2024-08-06
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동양이나 서양을 막론하고 '운세'라는 말은 미신적이고 신비로운 말처럼 들리지만, 이 단어가 과학자들의 세계에 등장하면 그 의미는 '알려진 정보의 귀납적 분석을 통해, 생명체의 진화에 대해 추측하다'가 됩니다. ” 과학자들은 "운세"를 말하고 과학적 결론을 도출할 수 있습니다. 동물에 따라 서로 다른 외모가 실제로 멸종 시 운명에 영향을 미칠 수 있습니다.
2024년 6월, 중국 지구과학대학교(우한) 지구과학부 교수인 송 하이준(Song Haijun)은 팀을 이끌고 화석에 대한 '운세' 연구를 수행했습니다.
그들은 딥 러닝 기술과 우리가 AI라고 부르는 자동화된 방법을 사용하여 역사상 가장 큰 멸종 사건인 페름기-트라이아스기 멸종 사건 동안 생물학적 형태의 진화를 연구했으며, 이 "세계를 파괴하는" 대량 멸종에서 어떻게, 해양 생물의 다양한 "외모"가 그들의 운명을 어떻게 결정했습니까?
거대한 공룡과 작은 중생대 포유류 중 어느 것이 대량 멸종에서 살아남을 가능성이 더 높습니까? 질문은 쉬울 수 있지만 결론은 다른 유기체에 대해서도 동일할까요, 아니면 다른 대량 멸종에 대해서도 동일할까요?
(이미지 출처: 위키피디아)
지구 역사상 다섯 번의 대량멸종 사건이 있었는데, 그 중 가장 유명한 것은 백악기 말에 지구에 소행성이 충돌한 사건일 것입니다. 시간은 멸종되었다. 하등 포유류는 살아남았고, 한 종은 결국 우리 인간으로 진화했습니다.
실제로 이 사실은 백악기 말의 멸종에서 멸종 여부가 '외모', 즉 동물의 모양과 밀접한 관련이 있음을 보여줍니다. 멸종하는 동안 굶어 죽는다.
그러나 역사상 가장 심각한 대량멸종 사건인 약 2억 5200만년 전에 발생한 페름기말 대량멸종의 경우, 동물 형태와 멸종 사이의 상관관계가 덜 명확합니다. 이러한 대량멸종은 "대량멸종의 어머니"로 알려져 있으며, 유명한 삼엽충과 투구게를 포함하여 바다 생물의 최대 96%가 사라지게 됩니다.
페름기 말의 대량멸종은 역사상 가장 심각한 대량멸종으로, 유명한 삼엽충도 이번 멸종으로 사라졌다.
(이미지 출처: 위키피디아)
이 멸종 사건은 오랜 시간 동안 지속되었으며 두 단계, 즉 약 수백만 년 동안 지속되는 점진적 단계와 지난 100만 년 동안의 정점 기간으로 발생했습니다. 일부 동물은 점진적인 단계에서 멸종되었지만, 더 많은 동물이 정점 단계에서 멸종되었습니다. 예를 들어 작은 갑각류와 배편(Ostracoda)의 대량 멸종, 정지하여 여과섭식을 하는 대형 완족류(Brachiopoda)의 대량 멸종이 연속적으로 나타났습니다. 그 차이는 72만~122만년이다.
다양한 종류의 동물들이 멸종하는 원인과 시기가 일치하지 않고, 멸종하는 사람들이 많기 때문에, 형태를 막론하고 거의 모든 동물들이 이번 위기에서 성공적으로 살아남았고, 형태와 소멸 사이의 상관관계는 단순히 추론할 수 없습니다. 따라서 과거 연구에서 과학자들은 이 멸종 사건이 동물 형태에 선택적인 것인지에 대해 명확한 답을 얻지 못했습니다.
멸종 사건 자체의 복잡성 외에도 기술적 한계로 인해 페름기 말 멸종에 대한 과학자들의 연구도 제한됩니다.
과거에는 멸종과 형태학 사이의 관계를 연구하려면 과학자들이 화석의 형태를 수동으로 분석해야 했으며, 멸종 사건 전후의 동일한 모양(예: 뾰족한 모양, 뾰족한 등) 가시가 있고 매끈하며 얇고 편평한 껍데기, 넓고 둥근 껍데기)를 별도로 분류하고, 멸종 사건 전후에 같은 모양을 가진 동물의 비율이 변하는지 관찰한다.
