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Ya sea en Oriente u Occidente, "adivinación" suena como algo supersticioso y misterioso, pero cuando esta palabra aparece en el mundo de los científicos, su significado pasa a ser "a través del análisis inductivo de información conocida, especulando sobre la evolución de las formas de vida". " Los científicos pueden "adivinar" y sacar conclusiones científicas: para diferentes animales, sus diferentes apariencias pueden afectar su destino en la extinción.

En junio de 2024, Song Haijun, profesor de la Facultad de Ciencias de la Tierra de la Universidad de Geociencias de China (Wuhan), dirigió un equipo para realizar un estudio sobre la "adivinación" de los fósiles.

Utilizaron tecnología de aprendizaje profundo y métodos de automatización, que es lo que llamamos IA, para estudiar la evolución de las formas biológicas durante el evento de extinción más grande de la historia: el evento de extinción del Pérmico-Triásico, revelando cómo en esta extinción masiva que "destruye el mundo", ¿Cómo determinaron su destino las diferentes "apariencias" de las criaturas marinas?

¿Cuáles tendrían más probabilidades de sobrevivir a una extinción masiva, los dinosaurios gigantes o los diminutos mamíferos mesozoicos? La pregunta puede ser fácil, pero ¿la conclusión sería la misma para otros organismos o para otras extinciones masivas?

(Fuente de la imagen: Wikipedia)

¿Tiene algo que ver la supervivencia o la destrucción con la "apariencia"?

En la historia de la Tierra ha habido cinco eventos de extinción masiva, el más famoso de los cuales puede ser el impacto de un asteroide contra la Tierra a finales del período Cretácico. Probablemente fue la causa de la extinción de todos los altos y poderosos. dinosaurios en aquella época. Los mamíferos inferiores sobrevivieron y una especie finalmente evolucionó hasta convertirse en nosotros, los humanos.

De hecho, este hecho muestra que en la extinción al final del Cretácico, la extinción o no estuvo estrechamente relacionada con la "apariencia", es decir, la forma del animal: los animales que crecían necesitaban más alimento y eran más propensos a morir de hambre durante la extinción.

Sin embargo, en el caso del evento de extinción masiva más grave de la historia, la extinción masiva del final del Pérmico que ocurrió hace unos 252 millones de años, la correlación entre la morfología animal y la extinción es menos clara. Esta extinción masiva es conocida como la "madre de las extinciones masivas", provocando la desaparición de hasta el 96% de las criaturas marinas, incluidos los famosos trilobites y los cangrejos herradura.

La extinción masiva al final del Pérmico fue la extinción masiva más grave de la historia, y los famosos trilobites desaparecieron en esta extinción.

(Fuente de la imagen: Wikipedia)

Este evento de extinción duró mucho tiempo y se produjo en dos fases, una fase gradual que duró aproximadamente millones de años y un período máximo en el último millón de años. Algunos animales se extinguen en la fase gradual, mientras que muchos más se extinguen en la fase máxima, como la extinción masiva de pequeños crustáceos y ostrácodos (Ostracoda), y la extinción masiva de grandes braquiópodos estacionarios que se alimentan por filtración (Brachiopoda), sucesivamente. La diferencia es de 720.000 a 1,22 millones de años.

Dado que las causas y los tiempos de extinción de los diferentes tipos de animales son inconsistentes y hay muchas personas que se han extinguido, casi todos los animales, independientemente de su forma, se han extinguido. Sólo un pequeño número de especies han sobrevivido con éxito a esta crisis. La correlación entre forma y extinción no puede deducirse simplemente. Por lo tanto, en estudios anteriores, los científicos no han tenido una respuesta definitiva sobre si este evento de extinción fue selectivo para la morfología animal.

¿Cómo “dice la fortuna” la IA?

Además de la complejidad del evento de extinción en sí, las limitaciones técnicas también limitan la investigación de los científicos sobre la extinción del final del Pérmico.

En el pasado, estudiar la relación entre extinción y morfología requería que los científicos analizaran manualmente la morfología de los fósiles. Tenían que comparar cada fósil o imagen fósil para comparar las criaturas paleontológicas con la misma forma antes y después del evento de extinción (como puntiagudas, puntiagudos, etc.) Conchas espinosas, lisas, delgadas y planas, conchas anchas y redondas) se clasifican por separado y se observa si la proporción de animales con la misma forma cambia antes y después del evento de extinción.

