Science：化石大数据揭示地球早期生命演化的奥秘

Marine Sedimentology · 科技自媒体科学 · 昨天

主要观点总结

本文介绍了南京大学地球科学与工程学院唐卿研究员和沈树忠院士等联合中外多家科研单位在顶级学术期刊《Science》上发表的重要研究成果。该研究通过建立早期地球化石大数据，利用超算和人工智能等分析方法，首次绘制了地球约15亿年的高精度生物多样性演化历史，揭示了早期生命的演化历程以及大辐射和大灭绝事件。该研究填补了关于早期地球生物多样性宏演化的空白，为阐明早期地球生命起源和演化规律等提供重要的理论基础。此外，该研究还凸显了环境因素骤变对早期地球复杂生命系统演化的巨大影响。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景及目的

该研究旨在通过建立早期地球化石大数据，利用超算和人工智能等分析方法，揭示地球约15亿年的高精度生物多样性演化历史。

关键观点2: 研究方法和成果

研究团队创建了全球数据最全的早期地球古生物地层数据库，结合超算和人工智能等大数据分析手段，绘制出迄今第一条早期地球高精度生物多样性曲线。该曲线揭示了真核生物的大辐射和大灭绝事件。

关键观点3: 研究意义和影响

该研究填补了关于早期地球生物多样性宏演化的空白，为阐明早期地球生命起源和演化规律等重要问题提供了理论基础和借鉴。此外，该研究还为探索地外生命是否存在以及宜居地球的可持续发展提供了重要参考。

正文

https://doi.org/10.1126/science.adm9137

2024年12月20日，南京大学地球科学与工程学院唐卿研究员和沈树忠院士等联合中外多家科研单位在顶级学术期刊《Science》上以长文形式发表重要研究成果。该研究通过建立早期地球化石大数据，利用超算和人工智能等分析方法首次绘制了地球从20到5亿年前，约15亿年的高精度生物多样性演化历史，揭示了地球上的早期生命是通过漫长的演化历程，经历多次大辐射和大灭绝事件后，最终演化出约5亿年前的复杂生态系统。该研究填补了关于早期地球生物多样性宏演化的空白，为阐明早期地球生命起源和演化规律、探索地外生命是否存在以及宜居地球的可持续发展提供重要的理论基础和借鉴。

化石是记录生命演化的最直接证据。但在5亿年以前漫长的早期地球阶段，生命，尤其是发育有细胞核的真核生物是什么时候开始出现并留下它的第一个化石记录的？作为所有现代高等生物的祖先，早期生命是如何逢凶化吉进化出我们现在看到的五彩缤纷的生物世界？这些事关我们从哪里来，要到哪里去的重大科学问题由于研究方法的限制长期得不到准确地解答。

针对以上难解之谜，研究团队耗时六年时间创建了目前全球数据最全、信息量最大的早期地球古生物地层数据库。团队创新性地结合了超算和人工智能等大数据分析手段，建立起迄今第一条早期地球高精度生物多样性曲线。

研究结果表明，随着第一个可信的真核生物化石在约17亿年前出现后，其多样性一直保持较低但稳定增长的模式。直到约7.2亿年前全球性大冰期的出现打断了生命演化的原有进程。随着大冰期事件的结束，地球物种多样性开始迅速增加并且频繁发生波动，造成多次生物大辐射和大灭绝事件。其中包括约6.35到5.8亿年前的生物大辐射事件，以及紧随其后发生的生物演化史上第一次大灭绝事件，导致当时的优势类型——带刺的微体生物大量灭绝。在此之后，形态更为复杂的宏体生物（包括动物）迎来了快速辐射。但这些复杂宏体生物在埃迪卡拉纪末（约5.51至5.39亿年前）又遭遇了两次明显的多样性下降，代表了动物演化史上最早的两次大灭绝事件。

本研究首次用大数据方法定量化地揭示了早期地球15亿年的生命演化历程，定量勾画了复杂生命的起源、辐射、灭绝、再次辐射至现代生态系统形成的早期历史过程。以上数据表明雪球地球等极端气候事件的发生会严重阻止地球早期生物圈的演化进程，导致生物大灭绝事件出现。而随着大冰期事件的结束，地表温度回暖以及大气氧含量升高促成了新一轮复杂生物大辐射事件，进一步证实了生命从简单到复杂的演化并不是简单线性的，而是呈长期滞缓与相对快速辐射交替发展的模式。该项研究也凸显了地表温度与氧气含量等环境因素的骤变对早期地球复杂生命系统演化的巨大影响，这为科学家探索极端环境下的地外生命和评估未来地球的宜居性提供了重要参考。

多位《Science》审稿人评价：该研究终于带来了长期缺失的早期地球高精度生物多样性演化曲线；该曲线揭示的真核生物大辐射和大灭绝事件将激发一大波探索早期地球生命与环境协同演化的热潮。

此项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委以及国际大科学计划—“深时数字地球”（DDE）等项目的支持。

早期地球高精度生物多样性曲线

论文链接：

https://doi.org/10.1126/science.adm9137

来源：地球科学与工程学院

文字：唐卿

图片：唐卿

责编：王霏皓