樊雋軒教授、沈樹忠院士團隊研究成果入選“2020年中國十大科技進展新聞”

2025-12-08 04:11:59 分類：探索 閱讀(719)

樊雋軒教授、軒教新聞沈樹忠院士團隊研究成果入選“2020年中國十大科技進展新聞”
（神秘的授沈樹忠地球uux.cn報道）據新華報業網（交匯點記者 楊頻萍）：生命的史詩與生物演化共舞。如何再現遠古生命的院士研究恢弘史詩？1月20日，2020年中國十大科技進展新聞揭曉，團隊南京大學、成果中國科學院南京地質古生物所的入選樊雋軒教授、沈樹忠院士團隊的年中成果入選。
記者了解到，科技團隊在“天河二號”超級計算機支持下，進展讓大數據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》雜志以長文形式在線發表。院士研究
重建生命歷史，團隊石頭‘天書’為何難讀？
生命起源與演化是世界十大科學之謎，也是《科學》雜志列出的125個重大科學問題之一。
要回溯并重建遠古生命的歷史，必須要依靠一本本“石頭書”。
沈樹忠院士科普道，“當走進科羅拉多大峽谷，你會看到厚厚的地層，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，已經殘缺不全，“如今，地球上曾經生活過的生物中99%以上已經滅絕，但只有很少一部分能保存為化石。”而另一方面，現有的化石記錄散落在各地，數量不小且非常零碎。
在整個地球歷史上，可能存在過的物種也許在40億種之多，要恢復生命演化的全部歷史，首先要把那些已經消失的物種盡可能多地都統計在內。
沈樹忠介紹，早在上個世紀70，80年代開始，就有人著手將化石記錄收集起來，美國芝加哥大學的古生物學家杰克·塞科斯基（Jack Sepkoski）耗費了十多年的時間，收集北美、歐洲等地的化石記錄，構建了第一個較為完整的古生物數據庫，“地球的歷史太長了，他的時間單位只能做到以千萬年計算，也就是統計每千萬年里的海洋生物科的數目。”
1982年，杰克·塞科斯基和大衛·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，其后發生了五次生物大滅絕，分別發生在約4.4 6億年前的奧陶紀末、3.64 億年前的泥盆紀晚期、2.52 億年前的二疊紀末期、2 億年前的三疊紀末期和6600 萬年前的白堊紀末期，最近的這一次生物大滅絕造成了恐龍在地球上消失。
1998年，在美國國家自然科學基金委的支持下，一批美國與歐洲的古生物學家聯合，發起了一個大型的古生物數據庫項目，2008年，這些科學家重新計算了過去六億年的地球生物多樣性曲線，盡管數據庫遠比之前的復雜，但由于時間尺度仍然是以千萬計，會直接影響對古生物多樣性的估算，導致無法準確評估生物多樣性的變化速率和模式，“換句話說，低于這個1000萬年以下的大的突發性重大生物事件，將無法識別，漫長生命史中短時間的劇烈波動也可能遺漏。”
在此次研究中，團隊收集了大量的地層剖面和化石記錄，從中遴選了3112個地層剖面、11268個海洋化石物種的26萬個化石數據。“這些化石占中國化石總量的80%，分布在不同地區各個角落，如何零星的點，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律是一個重大科學難題。
超算，將“編年史”融合為一本史詩
如何在更精確的時間尺度上，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，研究還需要實現兩個方面的突破，“針對這些古生物大數據的全新算法進行計算；同時我們還需要強大的算力。”
樊雋軒告訴記者，由于化石中攜帶了大量信息需要甄別，因此傳統的方法已經不再適合使用。“化石存在保存和采樣的強度的差別，不是所有的動物死后都能變成化石，也不是所有的化石都能被發現，所以我們找到的各個化石出現和消失的時間往往不完整，只會是化石真實壽命的一個‘子集’。這就導致一個問題，那就是化石的出現或消失的先后順序可能會不準確。”
樊雋軒打了個比方，比如在不同史書當中，李白和杜甫的出生時間記錄可能不同，拿一本書單獨看可能會發生誤差，我們可以將每個化石挖掘點找到的化石記錄，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行比對，再選擇其中概率最大的一種可能性。”
為什么計算機需要龐大的算力呢？因為如果是拿兩個物種的化石對比，他們相互之間的關系有六種，當三種物種對比，相互關系就有90種可能性……“當統計的物種數量上升到1萬個時，傳統計算機運算需要17年！”樊雋軒說，要獲得這樣的時間分辨率，必須使用超級計算機。
2015年開始，團隊在超級計算機上開發新的算法，“天河二號”上部署的這一超算版本，也是首次在超級計算機上運行的地層學程序。“這一技術革新，讓過去17年才能完成的計算提高到2-3天就能完成。”樊雋軒說。
