大数据定量揭示地球复杂生命早期演化的奥秘

图1 早期地球高精度真核生物多样性曲线

图2 元古宙-寒武纪早期地球-生命系统的演化过程

（化石网cnfossil.com）据中国科学院南京地质古生物研究所：复杂生物的出现是生命演化史上极为重要的革新事件，意味着地球生物圈从以微生物为主的世界转入以动、植物大规模发育为特征的宏体复杂生命世界。距今25-5.39亿年的元古宙见证了单细胞真核生物起源、简单多细胞化以及复杂多细胞生物初步辐射的演化历程。然而长期以来，我们对上述演化历程的理解缺乏大数据层面的定量阐述。

12月20日，中国科学院南京地质古生物研究所早期生命研究团队与南京大学、美国弗吉尼亚理工大学、香港大学等10家单位合作，共计20位作者在《科学》（Science）杂志上以研究长文形式发表关于元古宙复杂生物早期演化的重要研究成果。

该研究历时六年，创建了全球数据最全的早期地球古生物地层数据库，结合了超算和人工智能等大数据分析手段，首次绘制了地球距今20亿至5亿年前元古宙至寒武纪早期的真核生物多样性演化曲线。揭示了复杂生命经历了元古宙中期漫长的早期演化历程，并在新元古代发生了多次大辐射和大灭绝事件。研究填补了关于地球早期真核生物多样性宏演化的空白。论文的第一作者为南京大学研究员唐卿，通讯作者为研究员唐卿，南京古生物所研究员庞科，中国科学院院士、南京大学教授沈树忠和美国国家科学院院士、弗吉尼亚理工大学教授肖书海。

自上世纪80年代至今，中国科学家在“复杂生物起源和早期演化”方向取得了一系列的突破性进展，在国际相关学术界获得了良好的声誉，并取得了重要的学术地位。这些成绩一方面得益于中国古生物学家的勤奋工作与刻苦钻研，对科学目标的长期执着追求；另一方面更是数代研究者开拓创新、积极进取地发现一个又一个早期生命化石宝库的结果。南京古生物所早期生命研究团队在研究员袁训来的带领下，与国内外多家科研单位合作，深入研究了埃迪卡拉纪蓝田生物群、瓮安生物群、石板滩生物群和拉伸纪淮南生物群、石旺庄生物群、辽南生物群等多个早期生命的化石宝库。长期以来，团队负责人袁训来尤其注重对年轻学者的培养，鼓励他们勇于创新，探索未知领域，近10年来先后有5名团队培养的年轻学者分别以第一作者或通讯作者身份在《自然》（Nature）和《科学》（Science）杂志上发表研究论文。本次亦是南京古生物所早期生命研究团队继2024年6月在《自然》（Nature）杂志上发表研究论文之后，年度内合作发表的第二篇国际顶级杂志论文。

化石是记录生命演化的最直接证据。但在5亿年以前漫长的早期地球阶段，发育细胞核的真核生物是什么时候开始出现并留下它的第一个化石记录的？作为所有现代高等生命的祖先，早期复杂生物如何一路逢凶化吉并最终进化出如今的五彩缤纷的地球生物圈？这些关系到我们从哪里来，要到哪里去的重大科学问题，由于研究方法的限制长期得不到准确的解答。

针对以上难解之谜，在长期对早期生命化石及其产出地层开展研究的基础上，联合研究团队历时六年，创建了目前全球数据最全、信息量最大的早期地球古生物地层数据库，创新性地结合了超算和人工智能等大数据分析手段，首次绘制了地球距今20亿至5亿年前元古宙至寒武纪早期的真核生物多样性曲线。数据库覆盖了单细胞真核生物化石、多细胞或多核体藻类化石、动物实体化石与遗迹化石等类型，收录了共计2731种化石的12820条首现记录与末现记录以及相关地层的数据。研究定量展示了跨度长达15亿年的高精度复杂生命早期演化历史，揭示了地球上的复杂生命是如何经历了元古宙中期漫长的早期演化历程以及新元古代的多次大辐射和大灭绝事件之后，最终为“寒武纪大爆发”期间现代类型的复杂生态系统的建立铺平道路。该研究填补了关于早期地球真核生物多样性宏演化的空白，为阐明地球复杂生命起源和早期演化规律、探索地外生命是否存在以及宜居地球的可持续发展提供重要的理论基础和借鉴。

研究结果表明，随着第一个可信的真核生物化石在距今约17亿年前出现之后，真核生物的多样性一直保持较低但稳定增长的模式。直到约7.2亿年前全球性“雪球地球”大冰期的出现，打断了真核生命演化的既定进程。随着“雪球地球”事件的结束，真核生物的物种多样性开始迅速增加并且频繁发生波动，在埃迪卡拉纪发生多次生物大辐射和大灭绝事件。其中包括约6.35亿到5.8亿年前的生物大辐射事件，以及紧随其后发生的真核生物演化史上的第一次大灭绝事件，导致当时的优势类型——表面具有复杂刺状装饰的微型真核生物的大量灭绝。在此之后，以动物为代表的形态更为复杂的宏体生物迎来了快速辐射。但这些体型较大的复杂生物在埃迪卡拉纪末期（距今约5.51-5.39亿年前）又遭遇了两次明显的多样性下降，代表了动物演化史上最早的两次大灭绝事件，早于众所周知的显生宙的五次大灭绝事件。

