樊雋軒教授、軒教新聞沈樹忠院士團(tuán)隊(duì)研究成果入選“2020年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”
（神秘的授沈樹忠地球uux.cn報(bào)道）據(jù)新華報(bào)業(yè)網(wǎng)（交匯點(diǎn)記者 楊頻萍）：生命的史詩(shī)與生物演化共舞。如何再現(xiàn)遠(yuǎn)古生命的院士研究恢弘史詩(shī)？1月20日，2020年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞揭曉，團(tuán)隊(duì)南京大學(xué)、成果中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所的入選樊雋軒教授、沈樹忠院士團(tuán)隊(duì)的年中成果入選。
記者了解到，科技團(tuán)隊(duì)在“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)支持下，進(jìn)展讓大數(shù)據(jù)和超算等新科技與古老化石的樊雋碰撞，繪制出全球第一條高精度的軒教新聞古生代海洋生物多樣性變化曲線，較國(guó)際同類研究的授沈樹忠精度提高了400倍左右。該成果于去年1月17日在《科學(xué)》雜志以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表。院士研究
重建生命歷史，團(tuán)隊(duì)石頭‘天書’為何難讀？
生命起源與演化是世界十大科學(xué)之謎，也是《科學(xué)》雜志列出的125個(gè)重大科學(xué)問題之一。
要回溯并重建遠(yuǎn)古生命的歷史，必須要依靠一本本“石頭書”。
沈樹忠院士科普道，“當(dāng)走進(jìn)科羅拉多大峽谷，你會(huì)看到厚厚的地層，那就像一本碩大無比的‘石頭大書’，巖石中各種各樣的化石包含地質(zhì)信息，就像是書里的文字。生命演化的真諦保存在各種地層記錄之中，化石記錄是唯一開啟地球生命歷史進(jìn)程的窗口。”
但是這本“天書”并不易讀。一方面，化石的“文字”就像遺失的古代書簡(jiǎn)，已經(jīng)殘缺不全，“如今，地球上曾經(jīng)生活過的生物中99%以上已經(jīng)滅絕，但只有很少一部分能保存為化石。”而另一方面，現(xiàn)有的化石記錄散落在各地，數(shù)量不小且非常零碎。
在整個(gè)地球歷史上，可能存在過的物種也許在40億種之多，要恢復(fù)生命演化的全部歷史，首先要把那些已經(jīng)消失的物種盡可能多地都統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。
沈樹忠介紹，早在上個(gè)世紀(jì)70，80年代開始，就有人著手將化石記錄收集起來，美國(guó)芝加哥大學(xué)的古生物學(xué)家杰克·塞科斯基（Jack Sepkoski）耗費(fèi)了十多年的時(shí)間，收集北美、歐洲等地的化石記錄，構(gòu)建了第一個(gè)較為完整的古生物數(shù)據(jù)庫(kù)，“地球的歷史太長(zhǎng)了，他的時(shí)間單位只能做到以千萬年計(jì)算，也就是統(tǒng)計(jì)每千萬年里的海洋生物科的數(shù)目。”
1982年，杰克·塞科斯基和大衛(wèi)·駱普（David Raup）建立了第一條自 6 億年以來地球生物的多樣性曲線，人們獲知，自6億年前到4億多年前之間，生物多樣性快速增加，其后發(fā)生了五次生物大滅絕，分別發(fā)生在約4.4 6億年前的奧陶紀(jì)末、3.64 億年前的泥盆紀(jì)晚期、2.52 億年前的二疊紀(jì)末期、2 億年前的三疊紀(jì)末期和6600 萬年前的白堊紀(jì)末期，最近的這一次生物大滅絕造成了恐龍?jiān)诘厍蛏舷А?br>1998年，在美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，一批美國(guó)與歐洲的古生物學(xué)家聯(lián)合，發(fā)起了一個(gè)大型的古生物數(shù)據(jù)庫(kù)項(xiàng)目，2008年，這些科學(xué)家重新計(jì)算了過去六億年的地球生物多樣性曲線，盡管數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)比之前的復(fù)雜，但由于時(shí)間尺度仍然是以千萬計(jì)，會(huì)直接影響對(duì)古生物多樣性的估算，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確評(píng)估生物多樣性的變化速率和模式，“換句話說，低于這個(gè)1000萬年以下的大的突發(fā)性重大生物事件，將無法識(shí)別，漫長(zhǎng)生命史中短時(shí)間的劇烈波動(dòng)也可能遺漏。”