樊雋軒表示，研究團隊花費了兩三年時間，結合模擬退火算法和遺傳算法，自主開發了一套針對生命演化分析的算法。自主開發了基于并行計算的約束最優化方法-CONOP.SAGA，最終獲得了全新的寒武紀-早三疊世海洋無脊椎動物的復合多樣性曲線，將生物多樣性的分辨率從1000多萬年精細到2.6萬年，較國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確地重現了地質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過程。
全球變冷時，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。
“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基本問題，現今復雜生態系統是如何形成的？生命如何從一種形式演化到另一種形式？深時生物圈中是否存在災變和多樣化事件，這些都需要進一步探索過去的生物多樣性。”
此外，地質歷史中生物多樣性的重大變化，通常也伴隨著環境的劇烈波動。在地球歷史中，曾經發生過重大的生態系統和環境的突變，導致了多次生物大滅絕事件。
沈樹忠介紹，利用古生物數據庫重建地質歷史全球生物多樣性模式，揭示地球生命的演化歷史，以及與環境變化之間的關系，可以為了解當前的地球生物多樣性危機提供重要啟示。
“我們將碳、氧、鍶同位素、沉積物質總量、大氣二氧化碳含量等一些與氣候密切相關的環境指標參數與我們的多樣性曲線進行了初步的比較，發現生命的興衰與大氣二氧化碳的變化存在同步的現象。” 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，2.52億年前發生了人類迄今為止識別出的最大規模的生物滅絕事件，導致約81%的海洋生物在數萬年內迅速滅亡，這一事件的發生，與當時全球氣候的快速升溫密切相關。
而代表“地球生命輝煌階段”的重要生物輻射事件，兩次分別發生在4.9-4.7億年前和3.4-3億年前，并均與當時全球氣候的逐漸變冷同步。沈樹忠表示，有數據指出目前地球上正經歷前所未有的生物大滅絕事件當中，當今地球是否處于一次生物大滅絕之中？如果是，如何阻止？ “全球變暖是當今地球生態系統惡化的主因嗎？未來我們可能需要建立高時間分辨率的環境因素曲線，與生物多樣性曲線進行更加準確、可靠的對比分析。”根據化石記錄重建的生物多樣性變化與環境演變歷史是能給我們答案的唯一途徑。
相關報道：2020年中國十大科技進展新聞發布 化石大數據+超算，繪制地球3億年歷史
（神秘的地球uux.cn報道）據南京晨報（愛南京記者 王晶卉）：幾億年前的遠古地球上，演繹著什么樣的生命故事？1月20日上午，2020年中國十大科技進展新聞發布，南京大學地球科學與工程學院樊雋軒教授和沈樹忠院士領銜的研究成果成功入選。該團隊借助超算、大數據等現代技術手段，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之謎之一。據了解，地球上曾經生活過的生物99%以上已經滅絕，而通過化石記錄了解生物演化歷程，是認識地球的生物多樣性現狀與人類居住環境未來發展趨勢的重要途徑。
“當走進科羅拉多大峽谷，你會看到厚厚的地層，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程的窗口。
但是，搜集化石記錄并非易事，很多生物已隨時間湮滅，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程是一個重大科學難題。從上世紀七八十年代起，歐美一些古生物學家就開始著手構建古生物數據庫，但是由于地球歷史過于漫長，時間單位只能做到以千萬年計算，難以重現生命演化的精細過程。
耗時17年的計算兩三天完成
據了解，南大科研團隊與中科院南京地質古生物研究所等國內外單位合作，歷時多年，遴選出3112個地層剖面，以及11268個海洋化石物種的26萬條化石數據，自建了龐大的化石大數據庫。
如何快速處理這些海量的數據？以前，科學家們通常使用相對簡單粗糙且不均一的時間標尺進行分析，難以準確評估生物多樣性的變化速率和模式，并可能掩蓋突發性的重大生物事件。而此次科研團隊則利用超級計算機“天河二號”開發出了新的算法。
“計算速度的大幅提升，是這項研究能獲得重要突破的前提。通過我們研發的全新算法，我們將17年才能完成的計算提高到兩三天就能完成！”樊雋軒說。經過反復計算和驗證，團隊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，其時間分辨率約為2.6萬年，較國際同類研究的精度提高了400倍。
