Künstliche Intelligenz hat beim massiven biologischen Aussterben der Erde erstaunliche Muster entdeckt
Künstliche Intelligenz hat beim massiven biologischen Aussterben der Erde erstaunliche Muster entdeckt
Anonim

Die Idee, dass Massenaussterben die Entwicklung vieler neuer Arten ermöglichen, ist ein zentrales Konzept für die Evolution, aber neue Forschungen, die künstliche Intelligenz zur Erforschung von Fossilien verwenden, haben gezeigt, dass dies selten der Fall ist, und es muss eine andere Erklärung geben, schreiben Wissenschaftler in einer neuen Studie, die in. veröffentlicht wurde Wissenschaftliches Eurekalert-Magazin.

Charles Darwins bahnbrechendes Werk On the Origin of Species endet mit einer exzellenten Zusammenfassung seiner Evolutionstheorie: „In dieser Ansicht wurde das Leben mit seinen vielfältigen Fähigkeiten ursprünglich in mehrere Formen oder eine eingeatmet, und während sich dieser Planet zyklisch gemäß das unveränderliche Gesetz der Schwerkraft, aus einem so einfachen Anfang haben sich endlose Formen, die schönsten und erstaunlichsten, entwickelt und entwickeln sich. Tatsächlich wissen Wissenschaftler heute, dass die meisten Arten, die jemals existierten, inzwischen ausgestorben sind.

Im Allgemeinen wurde während der gesamten Erdgeschichte das Aussterben von Arten durch das Auftauchen neuer Arten mit mehreren großen vorübergehenden Ungleichgewichten, die Wissenschaftler Massenaussterben nennen, in etwa ausgeglichen. Wissenschaftler haben lange geglaubt, dass Massenaussterben produktive Perioden der Artenentwicklung oder "Strahlung" erzeugen, ein Muster namens "kreative Zerstörung".

Eine neue Studie von Forschern des Institute of Life Sciences on Earth (ELSI) am Tokyo Institute of Technology untersuchte das gemeinsame Vorkommen fossiler Arten mithilfe von maschinellem Lernen und stellte fest, dass Emissionen und Aussterben selten miteinander verbunden sind und daher massive Aussterben wahrscheinlich sind selten Emissionen vergleichbarer Größenordnung zu erzeugen.

Kreative Zerstörung ist von zentraler Bedeutung für klassische Evolutionskonzepte. Es scheint klar, dass es Zeiten gibt, in denen viele Arten plötzlich verschwinden und viele neue Arten plötzlich auftauchen.

Emissionen, die in ihrer Größenordnung mit Massenaussterben vergleichbar sind, die in dieser Studie als Massenemissionen bezeichnet werden, wurden jedoch viel weniger analysiert als Aussterben. Diese Studie vergleicht die Auswirkungen von Extinktion und Strahlung über den Zeitraum, für den Fossilien verfügbar sind, das sogenannte Phanerozoikum. Das Phanerozoikum (aus dem Griechischen für "explizites Leben") stellt die allerletzten ~ 550 Millionen Jahre der insgesamt ~ 4,5 Milliarden Jahre Erdgeschichte dar und ist für Paläontologen wichtig: Vor dieser Zeit waren die meisten der existierenden Organismen Mikroben, die nicht einfach konnten Fossilien bilden, daher ist die bisherige Evolutionsgeschichte schwer nachzuvollziehen.

Neue Forschungen legen nahe, dass kreative Zerstörung keine gute Beschreibung dafür ist, wie Arten im Phanerozoikum entstanden oder ausgestorben sind, und legen nahe, dass viele der prominentesten Perioden der evolutionären Strahlung auftraten, als sich das Leben in neue evolutionäre und ökologische Weiten ausdehnte, wie zum Beispiel während des Kambriums Explosion, die Vielfalt der Tiere und die karbonische Ausbreitung der Waldbiome. Ob dies für die letzten ~ 3 Milliarden Jahre zutrifft, als Mikroben dominierten, ist unbekannt, da der Mangel an aufgezeichneten Informationen über eine so alte Vielfalt eine ähnliche Analyse nicht zuließ.

Paläontologen haben mehrere der schwerwiegendsten Massensterben im Fossilienbestand des Phanerozoikums identifiziert. Dazu zählen vor allem die fünf großen Massenaussterben, wie etwa das Massenaussterben am Ende des Perms, bei dem schätzungsweise mehr als 70 % der Arten ausgestorben waren.

Biologen haben vorgeschlagen, dass wir jetzt möglicherweise in eine "sechste Massenaussterbeperiode" eintreten, von der sie glauben, dass sie hauptsächlich durch menschliche Aktivitäten verursacht wird, einschließlich der Jagd und Landnutzungsänderungen, die durch die landwirtschaftliche Entwicklung verursacht werden

Ein bekanntes Beispiel für frühere „Big Five“-Massenaussterben ist das Kreide-Tertiär-Aussterben (normalerweise als „KT“abgekürzt, mit der deutschen Schreibweise Kreidezeit), das anscheinend durch einen Meteoriten verursacht wurde, der vor ~ 65 Millionen Jahren auf die Erde einschlug. wer hat die dinosaurier zerstört.

