Model AI Dilatih Menggunakan Hampir Empat Juta Fosil Mencabar Naratif Lima Kepupusan Besar

Gambaran lebih jelas tentang kepupusan purba

Model kecerdasan buatan yang dilatih menggunakan hampir empat juta fosil menunjukkan bahawa tiga daripada lima kepupusan besar paling terkenal di Bumi berlaku sebagai kemerosotan biodiversiti secara beransur-ansur, bukannya kepupusan mendadak. Rekonstruksi yang dinamakan OneStrata ini menggabungkan himpunan besar pemerhatian fosil dalam perdebatan tentang seberapa cepat kehidupan lenyap semasa krisis biologi terbesar di planet ini.

Shuzhong Shen, ahli paleontologi di Universiti Nanjing di China, membentangkan penyelidikan itu pada mesyuarat Persatuan Geologi Amerika di Denver, Colorado, pada 12 Oktober. Rakan-rakannya di Zhejiang Lab, sebuah institusi yang memfokuskan kecerdasan buatan di Hangzhou, membangunkan model itu menggunakan pangkalan data yang dihimpunkan melalui kerja selama kira-kira dua dekad.

Isu utamanya ialah masa. Kehilangan besar spesies yang berlaku selama ratusan ribu tahun memberikan gambaran berbeza berbanding kehilangan setara yang tertumpu dalam tempoh singkat. Saintis perlu membezakan corak ini untuk memahami bagaimana gangguan alam sekitar membawa kepada kepupusan meluas.

Penemuan itu turut menyertai perdebatan yang bermula sebelum kemunculan kecerdasan buatan. Ulasan akademik yang diterbitkan dalam Cambridge Prisms: Extinction menyimpulkan bahawa Lima Besar kekal sebagai lima peristiwa kepupusan terbesar sejak Ordovisi Awal, tetapi tergolong dalam julat intensiti kepupusan yang berterusan dan bukannya membentuk kategori yang berbeza secara statistik.

Bagaimana batuan membentuk garis masa

OneStrata menggunakan OneStratigraphy, himpunan yang mengandungi kedalaman tercatat bagi berjuta-juta spesimen fosil dalam jujukan batuan daripada puluhan ribu tapak di seluruh dunia. Setiap pemerhatian membantu menentukan kedudukan sesuatu organisma dalam sejarah yang terpelihara di lokasi tertentu.

Batuan enapan terkumpul dalam lapisan yang disebut strata. Kedudukan fosil dalam lapisan ini membantu penyelidik menentukan bila sesuatu organisma hidup berbanding organisma lain. Dengan menggabungkan banyak jujukan, mereka dapat menganggarkan bila spesies muncul, berapa lama ia bertahan dan bila ia lenyap.

Penyelidik berdepan tugas pemadanan yang amat besar apabila menghimpunkan rekod tempatan ini. Spesies yang ditemukan di beberapa tapak boleh membantu menghubungkan jujukan berkenaan, tetapi keseluruhan tugas ini melibatkan puluhan ribu spesies dan banyak bahagian rekod batuan yang tidak lengkap. Menemukan susunan yang selaras merentas semua pemerhatian itu memerlukan kuasa pengkomputeran yang besar.

Rekonstruksi tradisional memudahkan tugas ini dengan mengelompokkan fosil mengikut selang masa berjuta-juta tahun. Selang masa yang luas itu memudahkan perbandingan global, sambil memampatkan perubahan jangka pendek ke dalam tempoh yang jauh lebih panjang. Denyutan kepupusan singkat dan kemerosotan berpanjangan sukar dibezakan.

Kelainan model AI ini

Penyelidik Zhejiang Lab melatih model mereka untuk mengenal pasti corak statistik dalam rekod fosil. Pendekatan ini secara umum mirip cara model bahasa besar mempelajari corak dalam teks, walaupun tugasnya melibatkan pemerhatian geologi dan bukannya ayat.

