NTU团队Science发布消息！化石大数据揭示了地球早期生命进化的奥秘

2024-12-21

2024年12月20日，南京大学地球科学与工程学院唐卿研究员、沈树忠教授等多家中外科研机构在顶级学术期刊Science上以长文的形式发布了重要研究成果。该研究通过建立早期的地球化石大数据，利用超级计算和人工智能等分析方法，首次绘制了地球从20到5亿年前的高精度生物多样性演变历史，大约15亿年前，揭示了地球的早期生命最终演变成了约5亿年前的复杂生态系统，经历了许多大辐射和大灭绝。这项研究弥补了早期地球生物多样性进化的空白，为澄清早期地球生命的起源和进化规律、探索外来生命是否存在以及宜居地球的可持续发展提供了重要的理论基础和参考。

化石是记录生命进化的最直接证据。然而，在5亿年前漫长的地球初期，生命，尤其是有细胞核发育的真核生物，是什么时候开始出现并留下第一个化石记录的？作为所有现代高等生物的祖先，早期的生命是如何进化出我们现在看到的五彩缤纷的生物世界的？由于研究方法的限制，这些关系到我们从哪里来，要去哪里的重大科学问题长期得不到准确的答案。

针对上述难题，研究团队花了六年时间创建了世界上数据最全、信息量最大的早期地球古生物地层数据库。该团队创新性地将超级计算和人工智能等大数据分析方法相结合，构建了迄今为止第一个早期地球高精度生物多样性曲线。

结果表明，在大约17亿年前出现了第一个可靠的真核生物化石之后，它的多样性一直保持在较低的水平上。直至大约7.2亿年前，全球大冰期的出现打断了生命进化的原始进程。由于大冰期事件的结束，地球物种的多样性开始迅速增加，并且经常发生起伏，造成数次大的生物辐射和大的灭绝。它包括大约6.35-5.8亿年前的生物辐射事件，以及生物进化史上第一次大灭绝事件，导致当时的优势类型——大量带刺的微生物灭绝。此后，形态较为复杂的宏体生物(包括动物)迎来了快速辐射。然而，在埃迪卡拉纪末(约5.51-5.39亿年前)，这些复杂的宏体生物遭遇了两次明显的多元化减少，代表了动物进化史上最早的两次大灭绝。

本研究首次用大数据方法定量揭示了地球早期15亿年的生命进化过程，定量勾勒出复杂生命的起源、辐射、灭绝、再次辐射到现代生态系统形成的早期历史过程。上述数据表明，雪球地球等极端气候事件的发生将严重阻止地球早期生物圈的演变过程，造成生物灭绝。随着大冰期事件的结束，地面温度的升高和大气氧含量的增加导致了新一轮复杂的生物辐射事件，进一步验证了生命从简单到复杂的演变不是简单的线性，而是一种长期停滞和相对快速的辐射替代发展的方式。这项研究还突出了地面温度、氧气含量等环境因素的剧烈变化对地球复杂生命系统早期进化的巨大影响，为科学家探索极端环境下的地外生命，评估未来地球的宜居性提供了重要参考。

许多Science审稿人评论说，这项研究最终带来了地球早期高精度生物多样性演变曲线的长期缺失；这条曲线所揭示的真核生物大辐射和大灭绝事件，将引发一波探索地球早期生命与环境协同演变的热潮。

这项研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会和国际大科学计划——“深时数字地球”（DDE）等待项目支持。