Ученые из Университета Умео в Швеции и Музея естественной истории Флориды использовали палеонтологические базы данных для построения многослойной компьютерной модели истории морской жизни за последние 500 миллионов лет. Их анализ летописи окаменелостей во многом перекликается с плодотворным исследованием 1981 г., проведенным палеонтологом Дж.
Джон Сепкоски – с одним ключевым отличием.
Новаторская статистическая работа Сепкоски показала резкие изменения биоразнообразия в масштабах всего океана около 490 и 250 миллионов лет назад, что соответствует двум событиям массового вымирания.
Эти события разделили морскую жизнь на то, что он назвал «три великие эволюционные фауны», в каждой из которых доминирует уникальный набор животных.
Но в новой модели обнаруживается четвертый.
Ожесточенная борьба за выживание, которая разыгралась между хищными морскими животными и их добычей около 250-66 миллионов лет назад, возможно, была столь же мощной силой, которая изменила разнообразие океана в то, что мы видим сегодня. Этот третий грандиозный переход был гораздо более постепенным, чем его предшественники, и определялся организмами, а не внешними процессами.
«Мы узнали, что не все основные сдвиги в жизни животных были связаны с событиями массового вымирания», – сказал ведущий автор исследования Алексис Рохас, получивший докторскую степень.D. в Университете Флориды.
В настоящее время Рохас работает докторантом в Интегрированной научной лаборатории, центре междисциплинарных исследований в Университете Умео.
Многие ученые давно придерживаются мнения, что внешние факторы, такие как вулканическая активность, столкновения с астероидами или изменения климата, являются основными движущими силами основных сдвигов в биосфере Земли, сказал соавтор исследования Михал Ковалевски, научный руководитель Рохаса и Флоридский музей Томпсона. Кафедра палеонтологии беспозвоночных.
"Летопись окаменелостей говорит нам, что некоторые из ключевых изменений в истории жизни были быстрыми изменениями, вызванными резкими внешними факторами.
Но это исследование показывает, что некоторые из этих основных переходов были более постепенными и могли быть вызваны биологическим взаимодействием между организмами », – сказал он.
Одна из причин, по которой работа Сепкоски была настолько революционной, заключалась в том, что он применил математический подход к практической проблеме: летопись окаменелостей слишком велика и сложна, чтобы один человек мог различить основные закономерности жизни, глядя только на образцы.
«Когда его компоненты исследуются индивидуально или в небольших группах, сложность их формы, функции, взаимодействия и истории часто кажется ошеломляющей и почти бесконечной», – писал он во введении к своему исследованию 1981 года.
Он утверждал, что организация этих компонентов в иерархию систем дает более полное представление.
Моделирование Сепкоски разделило 500 миллионов лет жизни океана на три великие династии, каждая из которых была разделена массовым вымиранием, которое расчистило путь для процветания и господства новых групп. После господства трилобитов, моллюскоподобные животные, известные как брахиоподы, а также некоторые древние кораллы и аммониты, приобрели известность. После катастрофического вымирания в конце пермского периода, иногда известного как «Великое вымирание», они, в свою очередь, были заменены улитками, моллюсками, ракообразными, современными кораллами и различными видами костистых рыб.
По словам Ковалевски, гипотеза Сепкоски коренным образом изменила представление ученых об истории жизни.
Он предлагал организованный способ понимания истории морских экосистем – всеобъемлющий сюжет и повороты сюжета.
Но по мере роста наших знаний о летописи окаменелостей растет и дилемма Сепкоски о том, как анализировать такую обширную и сложную информацию, – сказал Ковалевски.
«В настоящее время задокументированы миллионы окаменелостей, поэтому наш мозг просто не может обработать такие массивные архивы палеонтологических данных», – сказал он. "К счастью, аналитические методы продолжают совершенствоваться, предоставляя нам более эффективные способы извлечения и изучения информации, скрытой внутри этих чрезвычайно сложных данных."
Рохас решил эту задачу, используя последние достижения в области моделирования данных.
В частности, он был заинтересован в использовании сложных сетевых инструментов для лучшего представления летописи окаменелостей. В отличие от других подходов в палеобиологии, сложные сети используют связанную структуру узлов, представляющих физические и абстрактные переменные, для выявления основных закономерностей в данной системе. Сетевые подходы могут применяться к социальным явлениям – например, показывать модели взаимодействия пользователя Facebook с друзьями на платформе – но они также могут применяться к сложным естественным системам.
Как и Сепкоски, Рохас – палеонтолог с классическим образованием, ищущий свежий взгляд на летопись окаменелостей.
"Одновременно происходит множество процессов в разных масштабах: в вашем районе, в вашей стране и по всей планете.
А теперь представьте процессы, которые происходят за один день, год или 500 лет. Мы пытаемся понять все эти вещи во времени », – сказал он.
Простая сеть может состоять из одного слоя – всех записей о жизни животных и местах их обитания. Но сеть Рохаса и его коллег включает разные интервалы времени как отдельные слои, чего не хватало в предыдущих исследованиях макроэволюции. Результат – то, что Рохас описал как новую абстрактную летопись окаменелостей, дополнение к физической летописи окаменелостей, представленной образцами в музейных коллекциях.
«Это важно, потому что вопросы, которые мы задаем, процессы, которые мы изучаем, происходят в разных масштабах во времени и пространстве», – сказал Рохас. "Мы сделали несколько шагов назад, чтобы посмотреть на всю летопись окаменелостей. Поступая так, мы можем исследовать всевозможные вопросы."
Думайте об этом, как о навигации по Google Earth, которая представляет океаны за последние 500 миллионов лет. Когда и куда бы ты пошел?
«Наша интерактивная карта морской жизни показывает меньшие группы животных и их взаимодействия в рамках каждой эволюционной фауны», – сказал Рохас. "В общих чертах на этой карте показаны районы океана с определенными животными. Строительными блоками нашего исследования являются сами животные."
Эта сложная сеть показывает то, что модель Сепкоски не смогла уловить: постепенный переход в океанской жизни, совпадающий с мезозойской морской революцией, которая началась около 150 миллионов лет назад во время мезозойской эры. Эта революция, впервые выдвинутая в 1970-х годах, была вызвана быстрым увеличением числа морских хищников, таких как костные рыбы, ракообразные и улитки, которые с тех пор доминируют в океанах. Их распространение заставляло добычу становиться более подвижной, прятаться под дном океана или усиливать свою защиту за счет утолщения брони, развития шипов или улучшения способности регенерировать части тела.
Сепкоски знал о мезозойской морской революции, но его модель, ограниченная методами и данными, доступными в то время, не могла очертить океанические экосистемы до и после этого постепенного перехода. Исследование Рохаса и его коллег демонстрирует, что как физические, так и биологические процессы играют ключевую роль в формировании жизни океана на самых высоких уровнях.
«Мы объединяем две гипотезы – мезозойскую морскую революцию и три великие эволюционные фауны в единую историю», – сказал Рохас. "Вместо трех фаз жизни модель показывает четыре."
Хоакин Калатаюд, Магнус Нойман и Мартин Росвалл из Университета Умео также являются соавторами исследования.