Model bahasa menggunakan hubungan yang dipelajari untuk meramalkan perkataan seterusnya yang berkemungkinan. OneStrata menggunakan corak dalam data latihannya untuk meramalkan bila sesuatu fosil berkemungkinan besar termendap. Anggaran itu menyokong rekonstruksi biodiversiti sepanjang masa geologi.

Shen menyifatkan pendekatan ini sebagai kemajuan besar dalam kajian lapisan batuan dan perubahan kepelbagaian:

satu revolusi sebenar dalam kajian stratigrafi dan perubahan kepelbagaian pada masa lampau

Pembangun model itu berkata rekonstruksinya menunjukkan bahawa tiga daripada Lima Besar merupakan kemerosotan biodiversiti secara beransur-ansur. Huraian penyelidikan itu tidak mengenal pasti tiga peristiwa tersebut atau memberikan anggaran tempohnya. Butiran itu penting untuk membandingkan hasilnya dengan bukti daripada tapak fosil individu.

Keupayaan utama OneStrata terletak pada skala. Sebelum ini, penyelidik mencapai had apabila penambahan spesies dan pemendekan selang antara anggaran memerlukan jumlah pengkomputeran yang tidak praktikal. Pembelajaran corak daripada pangkalan data besar menawarkan cara lain untuk menangani kekangan itu.

Pencapaian terdahulu di sebalik OneStrata

Shen dan rakan-rakannya sudah menunjukkan nilai penggabungan set data fosil yang besar pada 2020. Rekonstruksi mereka menggunakan superkomputer dan algoritma untuk menganggarkan kemunculan serta kepupusan kira-kira 11,000 spesies marin dalam tempoh sekitar 300 juta tahun, dengan resolusi masa kira-kira 26,000 tahun.

Ulasan Cambridge menghuraikan analisis China itu dengan lebih tepat: 3,112 keratan batuan yang diukur, 11,268 spesies dan resolusi 0.026 juta tahun, dengan variasi yang dilaporkan sebanyak 0.0149 juta tahun. Kaedah itu, yang dikenali sebagai CONOP, mencari susunan kemunculan dan kepupusan fosil yang paling sesuai dengan pemerhatian merentas keratan berbeza.

Perkembangan rekonstruksi ini merangkumi beberapa pencapaian penting:

• 1982: David Raup dan Jack Sepkoski mengenal pasti Lima Besar melalui analisis statistik data fosil marin.
• 2020: Shen dan rakan-rakan merekonstruksi kira-kira 300 juta tahun kepelbagaian marin menggunakan ribuan jujukan batuan dan sebuah superkomputer.
• 12 Oktober: Shen membentangkan penyelidikan OneStrata yang lebih baharu pada mesyuarat Persatuan Geologi Amerika di Denver.

Peningkatan resolusinya ketara. Analisis asal pada 1982 menggunakan peringkat geologi yang puratanya 7.4 juta tahun. Membahagikan 7.4 juta dengan 26,000 menghasilkan kira-kira 285, yang menunjukkan betapa jauh lebih pendeknya selang dalam rekonstruksi 2020. OneStrata berusaha menangani cabaran menerapkan resolusi seteliti ini pada set data yang lebih besar.

Mengapa angka lima menjadi sebutan umum

Lima Besar ialah kepupusan Ordovisi Akhir, Devon Akhir, Perm Akhir, Trias Akhir dan Kapur Akhir. Pengelompokan yang lazim ini mencerminkan skala peristiwa tersebut dalam rekod fosil haiwan marin serta kaedah statistik yang digunakan untuk mengkajinya.

Ulasan tentang kepupusan besar dalam Cambridge Prisms: Extinction menjelaskan bahawa penyelidikan kemudian telah menyemak semula tafsiran asal. Lima peristiwa itu kekal sebagai yang terbesar sejak Ordovisi Awal, termasuk dalam analisis yang mengambil kira jurang dalam rekod fosil dan batuan. Namun, intensiti kepupusan membentuk satu kesinambungan daripada kehilangan yang lebih kecil hingga krisis terbesar.

