Новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Будь то на Востоке или на Западе, «гадание» звучит как вещь суеверная и загадочная, но когда это слово появляется в мире ученых, его значение становится «путем индуктивного анализа известной информации, спекуляции на эволюции форм жизни». » Ученые могут «погадать» и сделать научные выводы – у разных животных разный внешний вид действительно может повлиять на судьбу в случае вымирания.

В июне 2024 года Сун Хайцзюнь, профессор Школы наук о Земле Китайского университета геонаук (Ухань), возглавил группу по проведению исследования «гадания» по окаменелостям.

Они использовали технологию глубокого обучения и методы автоматизации, которые мы называем искусственным интеллектом, для изучения эволюции биологических форм во время крупнейшего события вымирания в истории - пермско-триасового вымирания, показывая, как в этом «разрушающем мир» массовом вымирании, как различная «внешность» морских существ определяет их судьбу.

Кто с большей вероятностью переживет массовое вымирание: гигантские динозавры или крошечные млекопитающие мезозоя? Вопрос может быть простым, но будет ли вывод таким же для других организмов или для других массовых вымираний?

(Источник изображения: Википедия)

Имеет ли выживание или разрушение какое-либо отношение к «внешности»?

В истории Земли произошло пять событий массового вымирания, самым известным из которых, возможно, является падение астероида на Землю в конце мелового периода. Вероятно, оно стало причиной вымирания всего высокого и могущественного. динозавры того времени. Низшие млекопитающие выжили, а один вид в конечном итоге превратился в нас, людей.

Фактически этот факт показывает, что при вымирании в конце мелового периода вымирание или нет было тесно связано с «внешним видом», то есть формой животного – животные, которые становились крупнее, нуждались в большем количестве пищи и чаще были умереть от голода во время вымирания.

Однако для самого серьезного массового вымирания в истории, массового вымирания в конце перми, которое произошло около 252 миллионов лет назад, корреляция между морфологией животных и вымиранием менее ясна. Это массовое вымирание известно как «мать массовых вымираний», в результате чего исчезло до 96% морских существ, включая знаменитых трилобитов и мечехвостов.

Массовое вымирание в конце перми было самым жестоким массовым вымиранием в истории, и в результате этого вымирания исчезли знаменитые трилобиты.

(Источник изображения: Википедия)

Это событие вымирания длилось долгое время и происходило в две фазы: постепенную фазу, продолжавшуюся около миллионов лет, и пиковый период за последний 1 миллион лет. Некоторые животные вымирают в постепенной фазе, в то время как многие другие вымирают в пиковой фазе, например, массовое вымирание мелких ракообразных и остракод (Ostracoda) и массовое вымирание крупных стационарных брахиопод, питающихся фильтрами (Brachiopoda), последовательно Разница составляет от 720 000 до 1,22 миллиона лет.

Поскольку причины и сроки вымирания разных видов животных несовместимы, а вымерло много людей, почти все животные, независимо от их формы, вымерли. Лишь небольшое количество видов успешно пережило этот кризис, и корреляцию между формой и вымиранием невозможно просто вывести. Поэтому в прошлых исследованиях у ученых не было однозначного ответа на вопрос, было ли это вымирание избирательным для морфологии животных.

Как ИИ «предсказывает судьбу»?

Помимо сложности самого вымирания, технические ограничения также ограничивают исследования ученых по вымиранию в конце Пермского периода.

В прошлом изучение взаимосвязи между вымиранием и морфологией требовало от ученых вручную анализировать морфологию окаменелостей. Им приходилось сравнивать каждую окаменелость или изображение окаменелости, чтобы сравнить палеонтологических существ с одинаковой формой до события вымирания и после события вымирания (например,). заостренные, колючие, гладкие, тонкие и плоские раковины, широкие и круглые раковины) классифицируются соответственно и наблюдают, меняется ли доля животных с одинаковой формой до и после события вымирания.

На результаты, полученные в результате таких «традиционных исследований», большое влияние оказывают выбранные учеными объекты исследования и принятые методы исследования.

