Искусственный интеллект перевернул взгляды учёных на эволюцию

Знаменательный опус Чарльза Дарвина "о происхождении видов" заканчивается прекрасным резюме его теории эволюции: "есть величие в этом взгляде на жизнь, с ее несколькими силами, первоначально вдохнутыми в несколько форм или в одну; и что, в то время как эта планета продолжала вращаться в соответствии с фиксированным законом тяготения, от такого простого начала развивались и развиваются бесконечные формы, самые прекрасные и самые чудесные."На самом деле, ученые теперь знают, что большинство видов, которые когда-либо существовали, вымерли.

Это вымирание видов, в целом, было примерно уравновешено появлением новых видов на протяжении всей истории Земли, с несколькими крупными временными дисбалансами, которые ученые называют массовым вымиранием. Ученые уже давно считают, что массовые вымирания создают продуктивные периоды видов эволюция, или "излучение", модель, называемая "созидательным разрушением"."Новое исследование, проведенное учеными, связанными с Институтом науки о жизни на Земле (ELSI) в Токийском технологическом институте, использовало машинное обучение для изучения совместного возникновения ископаемых видов и обнаружило, что излучения и вымирания редко связаны, и поэтому массовые вымирания, вероятно, редко вызывают излучения сопоставимого масштаба.

Созидательное разрушение занимает центральное место в классических концепциях эволюции. Кажется очевидным, что есть периоды, когда многие виды внезапно исчезают, и многие новые виды внезапно появляются. Однако излучения, сравнимые по масштабу с массовыми вымираниями, которые в этом исследовании, таким образом, называются массовыми излучениями, получили гораздо меньший анализ, чем события вымирания. В этом исследовании сравнивались последствия как вымирания, так и радиации в течение всего периода, для которого имеются окаменелости, так называемый Фанерозойский Эон. Фанерозойский период (от греческого слова "кажущаяся жизнь") представляет собой самый поздний ~ 550-миллионный период общей ~4,5-миллиардной истории Земли и имеет важное значение для палеонтологов: до этого периода большинство организмов, которые существовали, были микробами, которые не легко формировали окаменелости, поэтому предыдущие эволюционные записи трудно наблюдать. Новое исследование предполагает, что творческое разрушение не является хорошим описанием того, как виды возникли или вымерли во время фанерозоя, и предполагает, что многие из самых замечательных периодов эволюционной радиации произошли, когда жизнь вступила на новые эволюционные и экологические арены, такие как Кембрийский взрыв разнообразия животных и каменноугольное расширение лесных биомов. Верно ли это для предыдущих ~ 3 миллиардов лет, когда доминировали микробы, неизвестно, так как скудость записанной информации о таком древнем разнообразии не позволяла провести подобный анализ.

Палеонтологи выявили несколько наиболее серьезных случаев массового вымирания в фанерозойской ископаемой летописи. К ним в основном относятся массовые вымирания "Большой пятерки", такие как массовое вымирание в конце Перми, в ходе которого, по оценкам, вымерло более 70% видов. Биологи теперь предположили, что мы, возможно, вступаем в шестое массовое вымирание, которое, по их мнению, в основном вызвано деятельностью человека, включая охоту и изменения в землепользовании, вызванные расширением сельского хозяйства.

Широко известным примером предыдущих массовых вымираний " Большой пятерки "является вымирание в меловом и третичном периодах (обычно сокращенное как" к-Т", используя немецкое написание мелового периода), которое, по-видимому, было вызвано падением метеорита на Землю ~65 миллионов лет назад, уничтожив не-птичьих динозавров. Наблюдая за ископаемой летописью, ученые пришли к выводу, что массовые вымирания создают особенно продуктивные излучения. Например, в случае истребления динозавров к-Т традиционно предполагалось, что катастрофа создала пустошь, которая позволила организмам, таким как млекопитающие, реколонизироваться и "излучаться", что позволило эволюционировать всем видам новых млекопитающих, в конечном счете заложив основу для появления людей. Другими словами, если бы к-т-событие "созидательного разрушения" не произошло, возможно, мы не были бы здесь, чтобы обсуждать этот вопрос.