Ulasan itu turut mengenal pasti selang masa dalam zaman Kambrium dan Ordovisi Awal yang mencatatkan kadar kepupusan lebih tinggi berbanding Lima Besar. Oleh itu, penetapan tepat lima peristiwa bergantung pada bahagian sejarah geologi yang dipilih untuk dibandingkan dan cara kehilangan itu diukur.

Menurut ulasan itu, sesetengah peristiwa berlaku secara relatif mendadak, manakala yang lain berlanjutan selama ratusan ribu tahun atau lebih. OneStrata menambah rekonstruksi baharu kepada perbincangan saintifik sedia ada tentang perbezaan perjalanan krisis ini.

Mengapa tempoh kepupusan penting

Kepupusan Trias Akhir menunjukkan bagaimana skala masa yang dipilih boleh mengubah gambaran tentang kepantasan sesuatu krisis. Ulasan Cambridge menyatakan bahawa peringkat terakhir zaman Trias mungkin berlangsung selama tujuh juta tahun. Penyelidikan yang dipetik dalam ulasan itu menganggarkan krisis oksigen lautan yang berkaitan berlaku selama kira-kira 50,000 tahun, kurang daripada 1% tempoh tersebut.

Krisis itu dikaitkan dengan Wilayah Magmatik Atlantik Tengah, episod aktiviti gunung berapi yang amat luas. Perairan yang disebut anoksik mengandungi sedikit atau tiada oksigen, sekali gus mewujudkan keadaan berbahaya bagi haiwan yang bergantung pada oksigen terlarut dalam air laut.

Menyebarkan kehilangan itu sepanjang satu peringkat geologi menghasilkan kadar kepupusan yang dikira jauh lebih rendah berbanding jika kehilangan tersebut tertumpu dalam krisis yang lebih singkat. Ulasan itu menganggarkan kadar sebenar mungkin kira-kira 100 kali lebih tinggi daripada kadar yang diperoleh daripada selang global yang lebih luas.

Kekurangan fosil menimbulkan satu lagi kesukaran. Fosil terakhir yang ditemukan bagi sesuatu spesies mungkin berasal dari tempoh sebelum kepupusan sebenar kerana sisa yang lebih baharu tidak pernah terpelihara, terdedah atau dikumpulkan. Bagi banyak spesies, jurang ini boleh menyebabkan masa kepupusan yang kelihatan berganjak lebih awal, lalu menjadikan peristiwa yang tertumpu tampak lebih beransur-ansur. Ahli paleontologi menyebutnya sebagai kesan Signor–Lipps.

Matthew Clapham, ahli paleontologi di Universiti California, Santa Cruz, memberikan penilaian berhati-hati tentang potensi OneStrata sambil merujuk kepada rekonstruksi terperinci yang sudah tersedia dari lokasi tertentu:

Kita boleh melakukan beberapa perkara tambahan dengannya, tetapi saya tidak tahu sama ada ia akan mengubah segala-galanya,

Keratan batuan tempatan dan model global menjawab soalan berkaitan pada skala berbeza. Tapak individu boleh menyimpan perincian terperinci tentang sesuatu krisis, manakala rekonstruksi global berusaha mengenal pasti corak yang konsisten merentas banyak lokasi. Perbandingan kedua-duanya penting untuk memahami sama ada kemerosotan beransur-ansur mencerminkan sejarah biologi, jurang dalam pemeliharaan atau cara rekod digabungkan.

Pengiraan kehilangan turut mengubah gambaran

Kepupusan Perm Akhir menunjukkan mengapa unit yang dikira sama pentingnya dengan skala masa. Ulasan Cambridge memberikan anggaran kehilangan pada peringkat genus antara 56% hingga 69%, bergantung pada analisis. Genus ialah kumpulan spesies yang berkaitan, maka kehilangan satu genus dan kehilangan satu spesies mewakili jumlah kepelbagaian biologi yang berbeza.