在此次研究中，團(tuán)隊(duì)收集了大量的地層剖面和化石記錄，從中遴選了3112個(gè)地層剖面、11268個(gè)海洋化石物種的26萬個(gè)化石數(shù)據(jù)。“這些化石占中國(guó)化石總量的80%，分布在不同地區(qū)各個(gè)角落，如何零星的點(diǎn)，串起來完整的故事曲線？”沈樹忠表示，像這樣通過不完整的化石記錄重建地球歷史生物多樣性的變化規(guī)律是一個(gè)重大科學(xué)難題。
超算，將“編年史”融合為一本史詩(shī)
如何在更精確的時(shí)間尺度上，重建生命演化的歷史？樊雋軒教授告訴記者，在擁有了海量化石記錄之后，研究還需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的突破，“針對(duì)這些古生物大數(shù)據(jù)的全新算法進(jìn)行計(jì)算；同時(shí)我們還需要強(qiáng)大的算力。”
樊雋軒告訴記者，由于化石中攜帶了大量信息需要甄別，因此傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不再適合使用。“化石存在保存和采樣的強(qiáng)度的差別，不是所有的動(dòng)物死后都能變成化石，也不是所有的化石都能被發(fā)現(xiàn)，所以我們找到的各個(gè)化石出現(xiàn)和消失的時(shí)間往往不完整，只會(huì)是化石真實(shí)壽命的一個(gè)‘子集’。這就導(dǎo)致一個(gè)問題，那就是化石的出現(xiàn)或消失的先后順序可能會(huì)不準(zhǔn)確。”
樊雋軒打了個(gè)比方，比如在不同史書當(dāng)中，李白和杜甫的出生時(shí)間記錄可能不同，拿一本書單獨(dú)看可能會(huì)發(fā)生誤差，我們可以將每個(gè)化石挖掘點(diǎn)找到的化石記錄，看成是一本化石編年史，每本編年史都是不完整的，“有的記錄了李白出生更早，有的則是杜甫更早，我們需要融合起來進(jìn)行比對(duì)，再選擇其中概率最大的一種可能性。”
為什么計(jì)算機(jī)需要龐大的算力呢？因?yàn)槿绻悄脙蓚€(gè)物種的化石對(duì)比，他們相互之間的關(guān)系有六種，當(dāng)三種物種對(duì)比，相互關(guān)系就有90種可能性……“當(dāng)統(tǒng)計(jì)的物種數(shù)量上升到1萬個(gè)時(shí)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算需要17年！”樊雋軒說，要獲得這樣的時(shí)間分辨率，必須使用超級(jí)計(jì)算機(jī)。
2015年開始，團(tuán)隊(duì)在超級(jí)計(jì)算機(jī)上開發(fā)新的算法，“天河二號(hào)”上部署的這一超算版本，也是首次在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的地層學(xué)程序。“這一技術(shù)革新，讓過去17年才能完成的計(jì)算提高到2-3天就能完成。”樊雋軒說。
樊雋軒表示，研究團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了兩三年時(shí)間，結(jié)合模擬退火算法和遺傳算法，自主開發(fā)了一套針對(duì)生命演化分析的算法。自主開發(fā)了基于并行計(jì)算的約束最優(yōu)化方法-CONOP.SAGA，最終獲得了全新的寒武紀(jì)-早三疊世海洋無脊椎動(dòng)物的復(fù)合多樣性曲線，將生物多樣性的分辨率從1000多萬年精細(xì)到2.6萬年，較國(guó)際同類研究的精度提高了400倍左右，新建立的多樣性變化曲線更加準(zhǔn)確地重現(xiàn)了地質(zhì)歷史中最大的三次生物滅絕事件和兩次重大生物輻射事件的精細(xì)過程。
全球變冷時(shí)，地球生命最輝煌？
生物多樣性的曲線精確到令人驚嘆，但其背后的意義，與人類本身相關(guān)。
“了解地球上生命的演化歷程，是人類了解自身由來、以及未來演化的重要手段。” 沈樹忠表示，“我們必須回答生命演化中三個(gè)基本問題，現(xiàn)今復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)是如何形成的？生命如何從一種形式演化到另一種形式？深時(shí)生物圈中是否存在災(zāi)變和多樣化事件，這些都需要進(jìn)一步探索過去的生物多樣性。”
