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地球的年齡約為45億至46億年，長(zhǎng)期以來，人們相對(duì)熟悉近5億年以來的生命演化歷程，但對(duì)于更古老的生命演化和多樣性變化的精細(xì)測(cè)定卻存在困難。針對(duì)這一難題，南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院研究員唐卿、中國(guó)科學(xué)院院士沈樹忠等聯(lián)合中外科研團(tuán)隊(duì)，繪制了一條早期地球生物多樣性曲線。該研究成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。這條曲線提供了哪些信息？對(duì)地外生命探索和地球未來宜居性有何啟示？讓我們深入了解唐卿研究員的發(fā)現(xiàn)。

這條曲線提供了哪些信息？

唐卿研究員這樣概括這條曲線："這條曲線反映了從20億年前到5億年前地球生物多樣性的變化情況，生命演化是一個(gè)從相對(duì)簡(jiǎn)單向復(fù)雜、從低等到高等的過程。"

從曲線中可以看出，大約在7.2億年前，地球生物的多樣性整體較低，演化速度較慢。隨著全球性大冰期事件結(jié)束，大約在6.35億年前之后，生物多樣性出現(xiàn)了顯著的急劇上升、下降再上升的趨勢(shì)。曲線變化趨勢(shì)表明，全球性的大冰期事件嚴(yán)重干擾了生命的演化進(jìn)程。

大冰期結(jié)束后，地表溫度回升、大氣氧含量上升，地球物種多樣性開始迅速增加，并頻繁發(fā)生大規(guī)模波動(dòng)，導(dǎo)致多次生物大輻射和大規(guī)模滅絕事件。這些現(xiàn)象進(jìn)一步證實(shí)了，生命從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的演化并非簡(jiǎn)單的線性歷程，而是呈現(xiàn)長(zhǎng)期滯緩與相對(duì)快速輻射交替發(fā)展的模式。

曲線還揭示了大冰期結(jié)束后一段時(shí)間地球生物急劇變化的歷史。大約在6.35億到5.8億年前，地球上發(fā)生了首次真核生物大輻射事件，緊接著發(fā)生了生物演化史上的第一次大滅絕事件。此后，包括動(dòng)物在內(nèi)的形態(tài)復(fù)雜生物迎來快速輻射。這些復(fù)雜生物在約5.51億至5.39億年前再次經(jīng)歷兩次明顯的多樣性下降，被認(rèn)為是動(dòng)物演化史上的前兩次大滅絕事件。

這條曲線是如何繪制出來的？

建立這條曲線經(jīng)歷了6年的研究。唐卿及其團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)早期地球古生物地層數(shù)據(jù)庫(kù)。論文共同通訊作者沈樹忠在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，目前數(shù)據(jù)庫(kù)包含地層剖面位置、年齡、產(chǎn)地、屬種、化石大小等多維度數(shù)據(jù)，共有13658條化石記錄，涉及263個(gè)地層剖面、2731個(gè)化石種、185個(gè)同位素年齡。

數(shù)據(jù)庫(kù)建立后，研究人員利用超級(jí)計(jì)算和人工智能等大數(shù)據(jù)分析方法，定量勾畫了復(fù)雜生命的起源、輻射、滅絕、再次輻射至現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)形成的歷史過程。

唐卿提到，學(xué)界此前繪制的多樣性曲線通常基于較粗的時(shí)間范圍作為統(tǒng)計(jì)點(diǎn)，這導(dǎo)致時(shí)間分辨率不高。而他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)采用最新的計(jì)算方法——約束優(yōu)化法，能夠構(gòu)建不分時(shí)段的多樣性曲線，極大地提高了時(shí)間分辨率，能夠捕捉更多時(shí)間點(diǎn)的細(xì)節(jié)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)擴(kuò)大了數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)量，從而繪制出了一條高精度的生物多樣性曲線。

唐卿介紹，他們通過超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，首先確定了每一個(gè)化石物種的起源和滅絕時(shí)間，然后統(tǒng)計(jì)出每個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)的物種數(shù)量，用于計(jì)算該時(shí)間點(diǎn)的生物多樣性，最終形成化石物種多樣性的時(shí)間變化曲線。一個(gè)重大的突破在于，他們采用大數(shù)據(jù)分析方法，定量地向大家展示了某個(gè)具體時(shí)間點(diǎn)的生物多樣性狀況。

環(huán)境因素對(duì)生物多樣性產(chǎn)生顯著影響。

地表溫度、氧氣含量等環(huán)境因素的驟變對(duì)早期地球生命系統(tǒng)的演化產(chǎn)生了巨大影響。唐卿指出，在溫度急劇下降、氧氣含量急劇降低等極端條件下，許多生物無法適應(yīng)環(huán)境變化。當(dāng)氧氣含量逐漸升高、溫度變得適宜時(shí)，生命的復(fù)雜程度隨之提升，生物多樣性也會(huì)隨之增加。

生命演化總體上是與環(huán)境相互協(xié)同進(jìn)化的過程。地球的演化經(jīng)歷了相對(duì)不太適宜生物生存的階段，最終演變?yōu)楝F(xiàn)在相對(duì)適宜的環(huán)境。唐卿認(rèn)為，這一過程可以幫助我們預(yù)測(cè)，隨著環(huán)境的變化，未來的地球生命將如何反應(yīng)——如果當(dāng)前不采取有效措施控制溫度持續(xù)升高的趨勢(shì)，未來生物多樣性可能會(huì)急劇下降。

本研究對(duì)探索地外生命有何啟示？

唐卿表示，早期地球的環(huán)境并不適宜生物的生存，通過研究環(huán)境與生命演化的復(fù)雜關(guān)系，可以對(duì)地外生命探索提供一定的參考。

在已知的地外行星中，火星可能是早期有生命存在的地方。可以將地球二三十億年前的環(huán)境狀態(tài)與火星在同一時(shí)期的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。如果兩者環(huán)境狀態(tài)一致，并且在地球二三十億年前的地層中能夠發(fā)現(xiàn)化石遺跡，那么火星上也可能存在類似的化石證據(jù)。

作者：

南京大學(xué)新聞傳播學(xué)院 李曉寧 黃瑩 林雨軒 胡雅凡

9. 指導(dǎo)老師：

南京大學(xué)新聞傳播學(xué)院的教授 莊永志

現(xiàn)代快報(bào)/現(xiàn)代+記者團(tuán)隊(duì) 朱俊駿與于露