填补世界空白！南大科研人员通过化石大数据揭示地球早期生命演化奥秘

5.4亿年前，地球经历了寒武纪生命大爆发，在此之前的时间，地球上的生命又经历了怎样的演化历程？经过六年多努力，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，绘制出了迄今第一条早期地球高精度生物多样性曲线，首次勾勒出早期地球生命演化的总体面貌，填补了研究空白。12月20日，国际顶级学术期刊《科学》发表了这项重要成果（论文链接：https://doi.org/10.1126/science.adm9137）。

结合超算和人工智能

创建目前全球数据最全的早期地球古生物地层数据库

据悉，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20亿到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。

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。

“生命的演化，究竟是一步步前进，展现出一条较为平滑的发展曲线，还是在环境突变中曲折跳跃前行？”论文通讯作者之一、中国科学院院士沈树忠说，对于早期地球而言，生命演化速率是一个非常重要而有趣，却又难以解答的科学问题。

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。唐卿介绍，目前数据库数据包含13658个化石事件、263个剖面、2731个化石属种，185个同位素绝对年龄，未来还会不断将新全球发表的相关数据纳入其中。“南大团队为此开发创建了‘超算+AI’的算法程序，突破了算力和算法瓶颈，才绘制出了这条填补生命演化历史空白的生物多样性演化曲线。”

地表温度、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影响巨大

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6.35亿到5.8亿年前的生物大辐射事件，以及紧随期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5.51亿至5.39亿年前）又遭遇了两次明显地多样性下降，代表了动物演化史上最早的两次大灭绝事件。

唐卿介绍，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。

由此可见，地表温度、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影响巨大。沈树忠院士认为，这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，而是呈现出长期缓滞与相对快速辐射交替发展的模式。“我们了解生命的过去也是为人类预测地球未来的宜居性、探索极端环境下的地外生命提供重要参考。”

据悉，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。

扬子晚报/紫牛新闻记者 杨甜子

剪辑 戴哲涵

校对 盛媛媛

编辑 : 严静