Например, исследования с использованием традиционных методов морфологического описания показали, что морфологические различия у аммоноидей (дальних родственников наутилуса) немного уменьшились во время вымирания, что позволяет предположить, что событие вымирания, наоборот, не было морфологически избирательным, используя другие методы исследования, например; Комплексный анализ дискретных признаков (комплексный анализ, основанный на максимальном и минимальном диапазоне морфологических изменений, сумме дисперсий данных и медиане данных) показывает, что морфологическое разнообразие аммонитов значительно сократилось во время вымирания, что подтверждает морфологический отбор событие вымирания.

Чтобы сделать более точные выводы, необходимо иметь достаточно большой объем выборки и использовать более точные методы анализа. В этом типе анализа больших данных зарождающаяся технология искусственного интеллекта, несомненно, имеет большой потенциал.

Для достижения этой цели команда профессора Сун Хайджуна разработала процесс анализа под названием DeepMorph, который сочетает в себе технологию глубокого обучения для извлечения особенностей из изображений с геометрическими морфометрическими методами для автоматического анализа контуров ископаемых образцов и эффективного захвата морфологии окаменелостей, упрощая их. двухмерную плоскую фигуру, тем самым четко различая различные морфологические типы, а затем повторяя этот процесс путем многократного отбора проб.

С этой целью команда профессора Сун Хайцзюня собрала обширную базу данных, которая содержит изображения ископаемых образцов шести широко известных морских палеонтологических организмов во время массового вымирания в конце пермского периода, включая аммоноидей, близких родственников наутилуса, у которых были двойные раковины. , брахиоподы-фильтраторы, остракоды с двумя панцирными «пельменями с креветками», двустворчатые моллюски (моллюски) и брюхоногие моллюски (улитки), а также позвоночные конодонты с острыми зубами.

Эта база данных включает 599 родов, представленных 656 изображениями до и после вымирания, охватывающих период от чансина поздней перми до индийского этапа раннего триаса, с 254,14 миллиона лет назад до 250,7 миллиона лет назад, что обеспечивает надежную поддержку больших данных для Глубокое обучение ИИ.

a: Принцип работы DeepMorph. Изображения образцов типов, собранные из публикаций, преобразуются в двоичный формат посредством сегментации модели U2-Net, а затем извлекаются очертания окаменелостей и морфологические особенности и включаются в базу данных. b: преобразовать морфологию в данные многомерного нормального распределения; c: использовать данные многомерного нормального распределения для выполнения выборочного моделирования вымирания и, наконец, создать диаграмму шаблона вымирания для выборочного шаблона.

(Источник изображения: Ссылка 1)

Одинакова ли связь между «внешностью» и судьбой у животных разных групп?

Анализ данных DeepMorph аналогичен анализу дискретных признаков. Сумма диапазонов (SOR), все диапазоны, занимаемые данными, определяются самой особой формой, например, самая гладкая оболочка — 0, самая грубая — 10 и диапазон составляет 0–10), анализ суммы дисперсии (SOV, сумма дисперсий каждого данных и среднего значения, указывающего на разнообразие данных) и анализа положения центроида (POC, медиана данных) как средство Сделайте вывод об избирательности событий вымирания по морфологии.

Исследования показали, что связь между «внешностью» и судьбой неодинакова для разных групп животных. Во время массового вымирания наиболее вымершими видами в большинстве типов были крупные животные со сложными или сильными украшениями на панцире (такими как шипы, ребра и опухоли), тогда как у конодонтов не было обнаружено никаких признаков морфологического избирательного вымирания.

До и после вымирания аммониты вымерли главным образом из-за сложных и очень декоративных структур на их раковинах. Это отражено в данных: большее количество вымираний происходит по одну сторону от средней точки, что называется асимметричным избирательным вымиранием.

Ceratitida и Prolecanitida, чьи раковины плоские, гладкие и менее декоративные, пережили массовое вымирание и быстро превратились во множество новых типов, но формы новых типов также в целом сохранили свой гладкий вид, что указывает на наличие сильной корреляции между ними. появление аммонитов и вымирают ли они.

Морфологический ареал (сумма ареалов) различных животных в чансинском ярусе поздней перми (оранжевый), переходном слое (серый) и индийском ярусе раннего триаса (синий). Хризантемы (а), брахиоподы (б), остракоды (в), двустворчатые моллюски (г), брюхоногие моллюски (д) и конодонты (е). Можно увидеть модели различных вымираний.

