宋海軍教授（右）與博士生劉小康（左）。受訪者供圖

生物多樣性變化與五次大滅絕。受訪者供圖

在地球漫長(zhǎng)的歷史中，曾發(fā)生過(guò)5次大規(guī)模的生物滅絕事件，其中最為嚴(yán)重的一次發(fā)生在距今約2.52億年的二疊紀(jì)與三疊紀(jì)之交。這次大滅絕，造成80%以上的生物物種滅絕。而對(duì)此次大滅絕事件前后生物形態(tài)的演化模式，長(zhǎng)期以來(lái)未有定論。

2022年起，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院教授宋海軍團(tuán)隊(duì)利用深度學(xué)習(xí)方法，開(kāi)發(fā)了一個(gè)自動(dòng)化模型（命名DeepMorph），對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)研究。近日，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·生態(tài)與進(jìn)化》（Nature Ecology&Evolution）上。

中青報(bào)·中青網(wǎng)記者近日對(duì)該論文的第一作者、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院2020級(jí)博士生劉小康進(jìn)行了專訪。

劉小康介紹，生物形態(tài)多樣性，即不同物種在形態(tài)上的差異，是衡量生物多樣性的重要指標(biāo)之一。以往的研究通常認(rèn)為，在大滅絕時(shí)期，某一生物門(mén)類(lèi)的物種多樣性和形態(tài)多樣性增減方向一致；但有研究通過(guò)對(duì)生物化石形態(tài)、結(jié)構(gòu)的分析表明，二者存在不一致性。此外，不同的分析樣本、不同的分析方法等因素，導(dǎo)致科學(xué)家們對(duì)同一課題的研究結(jié)果也不同，科學(xué)結(jié)論眾說(shuō)紛紜。

劉小康在博士研究生階段注意到，近年來(lái)隨著人工智能和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)方法在處理復(fù)雜和大批量數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出強(qiáng)勁的性能，并且具有高度自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)流程，“基于深度學(xué)習(xí)的生物形態(tài)學(xué)研究，有望為探究生物演化提供新的視角”。

團(tuán)隊(duì)早期工作包括使用深度學(xué)習(xí)方法開(kāi)展基于圖像化石形態(tài)的智能識(shí)別。為此，團(tuán)隊(duì)搜集和整理了包括所有常見(jiàn)化石的50個(gè)類(lèi)別、41.53萬(wàn)張照片的化石圖像數(shù)據(jù)集，以及涵蓋22個(gè)類(lèi)別、3.08萬(wàn)張照片的薄片化石數(shù)據(jù)集，并實(shí)現(xiàn)了基于化石圖像的形態(tài)特征自動(dòng)提取、數(shù)字化處理。

利用DeepMorph模型，團(tuán)隊(duì)對(duì)菊石、腕足動(dòng)物、介形蟲(chóng)、雙殼類(lèi)、腹足類(lèi)和牙形動(dòng)物在內(nèi)的6個(gè)海洋生物門(mén)類(lèi)、總計(jì)599個(gè)屬的化石圖像展開(kāi)分析。對(duì)比全球古生物數(shù)據(jù)庫(kù)顯示，其研究樣本占比6個(gè)門(mén)類(lèi)已知屬的83%，研究具備普遍意義。

團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，在二疊紀(jì)與三疊紀(jì)大滅絕期間，包含菊石、腕足動(dòng)物在內(nèi)的5個(gè)門(mén)類(lèi)，經(jīng)歷了形態(tài)多樣性的損失，并對(duì)復(fù)雜和裝飾性的形態(tài)進(jìn)行了選擇性滅絕，那些大型、復(fù)雜和強(qiáng)烈紋飾的形態(tài)類(lèi)型滅絕更嚴(yán)重。不過(guò)，它們的演化模式并不相同：菊石是側(cè)向選擇性滅絕，腕足類(lèi)和介形蟲(chóng)是邊緣選擇性滅絕，雙殼類(lèi)和腹足類(lèi)是隨機(jī)形態(tài)滅絕。

劉小康舉例說(shuō)，菊石是古-中生代海洋中常見(jiàn)的游泳動(dòng)物，在這次大滅絕事件中形態(tài)多樣性出現(xiàn)急劇下降。菊石在這次滅絕中表現(xiàn)出明顯的形態(tài)選擇性——弱殼飾、表面光滑的菊石更容易殘存，滅絕后新生的菊石，也具有殼飾減弱的特點(diǎn)。

不過(guò)，不同于上述5個(gè)門(mén)類(lèi)，牙形動(dòng)物則沒(méi)有表現(xiàn)出形態(tài)選擇性滅絕的跡象，并在大滅絕后形態(tài)多樣性持續(xù)增加。

“這種滅絕的選擇性和強(qiáng)度，可能是由復(fù)雜的多因素影響所致，反映出不同演化枝和形態(tài)類(lèi)型對(duì)環(huán)境耐受閾值的差異?！眲⑿】捣治?，大滅絕時(shí)期，強(qiáng)烈的火山噴發(fā)事件導(dǎo)致二氧化碳快速釋放和海水酸化，菊石、腕足動(dòng)物、雙殼類(lèi)等鈣質(zhì)生物對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)劇烈，對(duì)它們而言也更難建造復(fù)雜、厚重的殼體和紋飾，導(dǎo)致物種大量減少并伴隨形態(tài)多樣性的降低。而牙形動(dòng)物相對(duì)更適應(yīng)大滅絕后的環(huán)境，趁機(jī)占據(jù)更多的“地盤(pán)”，并發(fā)展出多樣的形態(tài)。

“這項(xiàng)研究，不僅加深了我們對(duì)古生物形態(tài)演化的理解，更為我們?cè)u(píng)估現(xiàn)代生物多樣性面臨的滅絕風(fēng)險(xiǎn)提供了科學(xué)依據(jù)?！眲⑿】嫡f(shuō)，通過(guò)分析化石記錄中的形態(tài)多樣性在大滅絕事件前后的變化，可以更好地預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)當(dāng)前生物多樣性面臨的威脅。

在研究中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，新開(kāi)發(fā)的這一深度學(xué)習(xí)模型，不僅加快了形態(tài)數(shù)據(jù)提取過(guò)程，還減少了人為主觀性，研究路徑有助于研究結(jié)果的可重復(fù)性和客觀性，“這為未來(lái)開(kāi)展深度學(xué)習(xí)與地球生物學(xué)的更多交叉研究提供了可能?！眲⑿】嫡f(shuō)。

來(lái)源：中國(guó)青年報(bào)