此外，地質(zhì)歷史中生物多樣性的重大變化，通常也伴隨著環(huán)境的劇烈波動(dòng)。在地球歷史中，曾經(jīng)發(fā)生過重大的生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的突變，導(dǎo)致了多次生物大滅絕事件。
沈樹忠介紹，利用古生物數(shù)據(jù)庫(kù)重建地質(zhì)歷史全球生物多樣性模式，揭示地球生命的演化歷史，以及與環(huán)境變化之間的關(guān)系，可以為了解當(dāng)前的地球生物多樣性危機(jī)提供重要啟示。
“我們將碳、氧、鍶同位素、沉積物質(zhì)總量、大氣二氧化碳含量等一些與氣候密切相關(guān)的環(huán)境指標(biāo)參數(shù)與我們的多樣性曲線進(jìn)行了初步的比較，發(fā)現(xiàn)生命的興衰與大氣二氧化碳的變化存在同步的現(xiàn)象。” 樊雋軒說，從新建立的古生代海洋生物多樣性演變曲線可見，2.52億年前發(fā)生了人類迄今為止識(shí)別出的最大規(guī)模的生物滅絕事件，導(dǎo)致約81%的海洋生物在數(shù)萬年內(nèi)迅速滅亡，這一事件的發(fā)生，與當(dāng)時(shí)全球氣候的快速升溫密切相關(guān)。
而代表“地球生命輝煌階段”的重要生物輻射事件，兩次分別發(fā)生在4.9-4.7億年前和3.4-3億年前，并均與當(dāng)時(shí)全球氣候的逐漸變冷同步。沈樹忠表示，有數(shù)據(jù)指出目前地球上正經(jīng)歷前所未有的生物大滅絕事件當(dāng)中，當(dāng)今地球是否處于一次生物大滅絕之中？如果是，如何阻止？ “全球變暖是當(dāng)今地球生態(tài)系統(tǒng)惡化的主因嗎？未來我們可能需要建立高時(shí)間分辨率的環(huán)境因素曲線，與生物多樣性曲線進(jìn)行更加準(zhǔn)確、可靠的對(duì)比分析。”根據(jù)化石記錄重建的生物多樣性變化與環(huán)境演變歷史是能給我們答案的唯一途徑。
相關(guān)報(bào)道：2020年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞發(fā)布 化石大數(shù)據(jù)+超算，繪制地球3億年歷史
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)南京晨報(bào)（愛南京記者 王晶卉）：幾億年前的遠(yuǎn)古地球上，演繹著什么樣的生命故事？1月20日上午，2020年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞發(fā)布，南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院樊雋軒教授和沈樹忠院士領(lǐng)銜的研究成果成功入選。該團(tuán)隊(duì)借助超算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)手段，繪制出地球3億多年生命演化的歷史！
搜集化石記錄并非易事
生命起源與演化是世界十大科學(xué)之謎之一。據(jù)了解，地球上曾經(jīng)生活過的生物99%以上已經(jīng)滅絕，而通過化石記錄了解生物演化歷程，是認(rèn)識(shí)地球的生物多樣性現(xiàn)狀與人類居住環(huán)境未來發(fā)展趨勢(shì)的重要途徑。
“當(dāng)走進(jìn)科羅拉多大峽谷，你會(huì)看到厚厚的地層，那就像一本碩大無比的‘石頭大書’，巖石中各種各樣的化石包含地質(zhì)信息，就像是書里的文字。”沈樹忠院士說，生命演化的真諦保存在各種地層記錄之中，化石記錄是唯一開啟地球生命歷史進(jìn)程的窗口。
但是，搜集化石記錄并非易事，很多生物已隨時(shí)間湮滅，只有很少一部分能保存為化石。如何通過不完整的化石記錄重建地球的生命演化進(jìn)程是一個(gè)重大科學(xué)難題。從上世紀(jì)七八十年代起，歐美一些古生物學(xué)家就開始著手構(gòu)建古生物數(shù)據(jù)庫(kù)，但是由于地球歷史過于漫長(zhǎng)，時(shí)間單位只能做到以千萬年計(jì)算，難以重現(xiàn)生命演化的精細(xì)過程。
耗時(shí)17年的計(jì)算兩三天完成
