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Seja no Oriente ou no Ocidente, “adivinhação” soa como algo supersticioso e misterioso, mas quando esta palavra aparece no mundo dos cientistas, seu significado passa a ser “através da análise indutiva de informações conhecidas, especulando sobre a evolução das formas de vida”. ” Os cientistas podem "adivinhar a sorte" e tirar conclusões científicas - para diferentes animais, suas diferentes aparências podem de fato afetar seu destino em caso de extinção.

Em junho de 2024, Song Haijun, professor da Escola de Ciências da Terra da Universidade de Geociências da China (Wuhan), liderou uma equipe para conduzir um estudo sobre “adivinhação” para fósseis.

Eles usaram tecnologia de aprendizagem profunda e métodos automatizados, que é o que chamamos de IA, para estudar a evolução das formas biológicas durante o maior evento de extinção da história - o evento de extinção Permiano-Triássico, revelando como nesta extinção em massa "destruidora do mundo", como as diferentes “aparências” das criaturas marinhas determinaram seu destino?

O que teria maior probabilidade de sobreviver a uma extinção em massa: os dinossauros gigantes ou os minúsculos mamíferos mesozóicos? A questão pode ser fácil, mas será que a conclusão seria a mesma para outros organismos ou para outras extinções em massa?

(Fonte da imagem: Wikipédia)

A sobrevivência ou a destruição têm algo a ver com a “aparência”?

Na história da Terra, houve cinco eventos de extinção em massa, o mais famoso dos quais pode ser o impacto do asteróide na Terra no final do período Cretáceo. Foi provavelmente a razão pela qual todos os dinossauros altos e poderosos naquele momento. tempo foram extintos. Os mamíferos baixos sobreviveram e uma espécie eventualmente evoluiu para nós, humanos.

Na verdade, este facto mostra que na extinção do final do Cretáceo, a extinção ou não estava intimamente relacionada com a “aparência”, ou seja, a forma do animal - animais que cresciam precisavam de mais comida e eram mais propensos a morrer de fome durante a extinção.

No entanto, para o evento de extinção em massa mais grave da história, a extinção em massa do final do Permiano que ocorreu há cerca de 252 milhões de anos, a correlação entre a morfologia animal e a extinção é menos clara. Esta extinção em massa é conhecida como a “mãe das extinções em massa”, resultando no desaparecimento de até 96% das criaturas marinhas, incluindo os famosos trilobitas e caranguejos-ferradura.

A extinção em massa no final do Permiano foi a extinção em massa mais grave da história, e os famosos trilobitas desapareceram nesta extinção.

(Fonte da imagem: Wikipédia)

Este evento de extinção durou muito tempo e ocorreu em duas fases, uma fase gradual que durou cerca de milhões de anos e um período de pico no último milhão de anos. Alguns animais foram extintos na fase gradual, enquanto muitos outros foram extintos na fase de pico, como a extinção em massa de pequenos crustáceos e ostracoda (Ostracoda), e a extinção em massa de grandes braquiópodes estacionários que se alimentam de filtros (Brachiopoda), sucessivamente A diferença é de 720.000 a 1,22 milhão de anos.

Uma vez que as causas e os tempos de extinção de diferentes tipos de animais são inconsistentes, e há muitas pessoas que foram extintas, quase todos os animais, independentemente da sua forma, foram extintos. Apenas um pequeno número de espécies sobreviveu com sucesso a esta crise, e o. a correlação entre forma e extinção não pode ser simplesmente deduzida. Portanto, em estudos anteriores, os cientistas não tiveram uma resposta definitiva sobre se este evento de extinção foi selectivo para a morfologia animal.

Como a IA “diz a sorte”?

Além da complexidade do evento de extinção em si, as limitações técnicas também limitam a investigação dos cientistas sobre a extinção do final do Permiano.

No passado, estudar a relação entre extinção e morfologia exigia que os cientistas analisassem manualmente a morfologia dos fósseis. Eles tinham que comparar cada fóssil ou imagem fóssil para comparar as criaturas paleontológicas com a mesma forma antes e depois do evento de extinção (como pontiagudos,). pontiagudas, etc.) Conchas espinhosas, lisas, finas e planas, conchas largas e redondas) são classificadas separadamente e observam se a proporção de animais com a mesma forma muda antes e depois do evento de extinção.

Os resultados obtidos por essas “pesquisas tradicionais” são muito afetados pelos objetos de pesquisa selecionados pelos cientistas e pelos métodos de pesquisa adotados.