Los resultados obtenidos por esta "investigación tradicional" se ven muy afectados por los objetos de investigación seleccionados por los científicos y los métodos de investigación adoptados.

Por ejemplo, los estudios que utilizan métodos tradicionales de descripción morfológica han demostrado que las diferencias morfológicas en los amonoides (un pariente lejano del nautilo) se redujeron poco durante el evento de extinción, lo que sugiere que el evento de extinción no fue morfológicamente selectivo, por el contrario, utilizando otros métodos de investigación, p. Un análisis integral de características discretas (análisis integral basado en el rango máximo y mínimo de cambios morfológicos, la suma de las variaciones de los datos y la mediana de los datos) muestra que la diversidad morfológica de los amonites se redujo significativamente durante el evento de extinción, lo que respalda la selección morfológica de el evento de extinción.

Para sacar conclusiones más precisas, es necesario tener un tamaño de muestra lo suficientemente grande y utilizar métodos de análisis más precisos. En este tipo de análisis de big data, la incipiente tecnología de IA sin duda tiene un gran potencial.

Para lograr este objetivo, el equipo del profesor Song Haijun desarrolló un proceso de análisis llamado DeepMorph, que combina tecnología de aprendizaje profundo para extraer características de imágenes con métodos morfométricos geométricos para analizar automáticamente el contorno de especímenes fósiles y capturar fósiles de manera efectiva, simplificándolos. una figura plana bidimensional, distinguiendo así claramente varios tipos morfológicos, y luego repitiendo este proceso a través de múltiples muestreos.

Con este fin, el equipo del profesor Song Haijun compiló una base de datos completa que contiene imágenes de especímenes fósiles de seis organismos paleontológicos marinos ampliamente registrados durante la extinción masiva del final del Pérmico, incluidos los amonoides, los parientes cercanos del nautilo, que tenían conchas dobles. , braquiópodos que se alimentan por filtración, ostrácodos con dos "empanadillas de camarón" de carne envueltas en el caparazón, bivalvos (almejas) y gasterópodos (caracoles), y conodontes vertebrados con dientes afilados.

Esta base de datos incluye 599 géneros representados por 656 imágenes antes y después del evento de extinción, que abarca la etapa Changxing del Pérmico tardío hasta la etapa india del Triásico temprano, desde hace 254,14 millones de años hasta hace 250,7 millones de años, lo que proporciona un sólido soporte de big data para El aprendizaje profundo de la IA.

a: El principio de funcionamiento de DeepMorph Type Las imágenes de especímenes recopiladas de publicaciones se convierten a formato binario mediante la segmentación del modelo U2-Net y luego los contornos de los fósiles y las características morfológicas se extraen y se incluyen en la base de datos. b: convertir la morfología en datos de distribución normal multivariada c: utilizar datos de distribución normal multivariada para realizar una simulación de extinción selectiva y finalmente generar el diagrama de patrón de extinción del patrón selectivo.

(Fuente de la imagen: Referencia 1)

¿Es la relación entre “apariencia” y destino la misma para animales de diferentes grupos?

El análisis de datos de DeepMorph es similar al análisis de características discretas. La suma de rangos (SOR), todos los rangos ocupados por los datos, están determinados por la forma más especial, por ejemplo, la capa más suave es 0, la más rugosa es 10 y la más suave es 10. el rango es 0 -10), suma de varianzas (SOV, la suma de las varianzas de cada dato y la media, que indica la diversidad de los datos) y análisis de la posición del centroide (POC, la mediana de los datos) como medio para "Inferir la selectividad de los eventos de extinción en la morfología".

Las investigaciones han descubierto que la relación entre "apariencia" y destino no es la misma para diferentes grupos de animales. Durante la extinción masiva, las especies más extintas en la mayoría de los filos fueron animales grandes con patrones complejos o fuertes en sus caparazones (como espinas, costillas y tumores), mientras que los conodontes no mostraron signos de extinción morfológica selectiva.

Antes y después del evento de extinción, los amonites se extinguieron principalmente debido a las estructuras complejas y altamente decorativas de sus caparazones. Esto se refleja en los datos, con más extinciones ocurriendo en un lado del punto medio, lo que se llama extinción selectiva asimétrica.

Ceratitida y Prolecanitida, cuyas conchas son planas, lisas y menos decorativas, sobrevivieron a la extinción masiva y evolucionaron rápidamente hacia muchos tipos nuevos, pero las formas de los nuevos tipos también mantuvieron en general su apariencia suave, lo que indica que existe una fuerte correlación entre ellas. la aparición de amonitas y si se extinguen.