이러한 '전통적 연구'를 통해 얻은 결과는 과학자들이 선택한 연구 대상과 채택한 연구 방법에 따라 큰 영향을 받습니다.
예를 들어, 전통적인 형태학적 기술 방법을 사용한 연구에 따르면 멸종 사건 동안 암모노이드(노틸러스의 먼 친척)의 형태학적 차이가 거의 감소하지 않았으며, 이는 멸종 사건이 반대로 다른 연구 방법을 사용하여 형태학적으로 선택적이지 않았음을 시사합니다. 종합적인 이산 특징 분석(형태학적 변화의 최대 및 최소 범위, 데이터 분산의 합 및 데이터의 중앙값을 기반으로 한 종합 분석)을 사용하여 멸종 사건 동안 암모나이트의 형태학적 다양성이 크게 감소했음을 보여줍니다. 멸종 사건의 형태학적 선택.
보다 정확한 결론을 도출하려면 표본 크기가 충분히 크고 보다 정확한 분석 방법을 사용해야 합니다. 이러한 유형의 빅데이터 분석에서 초기 AI 기술은 의심할 여지 없이 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
송하이준 교수팀은 이를 위해 영상에서 특징을 추출하는 딥러닝 기술과 기하학적 형태학 방법을 결합해 화석 표본의 윤곽선을 자동으로 분석하고 효과적으로 화석의 형태를 포착해 단순화하는 분석 프로세스 'DeepMorph'를 개발했다. 2차원 평면도형을 통해 다양한 형태적 유형을 명확하게 구분하고, 이 과정을 여러 번의 샘플링을 통해 반복합니다.
이를 위해 송하이준 교수팀은 이중 껍질을 가진 노틸러스와 가까운 친척인 암모니아를 포함해 페름기 말 대량멸종 당시 널리 기록된 해양 고생물학 유기체 6종의 화석 표본 이미지가 포함된 포괄적인 데이터베이스를 구축했습니다. , 여과섭식 완족류, 갑각에 싸인 두 개의 "새우 만두"를 가진 배각류, 이매패류(조개) 및 복족류(달팽이), 날카로운 이빨을 가진 척추동물 코노돈트.
이 데이터베이스에는 2억 5,414만년 전부터 2억 5,070만년 전까지 페름기 말 창싱 단계부터 트라이아스기 초기 인도 단계까지 멸종 사건 전후의 656개 이미지로 대표되는 599속이 포함되어 있어 멸종 사건 전후의 강력한 빅데이터 지원을 제공합니다. AI의 딥러닝.
a: DeepMorph의 작동 원리 출판물에서 수집된 유형 표본 이미지는 U2-Net 모델 분할을 통해 바이너리 형식으로 변환된 후 화석 윤곽선과 형태학적 특징이 추출되어 데이터베이스에 포함됩니다. b: 형태를 다변량 정규 분포 데이터로 변환합니다. c: 다변량 정규 분포 데이터를 사용하여 선택적 소멸 시뮬레이션을 수행하고 최종적으로 선택적 패턴의 소멸 패턴 다이어그램을 생성합니다.
(이미지 출처 : 참고 1)
DeepMorph의 데이터 분석은 이산형 특징 분석(SOR), 즉 데이터가 차지하는 모든 범위는 가장 특별한 모양에 따라 결정됩니다. 예를 들어 가장 부드러운 껍질은 0이고 가장 거친 껍질은 10입니다. 범위는 0~10), 분산합(SOV, 각 데이터의 분산의 합과 데이터의 다양성을 나타내는 평균), 중심 위치(POC, 데이터의 중앙값) 분석을 위한 수단으로 형태에 대한 멸종 사건의 선택성을 추론합니다.
연구에 따르면 "외모"와 운명의 관계는 동물 그룹에 따라 동일하지 않습니다. 대량 멸종 기간 동안 대부분의 문에서 가장 멸종된 종은 복잡하거나 강한 껍질 장식(가시, 갈비뼈, 종양 등)을 가진 대형 동물이었으며, 코노돈트는 형태학적 선택적 멸종의 징후를 보이지 않았습니다.
멸종 사건 전후에 암모나이트는 주로 껍질의 복잡하고 장식적인 구조로 인해 멸종되었으며, 이는 비대칭 선택적 멸종이라고 불리는 중간 지점의 한쪽에서 더 많은 멸종이 발생한다는 사실이 데이터에 반영됩니다.
