Искусственный интеллект обнаружил удивительные закономерности в массовом биологическом вымирании Земли

Идея о том, что массовые вымирания позволяют эволюционировать многим новым видам, является центральной концепцией эволюции, но новое исследование с использованием искусственного интеллекта для изучения окаменелостей показало, что это редко бывает правдой, и должно существовать другое объяснение, пишут ученые в новом исследовании опубликованном в научном журнале Eurekalert.

Знаменательный труд Чарльза Дарвина "О происхождении видов" заканчивается прекрасным резюме его теории эволюции: "В этом представлении о том, что жизнь с ее несколькими способностями была первоначально вдохнута в несколько форм или в одну, и что, в то время как эта планета циклически движется по неизменному закону гравитации, из столь простого начала развивались и развиваются бесконечные формы, самые прекрасные и самые удивительные". На самом деле, ученые сейчас знают, что большинство видов, которые когда-либо существовали, вымерли. 

В целом за всю историю Земли вымирание видов примерно уравновешивалось возникновением новых, с несколькими крупными временными нарушениями баланса, которые ученые называют массовыми вымираниями. Ученые давно считают, что массовые вымирания создают продуктивные периоды эволюции видов, или "излучения", - модель, называемую "созидательным разрушением". 

В новом исследовании, проведенном учеными из Института наук о жизни на Земле (ELSI) при Токийском технологическом институте, с помощью машинного обучения изучалась совместная повторяемость ископаемых видов, и было установлено, что излучения и вымирания редко связаны между собой, и, таким образом, массовые вымирания, вероятно, редко вызывают излучения сопоставимого масштаба.

Созидательное разрушение занимает центральное место в классических концепциях эволюции. Кажется очевидным, что существуют периоды, когда внезапно исчезает множество видов, и внезапно появляется множество новых видов. 

Однако излучения, сравнимые по масштабам с массовыми вымираниями, которые в данном исследовании названы массовыми излучениями, получили гораздо меньше анализа, чем вымирания. В данном исследовании сравнивается воздействие как вымирания, так и радиации в течение периода, для которого доступны окаменелости, так называемого фанерозойского эона. Фанерозой (от греческого "явная жизнь") представляет собой самый последний ~ 550-миллионолетний период из общей ~ 4,5 миллиардов лет истории Земли и имеет важное значение для палеонтологов: до этого периода большинство существовавших организмов были микробами, которые не могли легко образовывать окаменелости, поэтому предшествующую эволюционную историю трудно проследить. 

Новое исследование предполагает, что созидательное разрушение не является хорошим описанием того, как виды возникали или вымирали в фанерозое, и предполагает, что многие из самых выдающихся периодов эволюционного излучения происходили, когда жизнь выходила на новые эволюционные и экологические просторы, например, во время кембрийского взрыва разнообразия животных и каменноугольного расширения лесных биомов. Верно ли это в отношении предыдущих ~ 3 миллиардов лет, когда доминировали микробы, неизвестно, поскольку скудость зарегистрированной информации о таком древнем разнообразии не позволяла провести аналогичный анализ.

Палеонтологи определили несколько наиболее серьезных событий массового вымирания в фанерозойской летописи окаменелостей. К ним относятся, в основном, пять крупных массовых вымираний, например, массовое вымирание в конце пермского периода, когда, по оценкам, вымерло более 70% видов. 

Биологи предположили, что сейчас мы можем вступить в период "шестого массового вымирания", которое, по их мнению, в основном вызвано деятельностью человека, включая охоту и изменения в землепользовании, вызванные развитием сельского хозяйства. 

Общеизвестным примером предыдущих массовых вымираний "большой пятерки" является мелово-третичное вымирание (обычно сокращаемое как "К-Т", с использованием немецкого написания Cretaceous), которое, по-видимому, было вызвано падением метеорита на Землю ~65 миллионов лет назад, уничтожившим динозавров. 