El rango de distribución morfológica (suma de rangos) de varios animales en la etapa Changxing del Pérmico Tardío (naranja), la capa de transición (gris) y la etapa india del Triásico Temprano (azul). Los crisantemos son (a), los braquiópodos son (b), los ostrácodos son (c), los bivalvos son (d), los gasterópodos son (e) y los conodontes son (f). Se pueden ver diferentes modelos de extinciones.

(Fuente de la imagen: Referencia 1)

Todos los datos sobre braquiópodos se han reducido significativamente y la riqueza del nivel del género se ha reducido en un 96,65%, lo que indica que la mayoría de los braquiópodos se han extinguido durante este período. Se vieron gravemente afectados principalmente porque sus gruesas conchas requieren grandes cantidades de carbonato de calcio, y la acidificación de los océanos dificultó gravemente la formación de conchas de calcio. Como resultado, casi todas las especies con conchas complejas, gruesas y decoradas se extinguieron.

La mayoría de sus supervivientes y recién llegados provienen de la morfología más simple de los espiriferidos y los mariscos de boca pequeña Rhynchonellid. Estos animales son de menor tamaño, tienen patrones simplificados y tienen caparazones translúcidos que reducen el uso de calcio, mientras que los ostrácodos son los principales grupos de. Los insectos que se extinguieron eran grupos especializados con caparazones más finos y gruesos.

Estos dos taxones mostraron una extinción selectiva marginal, que eliminó a los taxones más especializados como un disparo en la cabeza. En comparación con las formas más diversas del Pérmico, los braquiópodos y ostrácodos del Triásico mantuvieron una forma aproximadamente promedio, sobreviviendo los más comunes.

El actual marisco de boca chica Terebratalia transversa tiene una fina concha translúcida.

(Fuente de la imagen: Wikipedia)

Los ostrácodos existentes son como un camarón envuelto en un caparazón de dos pétalos. Sus numerosos caparazones son fósiles importantes en los estratos.

(Fuente de la imagen: Vida polar de Canadá)

La extinción de gasterópodos y bivalvos, los grupos que conocemos, caracoles y bivalvos, no tiene una relación definida con la morfología.

Todo aquel que haya criado u observado caracoles y almejas apreciará su capacidad para sobrevivir en condiciones como turbiedad, sobrecalentamiento o falta de oxígeno, incluso cuando no hay alimento, también pueden sobrevivir por mucho tiempo dependiendo de su vida. propias reservas y las algas que crecen en las paredes del tanque, que es una de las razones por las que han podido sobrevivir a anteriores extinciones masivas. Todos los tipos morfológicos principales han sobrevivido y la extinción casi no tiene nada que ver con su morfología, es solo una cuestión de suerte o desgracia.

El fósil de Ambonychia ulrichi de la Formación Fairview del Ordovícico del condado de Warren, Ohio, hace unos 400 millones de años, pertenece a la subclase Pterozoa y tiene similitudes con las vieiras modernas.

(Fuente de la imagen: sketchfab)

Los fósiles de gasterópodos (caracoles) de la era Paleozoica también son muy similares a los caracoles actuales.

(Fuente de la imagen: Referencia 2)

El morfoespacio de otro taxón, los conodontes, no se vio afectado significativamente por el evento de extinción.

A diferencia de otros clados, la diversidad morfológica de los conodontes disminuyó muy poco durante la extinción masiva. Por el contrario, después del primer pulso de extinción, su espacio morfológico aumentó en lugar de disminuir, lo que indica que todavía estaban en casa durante el evento de extinción, explorando. una variedad de nuevas formas, y los peces son similares, lo que puede estar relacionado con la disminución del número de sus competidores (como amonitas, nautilos, etc., que también son carnívoros).

Cambios morfológicos en extintos, supervivientes y recién llegados de seis clados durante la extinción masiva del Pérmico-Triásico. El amarillo representa a los recién llegados, el rojo representa a los exterminadores y el verde representa a los supervivientes.

(Fuente de la imagen: Referencia 1)

Cuatro modos de extinción selectiva diferentes, con líneas rojas que representan eventos de extinción. a, extinción selectiva horizontal, como amonitas; b, extinción selectiva de borde, incluidos braquiópodos y ostrácodos; c, extinción no selectiva, incluidos bivalvos y gasterópodos; d, los conodontos se extinguen;

(Fuente de la imagen: Referencia 1)

¿Cuál es el significado de “adivinar el futuro” sobre los fósiles?