Новое исследование началось с непринужденной дискуссии в "Агоре" Элси, большой общей комнате, где ученые и посетители Элси часто обедают и заводят новые разговоры. Два автора статьи, эволюционный биолог Дженнифер Хойал Катхилл (ныне научный сотрудник Эссекского университета в Великобритании) и физик/специалист по машинному обучению Николас Гуттенберг (ныне научный сотрудник Cross Labs, работающий в сотрудничестве с GoodAI в Чешской Республике), которые оба были аспирантами в ELSI, когда началась работа, обсуждали вопрос о том, можно ли использовать машинное обучение для визуализации и понимания ископаемой летописи.

Во время визита в Элси, как раз перед тем, как пандемия COVID-19 начала ограничивать международные поездки, они лихорадочно работали над расширением своего анализа, чтобы изучить корреляцию между вымиранием и радиационными событиями. Эти дискуссии позволили им соотнести свои новые данные с широтой существующих представлений о массовых вымираниях и радиациях. Они быстро обнаружили, что эволюционные паттерны, выявленные с помощью машинного обучения, существенно отличаются от традиционных интерпретаций.

Команда использовала новое применение машинного обучения для изучения временного сосуществования видов в фанерозойской ископаемой летописи, изучив более 1 миллиона записей в массивной, кураторской публичной базе данных, включающей почти 200 000 видов.

Ведущий автор доктор Хойал Катхилл сказал: "Некоторые из наиболее сложных аспектов понимания истории жизни - это огромные временные масштабы и количество вовлеченных видов. Новые приложения машинного обучения могут помочь нам визуализировать эту информацию в удобочитаемой форме. Это означает, что мы можем, так сказать, держать полмиллиарда лет эволюции в своих ладонях и получать новые знания из того, что мы видим."

Используя свои объективные методы, они обнаружили, что" большая пятерка " событий массового вымирания ранее выявленные палеонтологами были подобраны методами машинного обучения как входящие в топ-5% значительных нарушений, в которых вымирание опережало радиацию или наоборот, как и семь дополнительных массовых вымираний, два комбинированных массовых вымирания-радиационные события и 15 массовых излучений. Удивительно, но в отличие от предыдущих повествований, подчеркивающих важность излучения после вымирания, эта работа обнаружила, что наиболее сопоставимые массовые излучения и вымирания лишь изредка соединялись во времени, опровергая идею причинно-следственной связи между ними.

Соавтор доктор Николас Гуттенберг сказал: "экосистема динамична, вам не обязательно откалывать существующий кусок, чтобы позволить появиться чему-то новому."

Команда также обнаружила, что радиация может на самом деле вызвать серьезные изменения в существующих экосистемах, идею, которую авторы называют "разрушительным созиданием"."Они обнаружили, что в течение Фанерозойского Эона, в среднем, виды, которые составляли экосистему в любой момент времени, почти все исчезли на 19 миллионов лет позже. Но когда происходят массовые вымирания или радиации, эта скорость оборота намного выше.

Это дает новый взгляд на то, как происходит современное шестое вымирание. Четвертичный период, начавшийся 2,5 миллиона лет назад, был свидетелем неоднократных климатических потрясений, включая драматические чередования оледенений, когда высокоширотные места на Земле были покрыты льдом. Это означает, что нынешнее шестое вымирание разрушает биологическое разнообразие, которое уже было нарушено, и авторы предполагают, что потребуется не менее 8 миллионов лет, чтобы оно вернулось к долгосрочному среднему показателю в 19 миллионов лет. Доктор Хойал Катхилл говорит: "каждое вымирание то, что происходит на наших глазах, стирает вид, который, возможно, существовал миллионы лет до сих пор, затрудняя нормальный процесс возникновения новых видов, чтобы заменить то, что теряется."

Источник: phys.org