の6つのクレードの絶滅生物、生存生物、および新参生物の形態学的変化。黄色は新参者、赤は駆除者、緑色は生存者を表します。

（画像出典：参考１）

4 つの異なる選択的消去モード。赤い線は消去イベントを表します。 a、アンモナイトなどの水平選択的絶滅、b、腕足類および貝虫類を含む端部選択的絶滅、d、二枚貝および腹足類を含む非選択的絶滅、d、コノドン類の絶滅は無視できるほどである。

（画像出典：参考１）

化石で「占い」をする意味とは？

歴史上、5 回の大量絶滅は、火山噴火、気候変動、惑星衝突など、さまざまな理由で発生しました。それぞれの絶滅事象は環境に異なる影響を与え、その影響を受ける生物も異なりました。

たとえば、アンモナイトは低酸素に耐える能力に頼って何度も大量絶滅を生き延びてきましたが、白亜紀末の深刻な海洋酸性化の際には石灰質の殻が形成されなかったため、最終的に絶滅しました。しかし、それほど深刻ではない三畳紀末の大量絶滅では生き残れませんでした。

コノドント オザルコディナの復元 コノドントは、小魚に似た顎のない脊椎動物で、口の中の歯のような構造が化石化したもので、コノドントまたは歯形と呼ばれます。彼らはペルム紀末の大量絶滅ではなんとか生き残ったが、三畳紀末の小規模な絶滅で全滅した。

（画像出典：筆者描き）

現代、人間の活動が地球に与えた影響は、極度の高温、酸性雨、森林や生息地の破壊、生物侵入、環境汚染など多くの環境問題を引き起こし、新たな絶滅の波を引き起こしています。

人類文明の誕生以来、野生動物の 83% が絶滅しました。種の絶滅率は、人類出現前の平均絶滅率の 100 倍であると推定されています。人間の環境への影響により絶滅する可能性が高い種、分類群、生態系はどれですか?

ソン・ハイジュン教授は、化石記録の形態的多様性の変化を分析することで、生物多様性に対する現在の脅威をより適切に予測し、対応できると述べた。例えば、地理的に広く分布する分類群（鳥類など）は偶発的な生息地の破壊には耐えることができますが、地球環境が同時に変化すると耐えられなくなりますが、生存能力は強いが分布が狭い分類群（洞窟魚やカタツムリなど）もあります。環境の変化には強いかもしれませんが、生息地が破壊されると死んでしまいます。

2019年1月9日、世界で最後の既知のメノウ巻貝、Achatinella apexfulva "George"が14歳で亡くなりました。ハワイでのみ生息するこれらのカタツムリは、かつてはたくさん生息していましたが、捕食者の侵入により絶滅の危機に瀕しているか、絶滅しています。

（画像出典：ウィキペディア）

過去の絶滅した生物の研究を通じて、歴史から学び、絶滅のメカニズムを明らかにし、生物種の絶滅の危険性を予測し、現在の環境で生存能力が低いグループを見つけて保護することができます。さらに、AI技術 - DeepMorphを使用します。古生物学の化石を分析するための自動化された方法も出発点として使用でき、ディープラーニングと地球生物学の将来の交差研究にさらなるアイデアと可能性を提供します。

参考文献:

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制作：ポピュラー・サイエンス・チャイナ

著者：Gu Mingdi Lian（ポピュラーサイエンスクリエイター）

プロデューサー: 中国大衆科学博覧会