復雜生物出現是生命演化史上重要的革新事件，意味著地球生物圈從以微生物為主的世界轉入以動、植物大規模發育為特征的宏體復雜生命世界。距今25億至5.39億年的元古宙見證了單細胞真核生物起源、簡單多細胞化以及復雜多細胞生物初步輻射的演化歷程。長期以來，關于上述演化歷程的認知，缺乏大數據層面的定量研究。
12月20日，中國科學院南京地質古生物研究所早期生命研究團隊與南京大學、美國弗吉尼亞理工大學、香港大學等單位的科研人員合作，在《科學》（Science）上發表了關于元古宙復雜生物早期演化的重要成果。
該研究歷時六年，創建了全球數據最全的早期地球古生物地層數據庫，結合超算和人工智能等大數據分析手段，首次繪制了地球距今20億至5億年前元古宙至寒武紀早期的真核生物多樣性演化曲線。同時，該研究揭示了復雜生命經歷元古宙中期漫長的早期演化歷程并在新元古代發生多次大輻射和大滅絕事件。這一成果填補了地球早期真核生物多樣性宏演化的空白。
自20世紀80年代至今，中國科學家在“復雜生物起源和早期演化”方向取得了一系列進展。南京古生物所早期生命研究團隊在研究員袁訓來的帶領下，與國內外多家科研單位合作，研究了埃迪卡拉紀藍田生物群、甕安生物群、石板灘生物群和拉伸紀淮南生物群、石旺莊生物群、遼南生物群等多個早期生命的化石寶庫。
化石是記錄生命演化的最直接證據。而在5億年以前漫長的早期地球階段，發育細胞核的真核生物是何時出現并留第一個化石記錄？作為所有現代高等生命的祖先，早期復雜生物如何一路逢兇化吉并最終進化出如今五彩繽紛的地球生物圈？受限于研究方法，這些關系到“我們從哪里來”“要到哪里去”的重要科學問題尚無準確回答。
針對上述難解之謎，聯合團隊在長期對早期生命化石及其產出地層開展研究的基礎上，創建了目前全球數據最全、信息量最大的早期地球古生物地層數據庫，創新性地結合超算和人工智能等大數據分析手段，首次繪制出地球距今20億至5億年前元古宙至寒武紀早期的真核生物多樣性曲線。數據庫覆蓋單細胞真核生物化石、多細胞或多核體藻類化石、動物實體化石與遺跡化石等類型，收錄了2731種化石的12820條首現記錄與末現記錄以及相關地層的數據。研究定量展示了跨度長達15億年的高精度復雜生命早期演化歷史，揭示了地球上復雜生命是如何經歷元古宙中期漫長的早期演化歷程以及新元古代的多次大輻射和大滅絕事件后，最終為“寒武紀大爆發”期間現代類型的復雜生態系統的建立鋪平道路。這一成果填補了早期地球真核生物多樣性宏演化的空白，為剖析地球復雜生命起源和早期演化規律，探索地外生命是否存在以及宜居地球的可持續發展奠定了理論基礎并提供了借鑒。
研究發現，隨著第一個可信的真核生物化石在距今約17億年前出現后，真核生物多樣性保持較低但穩定增長的模式。直到約7.2億年前全球性“雪球地球”大冰期出現，打斷了真核生命演化的既定進程。隨著“雪球地球”事件結束，真核生物的物種多樣性開始迅速增加并頻繁發生波動，在埃迪卡拉紀發生多次生物大輻射和大滅絕事件。其中包括約6.35億到5.8億年前的生物大輻射事件，以及緊隨其后發生的真核生物演化史上的第一次大滅絕事件，導致當時的優勢類型即表面具有復雜刺狀裝飾的微型真核生物大量滅絕。此后，以動物為代表的形態更復雜的宏體生物迎來了快速輻射。而這些體形較大的復雜生物在埃迪卡拉紀末期遭遇兩次明顯的多樣性下降，代表了動物演化史上最早的兩次大滅絕事件，且早于眾所周知的顯生宙的五次大滅絕事件。
該研究首次用大數據方法揭示了早期地球15億年的生命演化歷程，定量化地勾畫了復雜生命的起源、輻射、滅絕、再次輻射至現代復雜生態系統形成的早期演化過程。以上研究表明，“雪球地球”大冰期、噶斯奇厄斯冰期等極端氣候事件嚴重阻礙地球早期生物圈的演化進程，導致生物大滅絕事件出現。而隨著大冰期事件結束，地表溫度回暖以及大氣氧含量升高等促成了新一輪復雜生物大輻射事件，進一步證實了生命從簡單到復雜的演化不是簡單的線性歷程而是呈長期滯緩與相對快速輻射交替的發展模式。這一成果凸顯了地表溫度與氧氣含量等環境因素驟變對早期地球復雜生命演化的重要影響。
多位審稿人評價道，“該研究終于帶來了長期缺失的早期地球高精度生物多樣性演化曲線”，“該曲線揭示的真核生物大輻射和大滅絕事件將激發一大波探索早期地球生命與環境協同演化的熱潮”。
研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、“深時數字地球”國際大科學計劃等的支持。
論文鏈接
早期地球高精度真核生物多樣性曲線
元古宙-寒武紀早期地球-生命系統的演化過程
本文鏈接：大數據定量分析揭示地球復雜生命早期演化奧秘http://m.sq15.cn/show-12-535-0.html
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