Por exemplo, estudos utilizando métodos tradicionais de descrição morfológica mostraram que as diferenças morfológicas nos amonóides (um parente distante do náutilo) foram pouco reduzidas durante o evento de extinção, sugerindo que o evento de extinção não foi morfologicamente selectivo, utilizando outros métodos de investigação, por ex. Usando análise abrangente de características discretas (análise abrangente baseada na faixa máxima e mínima de mudanças morfológicas, na soma das variâncias dos dados e na mediana dos dados), mostra que a diversidade morfológica das amonites foi significativamente reduzida durante o evento de extinção, apoiando a seleção morfológica do evento de extinção.

Para tirar conclusões mais precisas, é necessário ter um tamanho de amostra grande o suficiente e usar métodos de análise mais precisos. Neste tipo de análise de big data, a tecnologia emergente de IA tem, sem dúvida, um grande potencial.

Para atingir esse objetivo, a equipe do professor Song Haijun desenvolveu um processo de análise chamado DeepMorph, que combina tecnologia de aprendizagem profunda para extrair características de imagens com métodos morfométricos geométricos para analisar automaticamente o contorno de espécimes fósseis e capturar efetivamente a morfologia, simplificando-a em. uma figura plana bidimensional, distinguindo claramente vários tipos morfológicos e, em seguida, repetindo esse processo através de múltiplas amostragens.

Para este fim, a equipa do professor Song Haijun compilou uma base de dados abrangente, que contém imagens de espécimes fósseis de seis organismos paleontológicos marinhos amplamente registados durante a extinção em massa do final do Permiano, incluindo os amonóides, os parentes próximos do náutilo, que tinham conchas duplas. , braquiópodes filtradores, ostracodes com dois “bolinhos de camarão envoltos em carapaça”, bivalves (amêijoas) e gastrópodes (caracóis) e conodontes vertebrados com dentes afiados.

Este banco de dados inclui 599 gêneros representados por 656 imagens antes e depois do evento de extinção, abrangendo o Estágio Changxing do final do Permiano até o Estágio Indiano do início do Triássico, de 254,14 milhões de anos atrás a 250,7 milhões de anos atrás, fornecendo forte suporte de big data para Aprendizado profundo da IA.

a: O princípio de funcionamento do DeepMorph. As imagens de espécimes coletadas de publicações são convertidas em formato binário por meio da segmentação do modelo U2-Net e, em seguida, os contornos fósseis e as características morfológicas são extraídos e incluídos no banco de dados. b: Converter a morfologia em dados de distribuição normal multivariada c: Usar dados de distribuição normal multivariada para realizar simulação de extinção seletiva e, finalmente, gerar o diagrama do padrão de extinção do padrão Seletivo.

(Fonte da imagem: Referência 1)

A relação entre “aparência” e destino é a mesma para animais de grupos diferentes?

A análise de dados do DeepMorph é semelhante à análise de características discretas. A soma dos intervalos (SOR), todos os intervalos ocupados pelos dados, são determinados pela forma mais especial, por exemplo, a casca mais suave é 0, a mais áspera é 10, e o intervalo é de 0 a 10), soma da variância (SOV, a soma das variâncias de cada dado e a média, indicando a diversidade dos dados) e análise da posição do centróide (POC, a mediana dos dados) como um meio de inferir a seletividade dos eventos de extinção na morfologia.

A pesquisa descobriu que a relação entre “aparência” e destino não é a mesma para diferentes grupos de animais. Durante a extinção em massa, as espécies mais extintas na maioria dos filos eram animais de grande porte com decorações de conchas complexas ou fortes (como espinhos, costelas e tumores), enquanto os conodontes não apresentavam sinais de extinção morfológica seletiva.

Antes e depois do evento de extinção, as amonites foram extintas principalmente devido às estruturas complexas e altamente decorativas nas suas conchas. Isto reflecte-se nos dados, com mais extinções ocorrendo num lado do ponto médio, o que é chamado de extinção selectiva assimétrica.

Ceratitida e Prolecanitida, cujas conchas são planas, lisas e menos decorativas, sobreviveram à extinção em massa e evoluíram rapidamente para muitos novos tipos, mas as formas dos novos tipos também mantiveram geralmente a sua aparência suave, indicando que existe uma forte correlação entre elas. o aparecimento de amonites e se elas serão extintas.