En la historia, las cinco extinciones masivas ocurrieron por diferentes motivos, como erupciones volcánicas, cambio climático, impactos planetarios, etc. Cada evento de extinción tuvo un impacto diferente en el medio ambiente, y las criaturas que se vieron afectadas por él también fueron diferentes.

Por ejemplo, los amonites dependieron de su capacidad para resistir la hipoxia para sobrevivir a muchas extinciones masivas, pero durante la severa acidificación del océano al final del Cretácico, finalmente se extinguieron porque sus caparazones calcáreos no pudieron formarse. extinción, pero no sobrevivió a la extinción masiva menos grave del final del Triásico.

Reconstrucción del conodonte Ozarkodina El conodonte es un vertebrado sin mandíbulas que parece un pez pequeño. La estructura en forma de diente en su boca se ha fosilizado, llamada conodontos o dientes. Se las arreglaron para sobrevivir a la extinción masiva al final del Pérmico, pero fueron aniquilados en un evento de extinción menor al final del Triásico.

(Fuente de la imagen: dibujada por el autor)

En los tiempos modernos, el impacto de las actividades humanas en la tierra ha causado muchos problemas ambientales, como temperaturas extremadamente altas, lluvia ácida, destrucción de bosques y hábitats, invasiones biológicas y contaminación ambiental, provocando una nueva ola de extinción.

Desde el nacimiento de la civilización humana, el 83% de los animales salvajes se han extinguido. Se estima que la tasa de extinción de especies es 100 veces la tasa promedio de extinción antes de la aparición de los humanos. ¿Qué especies, taxones y ecosistemas tienen más probabilidades de extinguirse debido a la influencia humana en el medio ambiente?

El profesor Song Haijun dijo que al analizar los cambios en la diversidad morfológica en los registros fósiles, podemos predecir y responder mejor a las amenazas actuales a la biodiversidad. Por ejemplo, los taxones con amplia distribución geográfica (como las aves) pueden sobrevivir a la destrucción accidental del hábitat, pero no pueden resistir una vez que el entorno global cambia simultáneamente, mientras que algunos taxones con una gran capacidad de supervivencia pero con una distribución limitada (como los peces de las cavernas y los caracoles); pueden ser resistentes a los cambios ambientales, pero una vez que se destruyan sus hábitats, morirán.

El 9 de enero de 2019 falleció el último caracol ágata conocido en el mundo, Achatinella apexfulva "George", a la edad de 14 años. Estos caracoles, que se encuentran únicamente en Hawái, abundaban en el pasado, pero están en peligro o extintos debido a la invasión de depredadores.

(Fuente de la imagen: Wikipedia)

A través del estudio de organismos extintos en el pasado, podemos aprender de la historia, revelar el mecanismo de extinción y predecir el riesgo de extinción de especies biológicas, encontrar grupos con poca capacidad de supervivencia en el entorno actual y, además, protegerlos, utilizar tecnología de inteligencia artificial: DeepMorph; Los métodos automatizados para analizar fósiles paleontológicos también se pueden utilizar como punto de partida, proporcionando más ideas y posibilidades para futuras investigaciones sobre la intersección entre el aprendizaje profundo y la geobiología.

referencias:

[1] Liu X, Song H, Chu D, et al. Selectividad heterogénea y evolución morfológica de clados marinos durante la extinción masiva del Pérmico-Triásico[J]. Nature Ecology & Evolution, 2024: 1-11.

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[3]Ciampaglio, CN (2004). Medición de los cambios en la morfología de los braquiópodos articulados antes y después de la extinción masiva del Pérmico: ¿limitan las limitaciones del desarrollo la innovación morfológica? Evolución y desarrollo, 6(4), 260–274.

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[6]Peng, Y., Shi, GR, Gao, Y., He, W., y Shen, S. (2007). ¿Cómo y por qué los Lingulidae (Brachiopoda) no solo sobrevivieron a la extinción masiva del final del Pérmico, sino que también prosperaron después de ella? Paleogeografía, Paleoclimatología, Paleoecología, 252(1-2), 118–131.

Producido por: Popular Science China

Autor: Gu Mingdi Lian (creador de ciencia popular)

Productor: Exposición de Ciencias Populares de China