(Источник изображения: Ссылка 1)

Все данные по брахиоподам значительно снизились, а богатство уровня рода упало на 96,65%, что указывает на вымирание большинства брахиопод в этот период. Они серьезно пострадали главным образом потому, что их толстые раковины требуют большого количества карбоната кальция, а закисление океана серьезно препятствовало образованию кальциевых раковин. В результате почти все виды со сложной, толстой и декорированной раковиной вымерли.

Большинство их выживших и вновь прибывших происходят от более простой морфологии спириферид и мелкоротых моллюсков ринхонеллид. Эти животные меньше по размеру, имеют упрощенный рисунок и полупрозрачные раковины, что снижает использование кальция, в то время как остракоды относятся к основным группам. вымерших насекомых представляли собой специализированные группы с самыми тонкими и толстыми панцирями.

Эти два таксона продемонстрировали незначительное селективное вымирание, в результате которого наиболее специализированные таксоны были уничтожены, как выстрел в голову. По сравнению с более разнообразными формами перми брахиоподы и остракоды триаса сохранили примерно среднюю форму, при этом сохранились наиболее распространенные из них.

Современный моллюск Terebratalia transversa имеет тонкую полупрозрачную раковину.

(Источник изображения: Википедия)

Существующие остракоды похожи на креветку, завернутую в двухлепестковый панцирь. Их многочисленные панцири являются важными ископаемыми в пластах.

(Источник изображения: Полярная жизнь Канады)

Вымирание брюхоногих и двустворчатых моллюсков, знакомых нам групп, улиток и двустворчатых моллюсков, не имеет определенной связи с морфологией.

Каждый, кто выращивал или наблюдал улиток и моллюсков, оценит их способность выживать в таких условиях, как мутность, перегрев или недостаток кислорода, они также могут долго жить, полагаясь на свою энергию; собственные запасы и водоросли, растущие на стенках резервуара, что является одной из причин, почему они смогли пережить предыдущие массовые вымирания. Все основные морфологические типы их сохранились, и вымирание почти не связано с их морфологией, это просто вопрос удачи или несчастья.

Окаменелость Ambonychia ulrichi ордовикской формации Фэрвью из округа Уоррен, штат Огайо, произошедшая около 400 миллионов лет назад, принадлежит к подклассу Pterozoa и имеет сходство с современными гребешками.

(Источник изображения: SketchFab)

Окаменелости брюхоногих моллюсков палеозойской эры также очень похожи на сегодняшних улиток.

(Источник изображения: Ссылка 2)

Морфоспространство другого таксона, конодонтов, вымирание существенно не повлияло.

В отличие от других клад, морфологическое разнообразие конодонтов во время массового вымирания уменьшилось очень незначительно. Напротив, после первого импульса вымирания их морфологическое пространство увеличилось, а не уменьшилось, что указывает на то, что во время вымирания они все еще находились дома, исследуя. разнообразие новых форм, а рыбы сходны, что может быть связано с уменьшением числа их конкурентов (таких как аммониты, наутилусы и др., которые также являются плотоядными).

Морфологические изменения у вымерших, выживших и пришельцев шести клад во время пермско-триасового массового вымирания. Желтый цвет представляет новичков, красный — истребителей, а зеленый — выживших.

(Источник изображения: Ссылка 1)

Четыре различных режима выборочного вымирания, красные линии обозначают события вымирания. а — горизонтальное избирательное вымирание, например аммонитов; б — краевое избирательное вымирание, в том числе брахиопод и остракод; в — неизбирательное вымирание, в том числе двустворчатых моллюсков и брюхоногих моллюсков; г — вымирают конодонты.

(Источник изображения: Ссылка 1)

В чем смысл «гадания» на окаменелостях?

В истории пять массовых вымираний произошли по разным причинам, таким как извержения вулканов, изменение климата, планетарные воздействия и т. д. Каждое событие вымирания оказало различное влияние на окружающую среду, и существа, на которых оно повлияло, также были разными.