據(jù)了解，南大科研團(tuán)隊(duì)與中科院南京地質(zhì)古生物研究所等國(guó)內(nèi)外單位合作，歷時(shí)多年，遴選出3112個(gè)地層剖面，以及11268個(gè)海洋化石物種的26萬條化石數(shù)據(jù)，自建了龐大的化石大數(shù)據(jù)庫(kù)。
如何快速處理這些海量的數(shù)據(jù)？以前，科學(xué)家們通常使用相對(duì)簡(jiǎn)單粗糙且不均一的時(shí)間標(biāo)尺進(jìn)行分析，難以準(zhǔn)確評(píng)估生物多樣性的變化速率和模式，并可能掩蓋突發(fā)性的重大生物事件。而此次科研團(tuán)隊(duì)則利用超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”開發(fā)出了新的算法。
“計(jì)算速度的大幅提升，是這項(xiàng)研究能獲得重要突破的前提。通過我們研發(fā)的全新算法，我們將17年才能完成的計(jì)算提高到兩三天就能完成！”樊雋軒說。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)獲得了全球第一條高精度的古生代3億多年前的海洋生物多樣性變化曲線，其時(shí)間分辨率約為2.6萬年，較國(guó)際同類研究的精度提高了400倍。
新曲線精確刻畫出地質(zhì)歷史中規(guī)模最大的三次生物滅絕事件以及兩次重大生物輻射事件的精細(xì)過程。《Science》評(píng)述該研究“將推動(dòng)整個(gè)演化古生物學(xué)的變革”，《Nature》評(píng)述“古生物學(xué)家以驚人的細(xì)節(jié)繪制出地球3億年歷史”。
史上生物滅絕事件警示后人
探尋地球生命演化的意義是什么？沈樹忠說，我們必須回答生命演化中三個(gè)基本問題，現(xiàn)今復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)是如何形成的？生命如何從一種形式演化到另一種形式？生物圈中是否存在災(zāi)變和多樣化事件，這些都需要進(jìn)一步探索過去的生物多樣性。
“這項(xiàng)研究獲得了全新的化石多樣性數(shù)據(jù)，重現(xiàn)了地質(zhì)歷史時(shí)期所發(fā)生的三次最大的生物滅絕事件的精細(xì)過程。”沈樹忠說，其中2.52億年前發(fā)生了人類迄今為止識(shí)別出的最大規(guī)模的生物滅絕事件，導(dǎo)致約81%的海洋生物在數(shù)萬年內(nèi)迅速滅亡，這項(xiàng)成果對(duì)于我們認(rèn)識(shí)當(dāng)今人類活動(dòng)導(dǎo)致的第六次生物大滅絕以及與全球氣候變化之間的關(guān)系，有著重要的科學(xué)價(jià)值。
此外，在此次研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，4.9億-4.7億年前的中晚奧陶世和3.4億-3億年前的石炭-二疊紀(jì)，全球氣候變冷，海洋平均溫度下降5℃左右，但生物多樣性卻大幅增加。
沈樹忠表示，利用古生物數(shù)據(jù)庫(kù)重建地質(zhì)歷史全球生物多樣性模式，揭示地球生命的演化歷史，以及與環(huán)境變化之間的關(guān)系，可以為了解當(dāng)前的地球生物多樣性危機(jī)提供重要啟示。
附：2020年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞
1、嫦娥五號(hào)探測(cè)器完成我國(guó)首次地外天體采樣返回之旅 科學(xué)研究啟動(dòng)；2、北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射成功 北斗全球系統(tǒng)星座部署完成；3、深潛再傳捷報(bào) 我國(guó)無人潛水器和載人潛水器均取得新突破；4、我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)水平井鉆采深海可燃冰；5、科學(xué)家找到小麥“癌癥”克星；6、科學(xué)家達(dá)到“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑；7、科學(xué)家重現(xiàn)地球3億多年生物多樣性變化歷史；8、我國(guó)最高參數(shù)“人造太陽(yáng)”建成；9、科學(xué)家攻克20余年懸而未決的幾何難題；10、機(jī)器學(xué)習(xí)模擬上億原子：中美團(tuán)隊(duì)獲2020高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最高獎(jiǎng)項(xiàng)戈登貝爾獎(jiǎng)。