껍데기가 편평하고 매끄러우며 장식성이 덜한 Ceratitida와 Prolecanitida는 대량 멸종에서 살아남아 급속히 많은 새로운 종으로 진화했지만, 새로운 종의 모양 역시 일반적으로 매끄러운 모양을 유지하여 사이에 강한 상관 관계가 있음을 나타냅니다. 암모나이트의 출현과 멸종 여부.
페름기 후기 창싱기(주황색), 전이층(회색), 트라이아스기 초기 인도기(파란색)의 다양한 동물의 형태학적 분포 범위(범위의 합). 국화는 (a), 완족류는 (b), 도편류는 (c), 이매패류는 (d), 복족류는 (e), 코노돈트는 (f) 모델로 볼 수 있습니다.
(이미지 출처 : 참고 1)
완족류의 모든 데이터가 크게 감소하였고, 속 수준의 풍부도도 96.65% 감소하여 대부분의 완족류가 이 기간 동안 멸종되었음을 알 수 있다. 두꺼운 껍질에는 다량의 탄산칼슘이 필요하고, 해양 산성화로 인해 칼슘 껍질 형성이 심각하게 방해를 받아 복잡하고 두껍고 장식이 있는 껍질을 가진 종은 거의 모두 멸종되었습니다.
생존자와 신규 이민자의 대부분은 Spiriferid와 작은 입 조개류 Rhynchonellid의 단순한 형태에서 왔습니다. 이 동물은 크기가 더 작고, 단순한 패턴을 가지며, 칼슘 사용을 줄이는 반투명 껍질을 가지고 있습니다. 멸종된 곤충은 가장 얇고 두꺼운 껍질을 가진 특화된 그룹이었습니다.
이 두 분류군은 한계 선택적 멸종을 보였으며, 이는 머리에 총을 맞은 것처럼 가장 전문화된 분류군을 제거했습니다. 페름기의 보다 다양한 형태와 비교했을 때, 트라이아스기의 완족류와 배편류는 대략 평균적인 형태를 유지했으며, 가장 흔한 것들이 살아남았습니다.
현존하는 작은입조개류 Terebratalia transversa는 얇고 반투명한 껍질을 가지고 있습니다.
(이미지 출처: 위키피디아)
기존의 도편동물은 두 개의 꽃잎으로 된 갑각에 싸인 새우와 같습니다. 그들의 수많은 갑각은 지층의 중요한 화석입니다.
(이미지 출처: 캐나다 Polar Life)
우리에게 친숙한 복족류와 이매패류, 달팽이와 이매패류의 멸종은 형태학과 명확한 관계가 없습니다.
달팽이와 조개를 키우거나 관찰한 사람이라면 누구나 탁도, 과열, 산소 부족 등의 조건에서도 생존할 수 있는 능력에 깊은 인상을 받았을 것입니다. 탱크 벽에서 자라는 조류는 이전의 대량 멸종 사건에서 살아남을 수 있었던 이유 중 하나입니다. 이들의 주요 형태학적 유형은 모두 살아남았으며, 멸종은 형태학과는 거의 아무런 관련이 없으며 단지 행운이나 불행의 문제일 뿐입니다.
약 4억년 전 오하이오 주 워렌 카운티에서 발견된 오르도비스기 페어뷰 층(Fairview Formation) Ambonychia ulrichi 화석은 익룡 아강에 속하며 현대 가리비와 유사합니다.
(이미지 출처: Sketchfab)
고생대 복족류(달팽이) 화석도 오늘날의 달팽이와 매우 유사하다.
(이미지 출처 : 참고문헌 2)
또 다른 분류군인 코노돈트의 형태공간은 멸종 사건에 의해 큰 영향을 받지 않았습니다.
다른 계통군과 달리 코노돈트의 형태적 다양성은 대량 멸종 기간 동안 거의 감소하지 않았습니다. 반대로, 첫 번째 멸종 펄스 이후에는 형태학적 공간이 감소하지 않고 증가했으며, 이는 그들이 멸종 사건 동안에도 여전히 집에 있었고 탐험하고 있음을 나타냅니다. 다양한 새로운 형태와 물고기가 유사하며 이는 경쟁자(예: 육식성이기도 한 암모나이트, 노틸러스 등)의 수가 감소한 것과 관련이 있을 수 있습니다.
페름기-트라이아스기 대량멸종 동안 6개 계통군의 멸종, 생존 및 신규 생물의 형태학적 변화. 노란색은 신규 이민자, 빨간색은 해충 구제자, 녹색은 생존자를 나타냅니다.