Bei der Beobachtung von Fossilien kamen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass Massenaussterben führen zur Entstehung besonders produktiver Lebensformen… Es ist zum Beispiel allgemein anerkannt, dass das massive Aussterben von Dinosauriern während K-T hat eine Lücke geschaffen, die Organismen wie Säugetieren ermöglichte, sich neu zu besiedeln und zu "strahlen", was die Entwicklung aller Arten neuer Säugetierarten ermöglichte, legt schließlich den Grundstein für die Entstehung des Menschen.

Mit anderen Worten, wenn das Ereignis der "schöpferischen Zerstörung" nicht eingetreten wäre, hätten wir dieses Thema vielleicht nicht diskutiert.

Die neue Studie begann mit einem lockeren Gespräch in der Agora, einem großen Gemeinschaftsraum, in dem ELSI-Stipendiaten und Besucher oft speisen und neue Gespräche führen. Die beiden Artikelautoren, die Evolutionsbiologin Jennifer Hoyal Cuthill (derzeit Research Fellow an der University of Essex in Großbritannien) und der Physiker / Experte für maschinelles Lernen Nicholas Guttenberg (derzeit Cross Labs Research Fellow in Zusammenarbeit mit GoodAI in der Tschechischen Republik), am Anfang der Arbeit stehen, diskutierten Postdoktoranden am ELSI, ob man mit maschinellem Lernen Fossilien visualisieren und verstehen könnte. Während eines Besuchs bei ELSI, kurz bevor die COVID-19-Pandemie begann, den internationalen Reiseverkehr einzuschränken, arbeiteten sie verzweifelt daran, ihre Analyse zu erweitern, um den Zusammenhang zwischen Aussterben und Strahlungsereignissen zu untersuchen. Diese Diskussionen ermöglichten es ihnen, ihre neuen Daten mit der Breite bestehender Ideen über Massenaussterben und Strahlung in Beziehung zu setzen.

Sie stellten schnell fest, dass sich die durch maschinelles Lernen identifizierten evolutionären Muster in wesentlichen Punkten von traditionellen Interpretationen unterschieden

Das Team nutzte eine neue Anwendung des maschinellen Lernens, um das zeitliche gemeinsame Auftreten von Arten im Fossilienbestand des Phanerozoikums zu untersuchen, indem es über eine Million Datensätze in einer riesigen Datenbank mit fast zweihunderttausend Arten untersuchte.

Hoyal Cathill, Hauptautor der Studie, sagte: "Einige der schwierigsten Aspekte beim Verständnis der Lebensgeschichte sind die bloßen Zeitskalen und die Anzahl der Arten. Neue Anwendungen des maschinellen Lernens können uns helfen, indem sie es uns ermöglichen, diese Informationen in menschenlesbarer Form zu visualisieren zu sprechen, in den Händen einer halben Milliarde Jahre Evolution zu halten und aus dem, was wir sehen, neues Wissen zu erhalten.

Mit ihren objektiven Methoden fanden sie heraus, dass die zuvor von Paläontologen identifizierten „Big Five“-Massenaussterben durch maschinelles Lernen auf 5 % signifikante Störungen zurückgeführt wurden, bei denen die Auslöschung der Strahlung voraus war oder umgekehrt, sowie sieben zusätzliche Massenaussterben, zwei kombiniert Massenaussterben - Strahlung und fünfzehn massive Strahlung. Überraschenderweise zeigte diese Arbeit im Gegensatz zu früheren Beschreibungen, die die Bedeutung der Strahlung nach der Extinktion hervorhoben, dass die am besten vergleichbare Massenstrahlung und Extinktionen nur gelegentlich zeitlich zusammenfielen, was die Idee einer kausalen Beziehung zwischen ihnen widerlegte.

Co-Autor Dr. Nicholas Gutenberg sagte: "Das Ökosystem ist dynamisch, man muss kein bestehendes Stück abbrechen, um etwas Neues zu schaffen."

Das Team entdeckte außerdem, dass Strahlung tatsächlich große Veränderungen in bestehenden Ökosystemen verursachen kann, eine Idee, die die Autoren als „zerstörerische Schöpfung“bezeichnen. Sie fanden heraus, dass im Durchschnitt während des Phanerozoikums die Arten, aus denen das Ökosystem zu einem bestimmten Zeitpunkt bestand, nach 19 Millionen Jahren fast alle verschwanden. Aber wenn Massenaussterben oder Strahlung auftreten, ist die Rate der Artenänderung viel höher.

Dies ermöglicht einen neuen Blick darauf, wie das aktuelle "Sechste Aussterben" geschieht. Das Quartär, das vor 2,5 Millionen Jahren begann, war Zeuge wiederholter Klimaschocks, einschließlich abrupter Veränderungen der Vereisungen, als Regionen der Erde in hohen Breiten mit Eis bedeckt waren. Das bedeutet, dass die aktuelle „Sechste Extinktion“bereits gestörte Biodiversität zerstört und die Autoren schätzen, dass es mindestens 8 Millionen Jahre dauern wird, bis sie wieder auf einen langjährigen Durchschnitt von 19 Millionen Jahren zurückkehrt

Dr. Hoyal Cathill kommentiert: „Jedes Aussterben, das vor unseren Augen stattfindet, zerstört eine Spezies, die vor diesem Moment möglicherweise Millionen von Jahren existiert hat, was es für den normalen Prozess des "Auftauchens neuer Arten" schwierig macht, die verlorenen zu ersetzen".

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