在地球漫長的歷史中，曾發生過5次大規模的生物滅絕事件，其中最為嚴重的一次發生在距今約2.52億年的二疊紀與三疊紀之交。這次大滅絕，造成80%以上的生物物種滅絕。而對此次大滅絕事件前后生物形態的演化模式，長期以來未有定論。
2022年起，中國地質大學（武漢）地球科學學院教授宋海軍團隊利用深度學習方法，開發了一個自動化模型（命名DeepMorph），對這一問題展開研究。近日，相關成果發表在國際學術期刊《自然·生態與進化》（Nature Ecology&Evolution）上。
中青報·中青網記者近日對該論文的第一作者、中國地質大學（武漢）地球科學學院2020級博士生劉小康進行了專訪。
劉小康介紹，生物形態多樣性，即不同物種在形態上的差異，是衡量生物多樣性的重要指標之一。以往的研究通常認為，在大滅絕時期，某一生物門類的物種多樣性和形態多樣性增減方向一致；但有研究通過對生物化石形態、結構的分析表明，二者存在不一致性。此外，不同的分析樣本、不同的分析方法等因素，導致科學家們對同一課題的研究結果也不同，科學結論眾說紛紜。
劉小康在博士研究生階段注意到，近年來隨著人工智能和計算機硬件的發展，深度學習方法在處理復雜和大批量數據中表現出強勁的性能，并且具有高度自動化的實現流程，“基于深度學習的生物形態學研究，有望為探究生物演化提供新的視角”。
團隊早期工作包括使用深度學習方法開展基于圖像化石形態的智能識別。為此，團隊搜集和整理了包括所有常見化石的50個類別、41.53萬張照片的化石圖像數據集，以及涵蓋22個類別、3.08萬張照片的薄片化石數據集，并實現了基于化石圖像的形態特征自動提取、數字化處理。
利用DeepMorph模型，團隊對菊石、腕足動物、介形蟲、雙殼類、腹足類和牙形動物在內的6個海洋生物門類、總計599個屬的化石圖像展開分析。對比全球古生物數據庫顯示，其研究樣本占比6個門類已知屬的83%，研究具備普遍意義。
團隊研究發現，在二疊紀與三疊紀大滅絕期間，包含菊石、腕足動物在內的5個門類，經歷了形態多樣性的損失，并對復雜和裝飾性的形態進行了選擇性滅絕，那些大型、復雜和強烈紋飾的形態類型滅絕更嚴重。不過，它們的演化模式并不相同：菊石是側向選擇性滅絕，腕足類和介形蟲是邊緣選擇性滅絕，雙殼類和腹足類是隨機形態滅絕。
劉小康舉例說，菊石是古-中生代海洋中常見的游泳動物，在這次大滅絕事件中形態多樣性出現急劇下降。菊石在這次滅絕中表現出明顯的形態選擇性——弱殼飾、表面光滑的菊石更容易殘存，滅絕后新生的菊石，也具有殼飾減弱的特點。
不過，不同于上述5個門類，牙形動物則沒有表現出形態選擇性滅絕的跡象，并在大滅絕后形態多樣性持續增加。
“這種滅絕的選擇性和強度，可能是由復雜的多因素影響所致，反映出不同演化枝和形態類型對環境耐受閾值的差異。”劉小康分析，大滅絕時期，強烈的火山噴發事件導致二氧化碳快速釋放和海水酸化，菊石、腕足動物、雙殼類等鈣質生物對環境變化反應劇烈，對它們而言也更難建造復雜、厚重的殼體和紋飾，導致物種大量減少并伴隨形態多樣性的降低。而牙形動物相對更適應大滅絕后的環境，趁機占據更多的“地盤”，并發展出多樣的形態。
“這項研究，不僅加深了我們對古生物形態演化的理解，更為我們評估現代生物多樣性面臨的滅絕風險提供了科學依據。”劉小康說，通過分析化石記錄中的形態多樣性在大滅絕事件前后的變化，可以更好地預測和應對當前生物多樣性面臨的威脅。
在研究中，團隊發現，新開發的這一深度學習模型，不僅加快了形態數據提取過程，還減少了人為主觀性，研究路徑有助于研究結果的可重復性和客觀性，“這為未來開展深度學習與地球生物學的更多交叉研究提供了可能。”劉小康說。
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（原載《中國青年報》2024年8月5日）
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