新曲線精確刻畫出地質歷史中規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過程。《Science》評述該研究“將推動整個演化古生物學的變革”，《Nature》評述“古生物學家以驚人的細節繪制出地球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基本問題，現今復雜生態系統是如何形成的？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變和多樣化事件，這些都需要進一步探索過去的生物多樣性。
“這項研究獲得了全新的化石多樣性數據，重現了地質歷史時期所發生的三次最大的生物滅絕事件的精細過程。”沈樹忠說，其中2.52億年前發生了人類迄今為止識別出的最大規模的生物滅絕事件，導致約81%的海洋生物在數萬年內迅速滅亡，這項成果對于我們認識當今人類活動導致的第六次生物大滅絕以及與全球氣候變化之間的關系，有著重要的科學價值。
此外，在此次研究中，研究人員發現，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，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，利用古生物數據庫重建地質歷史全球生物多樣性模式，揭示地球生命的演化歷史，以及與環境變化之間的關系，可以為了解當前的地球生物多樣性危機提供重要啟示。
附：2020年中國十大科技進展新聞
1、嫦娥五號探測器完成我國首次地外天體采樣返回之旅 科學研究啟動；2、北斗三號最后一顆全球組網衛星發射成功 北斗全球系統星座部署完成；3、深潛再傳捷報 我國無人潛水器和載人潛水器均取得新突破；4、我國率先實現水平井鉆采深海可燃冰；5、科學家找到小麥“癌癥”克星；6、科學家達到“量子計算優越性”里程碑；7、科學家重現地球3億多年生物多樣性變化歷史；8、我國最高參數“人造太陽”建成；9、科學家攻克20余年懸而未決的幾何難題；10、機器學習模擬上億原子：中美團隊獲2020高性能計算應用領域最高獎項戈登貝爾獎。
相關報道：科學家重現地球3億多年 生物多樣性變化歷史
（神秘的地球uux.cn報道）據金陵晚報（通訊員 南大萱 融媒體記者 談潔）：如何再現遠古生命的恢弘史詩？1月20日上午，“2020年中國十大科技進展新聞”結果發布，南京大學樊雋軒教授、沈樹忠院士的研究成果入選。該團隊在“天河二號”超級計算機支持下，讓大數據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之謎之一。要回溯并重建遠古生命的歷史，必須要依靠一本本“石頭書”。“當走進科羅拉多大峽谷，你會看到厚厚的地層，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程的窗口。”沈樹忠說。
地球上曾經生活過的生物99%以上已經滅絕，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，是認識地球的生物多樣性現狀與人類居住環境未來發展趨勢的重要途徑。樊雋軒教授和沈樹忠院士的科研團隊，與中科院南京地質古生物研究所等國內外單位合作，遴選出3112個地層剖面，以及11268個海洋化石物種的26萬條化石數據，自建大型數據庫，自主研發人工智能算法，利用“天河二號”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，其時間分辨率約為2.6萬年，較國際同類研究的精度提高了400倍。
新曲線精確刻畫出地質歷史中規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過程。該成果于2020年1月以Article形式發表于Science。Science評述該研究“將推動整個演化古生物學的變革”，Nature評述“古生物學家以驚人的細節繪制出地球3億年歷史”。
研究團隊發現，從新建立的古生代海洋生物多樣性演變曲線可見，2.52億年前發生了人類迄今為止識別出的最大規模的生物滅絕事件，導致約81%的海洋生物在數萬年內迅速滅亡，這一事件的發生，與當時全球氣候的快速升溫密切相關。而代表“地球生命輝煌階段”的重要生物輻射事件，兩次分別發生在4.9億-4.7億年前和3.4億-3億年前，并均與當時全球氣候的逐漸變冷同步。
沈樹忠表示，希望可以在現有基礎上，進一步完善全球化石樣本數據，采集更多世界范圍內的化石記錄，將來可以把整個地球歷史的化石記錄都做到自主研發的大數據庫里，幫助更好地認知地球生物多樣性現狀和規律，在更精確的時間尺度上，重建生命演化的歷史，進而給地球和人類的未來走向更多啟示。
中國十大科技進展新聞年度評選活動由中國科學院和中國工程院主辦，至今已舉辦了27次，使公眾進一步了解國內外科技發展的動態，對宣傳、普及科學技術起到了積極作用。