相關(guān)報(bào)道：科學(xué)家重現(xiàn)地球3億多年 生物多樣性變化歷史
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)金陵晚報(bào)（通訊員 南大萱 融媒體記者 談潔）：如何再現(xiàn)遠(yuǎn)古生命的恢弘史詩(shī)？1月20日上午，“2020年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”結(jié)果發(fā)布，南京大學(xué)樊雋軒教授、沈樹忠院士的研究成果入選。該團(tuán)隊(duì)在“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)支持下，讓大數(shù)據(jù)和超算等新科技與古老化石的碰撞，繪制出全球第一條高精度的古生代海洋生物多樣性變化曲線，較國(guó)際同類研究的精度提高了400倍左右。
生命起源與演化是世界十大科學(xué)之謎之一。要回溯并重建遠(yuǎn)古生命的歷史，必須要依靠一本本“石頭書”。“當(dāng)走進(jìn)科羅拉多大峽谷，你會(huì)看到厚厚的地層，那就像一本碩大無比的‘石頭大書’，巖石中各種各樣的化石包含地質(zhì)信息，就像是書里的文字。生命演化的真諦保存在各種地層記錄之中，化石記錄是唯一開啟地球生命歷史進(jìn)程的窗口。”沈樹忠說。
地球上曾經(jīng)生活過的生物99%以上已經(jīng)滅絕，通過化石記錄重建地球生物多樣性變化的歷史，了解生物演化歷程，是認(rèn)識(shí)地球的生物多樣性現(xiàn)狀與人類居住環(huán)境未來發(fā)展趨勢(shì)的重要途徑。樊雋軒教授和沈樹忠院士的科研團(tuán)隊(duì)，與中科院南京地質(zhì)古生物研究所等國(guó)內(nèi)外單位合作，遴選出3112個(gè)地層剖面，以及11268個(gè)海洋化石物種的26萬條化石數(shù)據(jù)，自建大型數(shù)據(jù)庫(kù)，自主研發(fā)人工智能算法，利用“天河二號(hào)”超算取得突破，獲得了全球第一條高精度的古生代3億多年前的海洋生物多樣性變化曲線，其時(shí)間分辨率約為2.6萬年，較國(guó)際同類研究的精度提高了400倍。
新曲線精確刻畫出地質(zhì)歷史中規(guī)模最大的三次生物滅絕事件以及兩次重大生物輻射事件的精細(xì)過程。該成果于2020年1月以Article形式發(fā)表于Science。Science評(píng)述該研究“將推動(dòng)整個(gè)演化古生物學(xué)的變革”，Nature評(píng)述“古生物學(xué)家以驚人的細(xì)節(jié)繪制出地球3億年歷史”。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，從新建立的古生代海洋生物多樣性演變曲線可見，2.52億年前發(fā)生了人類迄今為止識(shí)別出的最大規(guī)模的生物滅絕事件，導(dǎo)致約81%的海洋生物在數(shù)萬年內(nèi)迅速滅亡，這一事件的發(fā)生，與當(dāng)時(shí)全球氣候的快速升溫密切相關(guān)。而代表“地球生命輝煌階段”的重要生物輻射事件，兩次分別發(fā)生在4.9億-4.7億年前和3.4億-3億年前，并均與當(dāng)時(shí)全球氣候的逐漸變冷同步。
沈樹忠表示，希望可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善全球化石樣本數(shù)據(jù)，采集更多世界范圍內(nèi)的化石記錄，將來可以把整個(gè)地球歷史的化石記錄都做到自主研發(fā)的大數(shù)據(jù)庫(kù)里，幫助更好地認(rèn)知地球生物多樣性現(xiàn)狀和規(guī)律，在更精確的時(shí)間尺度上，重建生命演化的歷史，進(jìn)而給地球和人類的未來走向更多啟示。
中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞年度評(píng)選活動(dòng)由中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)工程院主辦，至今已舉辦了27次，使公眾進(jìn)一步了解國(guó)內(nèi)外科技發(fā)展的動(dòng)態(tài)，對(duì)宣傳、普及科學(xué)技術(shù)起到了積極作用。