(이미지 출처 : 참고 1)
멸종 사건을 나타내는 빨간색 선이 있는 네 가지 선택적 멸종 모드. a, 암모나이트와 같은 수평 선택적 멸종, b, 완족류와 도편류를 포함한 가장자리 선택적 멸종, c, 이매패류와 복족류를 포함한 비선택적 멸종, d, 코노돈트는 무시할 수 있는 형태로 멸종됩니다.
(이미지 출처 : 참고 1)
역사적으로 5번의 대량멸종은 화산분출, 기후변화, 행성의 영향 등 서로 다른 이유로 발생했습니다. 각 멸종사건은 환경에 서로 다른 영향을 미치며, 이에 영향을 받는 생물도 다릅니다.
예를 들어, 암모나이트는 많은 대량 멸종에서 살아남기 위해 저산소증을 견딜 수 있는 능력에 의존했지만 백악기 말의 심각한 해양 산성화 동안 석회질 껍질이 형성되지 않았기 때문에 결국 멸종되었습니다. 멸종되었지만 덜 심각한 트라이아스기 말 대량멸종에서는 살아남지 못했습니다.
코노돈트(Conodont)의 재구성 코노돈트는 작은 물고기처럼 보이는 턱이 없는 척추동물입니다. 입에 있는 이빨 모양의 구조가 화석화되었습니다. 그들은 페름기 말의 대량 멸종에서 살아남았지만 트라이아스기 말의 소규모 멸종 사건으로 멸종되었습니다.
(사진출처: 작가가 그린 그림)
현대에는 인간의 활동이 지구에 미치는 영향으로 극심한 고온, 산성비, 산림 및 서식지 파괴, 생물학적 침입, 환경오염 등 많은 환경 문제가 발생하여 새로운 멸종의 물결을 일으키고 있습니다.
인류 문명 탄생 이후 야생동물의 83%가 멸종됐다. 종의 멸종 속도는 인류 출현 전 평균 멸종 속도의 100배에 달하는 것으로 추산된다. 환경에 대한 인간의 영향으로 인해 멸종될 가능성이 더 높은 종, 그룹 및 생태계는 무엇입니까?
송하이준 교수는 화석 기록의 형태적 다양성 변화를 분석함으로써 현재 생물다양성에 대한 위협을 더 잘 예측하고 대응할 수 있다고 말했습니다. 예를 들어, 지리적으로 분포가 넓은 분류군(예: 조류)은 우발적인 서식지 파괴에서 살아남을 수 있지만 지구 환경이 동시에 변화하면 견딜 수 없습니다. 반면 생존 능력은 강하지만 분포가 좁은 일부 분류군(예: 동굴어류 및 달팽이) 환경 변화에 저항력이 있지만 서식지가 파괴되면 죽게 됩니다.
2019년 1월 9일, 세계에서 마지막으로 알려진 마노달팽이 Achatinella apexfulva "George"가 14세의 나이로 세상을 떠났습니다. 하와이에서만 발견되는 이 달팽이는 과거에는 풍부했지만 포식자의 침입으로 인해 멸종 위기에 처해 있습니다.
(이미지 출처: 위키피디아)
과거 멸종된 유기체에 대한 연구를 통해 역사로부터 학습하고, 생물종의 멸종 메커니즘을 밝히고 멸종 위험을 예측하고, 현재 환경에서 생존 능력이 떨어지는 집단을 찾아 보호할 수 있습니다. 고생물학 화석 분석을 위한 자동화된 방법은 출발점으로 사용될 수도 있으며, 딥 러닝과 지구생물학 간의 향후 교차 연구에 대한 더 많은 아이디어와 가능성을 제공합니다.
참고자료:
[1]Liu X, Song H, Chu D, et al. 페름기-트라이아스기 대량 멸종 동안 해양 분기군의 이질 선택성 및 형태적 진화[J]. Nature Ecology & Evolution, 2024: 1-11.
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[6]Peng, Y., Shi, GR, Gao, Y., He, W., & Shen, S. (2007). Lingulidae(완족동물)는 어떻게 그리고 왜 페름기 말 대량 멸종에서 살아남았을 뿐만 아니라 그 여파 속에서도 번성했을까? 고생지리학, 고생태학, 고생태학, 252(1-2), 118–131.
제작사: Popular Science China
저자: Gu Mingdi Lian(인기 과학 창작자)
제작자: 중국 대중 과학 박람회