Ahli paleontologi sering mengira genus kerana fosil hanya memelihara sebahagian anatomi organisma, menjadikan spesies lebih sukar dikenal pasti secara konsisten. Sesuatu genus boleh terus wujud walaupun beberapa spesiesnya lenyap, asalkan sekurang-kurangnya satu spesies masih ada.

Ulasan itu memetik pengiraan yang menganggarkan 81% spesies lenyap dalam peristiwa Perm Akhir, berbanding anggaran tertinggi 96% yang kerap diulang daripada analisis lebih lama. Kedua-duanya menggambarkan kehilangan yang amat besar, tetapi perbezaan itu menunjukkan bagaimana kaedah menukar kehilangan genus kepada kehilangan spesies mempengaruhi angka akhir.

Entri pangkalan data juga mengukur perkara yang berbeza. Ketika ulasan itu diterbitkan, Paleobiology Database mengandungi lebih 1.5 juta rekod fosil daripada 225,000 koleksi fosil dan 82,000 penerbitan. Jutaan spesimen OneStratigraphy serta kedudukannya dalam lapisan batuan memberikan jenis maklumat yang berbeza. Kegunaan sesuatu set data bergantung pada pemerhatian, liputan dan ketepatannya, selain saiznya.

Makna perdebatan ini bagi krisis biodiversiti hari ini

Ulasan Cambridge mengaitkan perbincangan tentang kepupusan purba dengan kehilangan masa kini. Ulasan itu menyifatkan kadar kepupusan semasa berpotensi sebagai yang terpantas kedua dalam setengah bilion tahun lalu, selepas hentaman asteroid pada penghujung zaman Kapur, sambil menilai jumlah mutlak kepupusan setakat ini sebagai agak kecil berbanding krisis purba terbesar.

Kadar dan jumlah kehilangan menggambarkan aspek masalah yang berbeza. Kadar mengukur kepantasan spesies lenyap. Jumlah kehilangan mengukur berapa banyak kepelbagaian yang sudah hilang. Kadar yang pantas memerlukan tindakan segera ketika sebahagian besar spesies masih bertahan.

Ulasan itu mencadangkan frasa "kepupusan besar Antroposen yang sedang bermula" sebagai alternatif kepada "kepupusan besar keenam". Istilah sedang bermula bermaksud proses itu mula berkembang. Frasa tersebut menyampaikan kesimpulannya bahawa krisis sedang berlaku dan tindakan masih boleh menghalangnya daripada mencapai skala kehilangan purba terbesar.

OneStrata mengembalikan perbincangan kepada tugas saintifik yang nyata: merekonstruksi masa organisma hidup dan lenyap dengan ketepatan yang mencukupi untuk memahami kadar perubahan. Hasil yang dilaporkan mencabar gambaran mudah tentang lima malapetaka mendadak. Literatur fosil yang lebih luas sudah menggambarkan sejarah yang lebih pelbagai, dengan peristiwa yang berbeza dari segi kelajuan, skala dan persekitaran yang terjejas.

Perkara Utama

• OneStrata dilatih menggunakan hampir empat juta fosil dan menunjukkan bahawa tiga daripada Lima Besar merupakan kemerosotan biodiversiti secara beransur-ansur.
• Model itu menggunakan OneStratigraphy, yang merekodkan kedudukan fosil dalam jujukan batuan daripada puluhan ribu tapak di seluruh dunia.
• Rekonstruksi pada 2020 menjejaki kira-kira 11,000 spesies marin selama sekitar 300 juta tahun dengan resolusi kira-kira 26,000 tahun.
• Ulasan Cambridge mendapati bahawa Lima Besar kekal sebagai peristiwa terbesar sejak Ordovisi Awal, dalam julat intensiti kepupusan yang berterusan.
• Jurang dalam pemeliharaan, skala masa yang digunakan dan kumpulan biologi yang dikira semuanya mempengaruhi anggaran kelajuan serta tahap keterukan kepupusan.
• Ulasan itu menyifatkan kadar kepupusan hari ini sebagai luar biasa tinggi, sambil menyimpulkan bahawa tindakan masih boleh menghalang kehilangan sebesar krisis purba terbesar.