Например, аммониты пережили множество массовых вымираний, полагаясь на свою способность противостоять гипоксии, но во время сильного закисления океана в конце мелового периода они в конечном итоге вымерли, поскольку их известковые раковины не смогли сформироваться существенно; вымирание, но не пережило менее серьезное массовое вымирание в конце триаса.

Реконструкция конодонта Озаркодина. Конодонт — бесчелюстное позвоночное животное, похожее на небольшую рыбку. Зубоподобная структура во рту у него окаменевшая, называемая конодонтами или зубами. Им удалось пережить массовое вымирание в конце пермского периода, но они были уничтожены в результате меньшего вымирания в конце триаса.

(Источник изображения: Рисунок автора)

В наше время воздействие человеческой деятельности на Землю вызвало множество экологических проблем, таких как экстремально высокие температуры, кислотные дожди, разрушение лесов и мест обитания, биологические инвазии и загрязнение окружающей среды, вызывающее новую волну вымирания.

С момента зарождения человеческой цивилизации 83% диких животных вымерли. По оценкам, скорость вымирания видов в 100 раз превышает среднюю скорость вымирания до появления человека. Какие виды, таксоны и экосистемы с большей вероятностью вымрут из-за воздействия человека на окружающую среду?

Профессор Сонг Хайджун заявил, что, анализируя изменения в морфологическом разнообразии ископаемых летописей, мы можем лучше прогнозировать и реагировать на текущие угрозы биоразнообразию. Например, таксоны с широким географическим распространением (например, птицы) могут пережить случайное разрушение среды обитания, но они не способны противостоять одновременному изменению глобальной окружающей среды, в то время как некоторые таксоны с высокой способностью к выживанию, но узким распространением (например, пещерные рыбы и улитки) могут быть устойчивы к изменениям окружающей среды, но как только их среда обитания будет разрушена, они погибнут.

9 января 2019 года в возрасте 14 лет скончалась последняя известная в мире агатовая улитка Achatinella apexfulva «George». Эти улитки, обитающие только на Гавайях, в прошлом были многочисленными, но сейчас находятся под угрозой исчезновения или вымерли из-за вторжения хищников.

(Источник изображения: Википедия)

Изучая вымершие в прошлом организмы, мы можем извлечь уроки из истории, раскрыть механизм вымирания и предсказать риск вымирания биологических видов, найти группы с плохой способностью к выживанию в нынешней среде и защитить их, кроме того, используя технологию искусственного интеллекта — DeepMorph; Автоматизированные методы анализа палеонтологических окаменелостей также можно использовать в качестве отправной точки, предоставляя больше идей и возможностей для будущих исследований на стыке глубокого обучения и геобиологии.

Рекомендации:

[1]Лю X, Сонг Х, Чу Д и др. Гетерогенная селективность и морфологическая эволюция морских клад во время пермско-триасового массового вымирания [J]. Nature Ecology & Evolution, 2024: 1-11.

[2] Фрида Й., Нютцель А., Вагнер П. Й. Палеозойские брюхоногие моллюски [J]. Филогения и эволюция моллюсков, 2008: 239-270.

[3]Ciampaglio, CN (2004). Измерение изменений в морфологии членистых брахиопод до и после массового вымирания в пермском периоде: ограничивают ли ограничения развития морфологические инновации? Эволюция и развитие, 6(4), 260–274.

[4]Вилье, Л. (2004). Морфологическое различие аммоноидей и признаки пермских массовых вымираний. Science, 306(5694), 264–266.

[5]Корн, Д., Хопкинс, М.Дж. и Уолтон, С.А., 2013, Пространство вымирания — метод количественной оценки и классификации изменений в морфопространстве через границы вымирания: Эволюция, т. 67, стр. 2795–2810,

[6]Пэн, И., Ши, ГР, Гао, И., Хе, В. и Шен, С. (2007). Как и почему Lingulidae (Brachiopoda) не только пережили массовое вымирание в конце пермского периода, но и процветали после него? Палеогеография, палеоклиматология, палеоэкология, 252(1-2), 118–131.

Продюсер: Popular Science China

Автор: Гу Минди Лянь (создатель научно-популярной литературы)

Производитель: China Popular Science Expo