A faixa de distribuição morfológica (soma das faixas) de vários animais no Estágio Changxing do Permiano Superior (laranja), na camada de transição (cinza) e no Estágio Indiano do Triássico Inferior (azul). Os crisântemos são (a), os braquiópodes são (b), os ostracodes são (c), os bivalves são (d), os gastrópodes são (e) e os conodontes são (f).

(Fonte da imagem: Referência 1)

Todos os dados sobre braquiópodes caíram significativamente, e a riqueza do nível de gênero caiu 96,65%, indicando que a maioria dos braquiópodes foi extinta durante este período. Eles foram severamente afetados principalmente porque suas conchas grossas requerem grandes quantidades de carbonato de cálcio, e a acidificação dos oceanos prejudicou gravemente a formação de conchas de cálcio. Como resultado, as espécies com conchas complexas, grossas e decoradas foram quase todas extintas.

A maioria de seus sobreviventes e recém-chegados vem da morfologia mais simples do Spiriferid e do marisco Rhynchonellid. Esses animais são menores em tamanho, têm padrões simplificados e possuem conchas translúcidas que reduzem o uso de cálcio, enquanto os ostracodes são os principais grupos de. os insetos que foram extintos eram grupos especializados com cascas mais finas e mais grossas.

Esses dois táxons apresentaram extinção seletiva marginal, que eliminou os táxons mais especializados como um tiro na cabeça. Em comparação com as formas mais diversas do Permiano, os braquiópodes e ostracodes do Triássico mantiveram uma forma aproximadamente média, com os mais comuns sobrevivendo.

O marisco de boca pequena existente, Terebratalia transversa, tem uma concha fina e translúcida.

(Fonte da imagem: Wikipédia)

Os ostracodes existentes são como um camarão envolto em uma carapaça de duas pétalas. Suas numerosas carapaças são fósseis importantes nos estratos.

(Fonte da imagem: Polar Life do Canadá)

A extinção dos gastrópodes e dos bivalves, os grupos que conhecemos, caracóis e bivalves, não tem relação definida com a morfologia.

Todos os que criaram ou observaram caracóis e amêijoas devem ficar impressionados com a sua capacidade de sobreviver em condições como turbidez, sobreaquecimento ou falta de oxigénio, mesmo quando não há comida. e as algas que crescem nas paredes dos tanques, uma das razões pelas quais conseguiram sobreviver a eventos anteriores de extinção em massa. Todos os principais tipos morfológicos deles sobreviveram, e a extinção quase não tem nada a ver com sua morfologia, é apenas uma questão de sorte ou infortúnio.

O fóssil de Ambonychia ulrichi da Formação Ordoviciano Fairview do Condado de Warren, Ohio, cerca de 400 milhões de anos atrás, pertence à subclasse Pterozoa e tem semelhanças com as vieiras modernas.

(Fonte da imagem: sketchfab)

Os fósseis de gastrópodes (caracóis) da era Paleozóica também são muito semelhantes aos caracóis de hoje.

(Fonte da imagem: Referência 2)

O morfoespaço de outro táxon, os conodontes, não foi significativamente afetado pelo evento de extinção.

Ao contrário de outros clados, a diversidade morfológica dos conodontes diminuiu muito pouco durante a extinção em massa. Pelo contrário, após o primeiro pulso de extinção, o seu espaço morfológico aumentou em vez de diminuir, indicando que ainda estavam em casa durante o evento de extinção, explorando. uma variedade de novas formas, e os peixes são semelhantes, o que pode estar relacionado com a diminuição do número de seus competidores (como amonites, náutilos, etc., que também são carnívoros).

Mudanças morfológicas em extintos, sobreviventes e recém-chegados de seis clados durante a extinção em massa do Permiano-Triássico. O amarelo representa os recém-chegados, o vermelho representa os exterminadores e o verde representa os sobreviventes.

(Fonte da imagem: Referência 1)

Quatro modos diferentes de extinção seletiva, com linhas vermelhas representando eventos de extinção. a, extinção seletiva horizontal, como amonites; b, extinção seletiva de borda, incluindo braquiópodes e ostracodes c, extinção não seletiva, incluindo bivalves e gastrópodes; d, conodontes são de forma insignificante;

(Fonte da imagem: Referência 1)

Qual é o significado de “ler a sorte” nos fósseis?

Historicamente, as cinco extinções em massa ocorreram por diferentes razões, tais como erupções vulcânicas, alterações climáticas, impactos planetários, etc. Cada evento de extinção tem um impacto diferente no ambiente, e as criaturas que são afectadas por ele também são diferentes.

