大学・问｜一条曲线可看数亿年前的生命演化？

摘要：地球的年龄约为45亿至46亿年，长期以来，人们比较了解近5亿年以来的生命演化历程，但对于更古老的生命演化和多样性变化难以进行精细的测算。针对这一难题，南京大学地球科学与工程学院研究员唐卿、中国科学院院士沈树忠等联合中外科研单位，绘制了一条早期地球生物多样性曲线

地球的年龄约为45亿至46亿年，长期以来，人们比较了解近5亿年以来的生命演化历程，但对于更古老的生命演化和多样性变化难以进行精细的测算。针对这一难题，南京大学地球科学与工程学院研究员唐卿、中国科学院院士沈树忠等联合中外科研单位，绘制了一条早期地球生物多样性曲线。研究成果发表于国际学术期刊《科学》。这条曲线反映了什么信息？对地外生命探索和地球未来宜居性有何启示？让我们跟随唐卿研究员深入了解。

这条曲线反映了什么信息？

“这条曲线描述了从20亿年前到5亿年前的时间里地球生物多样性的变化情况，表明了生命演化是一个从相对简单往复杂、从低等到高等的过程。”唐卿如此概括这条曲线。

从这条曲线中可以得出在大概7.2亿年之前，生物的多样性整体较低，演化速度较慢。随着全球性大冰期事件结束，大概在6.35亿年前之后，生物多样性出现了明显的急剧升高、降低再升高的趋势。从曲线变化的趋势可以看出，全球性的大冰期事件严重干扰了生命的演化进程。

大冰期事件结束后，地表温度回暖、大气氧含量升高，地球物种多样性开始迅速增加，并频繁发生大的波动，造成了多次生物大辐射和大灭绝事件。这些现象进一步证实了，生命从简单到复杂的演化不是简单的线性历程，而是呈长期滞缓与相对快速辐射交替的发展模式。

曲线还揭示了大冰期事件结束后一段时间，地球生物急剧变化的历史。约6.35亿到5.8亿年前，地球上发生了首次真核生物大辐射事件，紧随其后发生了生物演化史上第一次大灭绝事件。在此之后，包括动物在内的形态更为复杂的宏体生物迎来了快速辐射。这些复杂宏体生物在约5.51亿至5.39亿年前又遭遇了两次明显的多样性下降，被认为是动物演化史上最早的两次大灭绝事件。

这条曲线是如何绘制出来的？

历时6年，唐卿和沈树忠等研究人员创建了一个早期地球古生物地层数据库。论文共同通讯作者沈树忠在接受《中国科学报》采访时介绍，目前，数据库有地层剖面位置、年龄、产地、属种、化石大小等多重维度数据，已包含13658条化石点记录，涉及263个地层剖面、2731个化石种、185个同位素年龄。

数据库建立起来之后，他们利用超算和人工智能等大数据分析方法，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。

唐卿还提到，此前学界的研究中绘制的多样性曲线多是基于一个比较粗的时间范围来作为一个统计点，会造成时间分辨率不高的问题。而他带领的团队采用了最新的计算方法--constrained optimization（约束最优化法），能够帮助构建一个不分时段的多样性曲线，极大地提高时间分辨率，可以看见更多时间点的细节。加之团队扩大了数据库的数据量，从而绘制出了一条高精度的生物多样性曲线。

“最重要的一个突破就是我们用了大数据的计算方法，定量地来给大家展示具体的某一个时间,它的生物多样性大概是多少；多少时间之内有多少个物种消失。”唐卿介绍，他们用超级计算机来进行计算，首先得出每一个化石物种的起源和灭绝时间，然后再来统计每一个时间点有多少个物种出现，用于计算这个时间点的多样性，最后形成化石物种多样性的时间变化曲线。

环境因素如何影响生物多样性？

地表温度、氧气含量等环境因素的骤变，对早期地球生命系统的演化有巨大影响。唐卿指出，温度急剧下降，氧气含量急剧降低等情况，会导致一些生物不能适应。当氧气含量升高，温度变得适宜，生命的复杂程度又会升高，多样性也会增加。

“生命演化总体来说是和环境相互协同演化的过程。地球的演化是从相对来说不是那么宜居，逐渐演化到现在相对来说更为宜居。”唐卿认为，这个过程可以帮助我们预测，随着环境的变化，未来的地球生命会出现怎样的反应——如果说现在不控制温度持续升高的趋势，未来生物多样性很可能会急剧下降。

研究对地外生命探索有何启示？

唐卿在接受采访时称，早期地球的环境并不适宜生物生存，通过研究环境与生命演化的复杂关系，可以对地外生命探索有一定的启发。