Наблюдая за ископаемыми, ученые пришли к выводу, что массовые вымирания приводят к возникновению особенно продуктивных форм жизни. Например, принято считать, что в результате массового вымирания динозавров во время K-T образовалась брешь, которая позволила таким организмам, как млекопитающие, вновь заселиться и "излучиться", что дало возможность эволюции всевозможных новых видов млекопитающих, в конечном итоге заложив основу для появления человека. 

Другими словами, если бы не произошло событие "созидательного разрушения" возможно, мы бы не обсуждали этот вопрос.

Новое исследование началось со случайной беседы в "Агоре" - большом общем зале, где ученые и посетители ELSI часто обедают и заводят новые разговоры. Два автора статьи, эволюционный биолог Дженнифер Хойал Катхилл (в настоящее время научный сотрудник Университета Эссекса в Великобритании) и физик/эксперт в области машинного обучения Николас Гуттенберг (в настоящее время научный сотрудник Cross Labs, работающий в сотрудничестве с GoodAI в Чехии), которые на момент начала работы были постдокторантами в ELSI, обсуждали вопрос о том, можно ли использовать машинное обучение для визуализации и понимания ископаемых. Во время визита в ELSI, незадолго до того, как пандемия COVID-19 стала ограничивать международные поездки, они лихорадочно работали над расширением своего анализа, чтобы изучить корреляцию между вымиранием и радиационными событиями. Эти обсуждения позволили им соотнести свои новые данные с широтой существующих представлений о массовых вымираниях и радиации. 

Они быстро обнаружили, что эволюционные закономерности, выявленные с помощью машинного обучения, в ключевых аспектах отличаются от традиционных интерпретаций.

Команда использовала новое применение машинного обучения для изучения временной совместной встречаемости видов в фанерозойской летописи окаменелостей, изучив более миллиона записей в массивной базе данных, включающей почти двести тысяч видов.

Ведущий автор исследования доктор Хоял Катхилл сказал: "Одними из самых сложных аспектов понимания истории жизни являются огромные временные масштабы и количество видов. Новые приложения машинного обучения могут помочь нам, позволив визуализировать эту информацию в удобочитаемой для человека форме. Это означает, что мы можем, так сказать, держать в ладонях полмиллиарда лет эволюции и получать новые знания из того, что мы видим".

Используя свои объективные методы, они обнаружили, что "большая пятерка" массовых вымираний, ранее идентифицированных палеонтологами, была отнесена методами машинного обучения к 5% значительных нарушений, в которых вымирание опережало радиацию или наоборот, а также семь дополнительных массовых вымираний, два комбинированных массовых вымирания-радиации и пятнадцать массовых радиаций. Удивительно, но в отличие от предыдущих описаний, подчеркивающих важность радиации после вымирания, эта работа показала, что наиболее сопоставимые массовые радиации и вымирания лишь изредка совпадали во времени, опровергая идею причинно-следственной связи между ними.

Соавтор работы доктор Николас Гуттенберг сказал: "Экосистема динамична, не обязательно отламывать существующий кусок, чтобы появилось что-то новое".

Команда далее обнаружила, что излучения могут на самом деле вызывать серьезные изменения в существующих экосистемах, эту идею авторы называют "разрушительным созиданием". Они обнаружили, что в среднем в фанерозойский эон виды, составлявшие экосистему в любой момент времени, почти все исчезли через 19 миллионов лет. Но когда происходят массовые вымирания или радиации, скорость смены видов значительно выше.

Это позволяет по-новому взглянуть на то, как происходит современное "Шестое вымирание". Четвертичный период, начавшийся 2,5 миллиона лет назад, был свидетелем неоднократных климатических потрясений, включая резкие смены оледенений, когда высокоширотные районы Земли были покрыты льдом. Это означает, что нынешнее "Шестое вымирание" разрушает биоразнообразие, которое уже было нарушено, и авторы предполагают, что потребуется не менее 8 миллионов лет для того, чтобы оно вернулось к среднему долгосрочному показателю в 19 миллионов лет. 

Доктор Хойал Катхилл комментирует, что "каждое вымирание, происходящее на наших глазах, уничтожает вид, который, возможно, существовал миллионы лет до этого момента, что затрудняет нормальный процесс "возникновения новых видов" для замещения утраченного".