Por exemplo, as amonites confiaram na sua capacidade de resistir à hipóxia para sobreviver a muitas extinções em massa, mas durante a severa acidificação dos oceanos no final do Cretáceo, acabaram por extinguir-se porque as suas conchas calcárias não puderam ser formadas de forma significativa; extinção, mas não sobreviveu à extinção em massa menos severa do final do Triássico.

Reconstrução do conodonte Ozarkodina O conodonte é um vertebrado sem mandíbula que se parece com um pequeno peixe. A estrutura semelhante a um dente em sua boca tornou-se fossilizada, chamada de conodontes ou espinho. Eles conseguiram sobreviver à extinção em massa no final do Permiano, mas foram exterminados num evento de extinção menor no final do Triássico.

(Fonte da imagem: desenhada pelo autor)

Nos tempos modernos, o impacto das atividades humanas na Terra tem causado muitos problemas ambientais, tais como temperaturas extremamente altas, chuvas ácidas, destruição de florestas e habitats, invasões biológicas e poluição ambiental, causando uma nova onda de extinção.

Desde o nascimento da civilização humana, 83% dos animais selvagens foram extintos. A taxa de extinção de espécies é estimada em 100 vezes a taxa média de extinção antes do surgimento dos humanos. Quais espécies, grupos e ecossistemas têm maior probabilidade de serem extintos devido à influência humana no meio ambiente?

O professor Song Haijun disse que ao analisar as mudanças na diversidade morfológica nos registros fósseis, podemos prever e responder melhor às atuais ameaças à biodiversidade. Por exemplo, táxons com ampla distribuição geográfica (como as aves) podem sobreviver à destruição acidental do habitat, mas são incapazes de resistir quando o ambiente global muda simultaneamente, enquanto alguns táxons com forte capacidade de sobrevivência, mas com distribuição estreita (como os peixes das cavernas e os caracóis); podem ser resistentes às mudanças ambientais, mas uma vez destruídos os seus habitats, morrerão.

Em 9 de janeiro de 2019, o último caracol ágata conhecido no mundo, Achatinella apexfulva "George", faleceu aos 14 anos. Encontrados apenas no Havaí, esses caracóis eram abundantes no passado, mas estão ameaçados ou extintos devido à invasão de predadores.

(Fonte da imagem: Wikipédia)

Através do estudo de organismos extintos no passado, podemos aprender com a história, revelar o mecanismo de extinção e prever o risco de extinção de espécies biológicas, encontrar grupos com fraca capacidade de sobrevivência no ambiente atual e, além disso, protegê-los, utilizando tecnologia de IA - DeepMorph; Métodos automatizados de análise de fósseis paleontológicos também podem ser usados ​​como ponto de partida, fornecendo mais ideias e possibilidades para futuras pesquisas de intersecção entre aprendizagem profunda e geobiologia.

referências:

[1]Liu X, Song H, Chu D, et al. Seletividade heterogênea e evolução morfológica de clados marinhos durante a extinção em massa do Permiano-Triássico[J]. Nature Ecology & Evolution, 2024: 1-11.

[2] Frýda J, Nützel A, Wagner P J. Gastropoda paleozóico[J]. Filogenia e evolução dos moluscos, 2008: 239-270.

[3]Ciampaglio, CN (2004). Medindo mudanças na morfologia dos braquiópodes articulados antes e depois do evento de extinção em massa do Permiano: as restrições de desenvolvimento limitam a inovação morfológica? Evolução e Desenvolvimento, 6(4), 260–274.

[4]Villier, L. (2004). Disparidade morfológica de amonóides e a marca das extinções em massa do Permiano. Science, 306(5694), 264–266.

[5]Korn, D., Hopkins, MJ e Walton, SA, 2013, Espaço de extinção — Um método para quantificação e classificação de mudanças no morfoespaço através de limites de extinção: Evolution, v. 67, p. 2795–2810,

[6]Peng, Y., Shi, GR, Gao, Y., He, W., & Shen, S. (2007). Como e por que os Lingulidae (Brachiopoda) não apenas sobreviveram à extinção em massa do fim do Permiano, mas também prosperaram em suas consequências? Paleogeografia, Paleoclimatologia, Paleoecologia, 252(1-2), 118–131.

Produzido por: Popular Science China

Autor: Gu Mingdi Lian (criador científico popular)

Produtor: Expo Científica Popular da China