本研究首次用大数据的方法揭示了早期地球15亿年的生命演化历程，定量化地勾画了复杂生命的起源、辐射、灭绝、再次辐射至现代复杂生态系统形成的早期演化过程。以上数据表明“雪球地球”大冰期、噶斯奇厄斯（Gaskiers）冰期等极端气候事件的发生会严重阻碍地球早期生物圈的演化进程，导致生物大灭绝事件的出现。而随着大冰期事件的结束，地表温度回暖以及大气氧含量升高等促成了新一轮复杂生物大辐射事件，进一步证实了生命从简单到复杂的演化并不是简单线性的历程，而是呈长期滞缓与相对快速辐射交替发展的模式。该项研究也凸显了地表温度与氧气含量等环境因素的骤变对早期地球复杂生命演化的巨大影响，这对科学家探索极端环境下的地外生命和评估未来地球的宜居性演化提供了重要参考。

本篇《科学》（Science）论文在评审过程中，多位审稿人评价道：“该研究终于带来了长期缺失的早期地球高精度生物多样性演化曲线”、“该曲线揭示的真核生物大辐射和大灭绝事件将激发一大波探索早期地球生命与环境协同演化的热潮”。

此项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委以及国际大科学计划—“深时数字地球”（DDE）等项目的支持。

论文链接：Tang, Q.*, Zheng, W., Zhang, S., Fan, J., Riedman, L.A., Hou, X., Muscente, A.D., Bykova, N., Sadler, P.M., Wang, X., Zhang, F., Yuan, X., Zhou, C., Wan, B., Pang, K.*, Ouyang, Q., McKenzie, N.R., Zhao, G., Shen, S.*, Xiao, S.* 2024. Quantifying the global biodiversity of Proterozoic eukaryotes. Science, 386: eadm9137.www.science.org/doi/10.1126/science.adm9137

（化石网cnfossil.com）据南京大学：2024年12月20日，南京大学地球科学与工程学院唐卿研究员和沈树忠院士等联合中外多家科研单位在顶级学术期刊Science上以长文形式发表重要研究成果。该研究通过建立早期地球化石大数据，利用超算和人工智能等分析方法首次绘制了地球从20到5亿年前，约15亿年的高精度生物多样性演化历史，揭示了地球上的早期生命是通过漫长的演化历程，经历多次大辐射和大灭绝事件后，最终演化出约5亿年前的复杂生态系统。该研究填补了关于早期地球生物多样性宏演化的空白，为阐明早期地球生命起源和演化规律、探索地外生命是否存在以及宜居地球的可持续发展提供重要的理论基础和借鉴。

化石是记录生命演化的最直接证据。但在5亿年以前漫长的早期地球阶段，生命，尤其是发育有细胞核的真核生物是什么时候开始出现并留下它的第一个化石记录的？作为所有现代高等生物的祖先，早期生命是如何逢凶化吉进化出我们现在看到的五彩缤纷的生物世界？这些事关我们从哪里来，要到哪里去的重大科学问题由于研究方法的限制长期得不到准确地解答。

针对以上难解之谜，研究团队耗时六年时间创建了目前全球数据最全、信息量最大的早期地球古生物地层数据库。团队创新性地结合了超算和人工智能等大数据分析手段，建立起迄今第一条早期地球高精度生物多样性曲线。

研究结果表明，随着第一个可信的真核生物化石在约17亿年前出现后，其多样性一直保持较低但稳定增长的模式。直到约7.2亿年前全球性大冰期的出现打断了生命演化的原有进程。随着大冰期事件的结束，地球物种多样性开始迅速增加并且频繁发生波动，造成多次生物大辐射和大灭绝事件。其中包括约6.35到5.8亿年前的生物大辐射事件，以及紧随其后发生的生物演化史上第一次大灭绝事件，导致当时的优势类型——带刺的微体生物大量灭绝。在此之后，形态更为复杂的宏体生物（包括动物）迎来了快速辐射。但这些复杂宏体生物在埃迪卡拉纪末（约5.51至5.39亿年前）又遭遇了两次明显的多样性下降，代表了动物演化史上最早的两次大灭绝事件。

本研究首次用大数据方法定量化地揭示了早期地球15亿年的生命演化历程，定量勾画了复杂生命的起源、辐射、灭绝、再次辐射至现代生态系统形成的早期历史过程。以上数据表明雪球地球等极端气候事件的发生会严重阻止地球早期生物圈的演化进程，导致生物大灭绝事件出现。而随着大冰期事件的结束，地表温度回暖以及大气氧含量升高促成了新一轮复杂生物大辐射事件，进一步证实了生命从简单到复杂的演化并不是简单线性的，而是呈长期滞缓与相对快速辐射交替发展的模式。该项研究也凸显了地表温度与氧气含量等环境因素的骤变对早期地球复杂生命系统演化的巨大影响，这为科学家探索极端环境下的地外生命和评估未来地球的宜居性提供了重要参考。

多位Science审稿人评价：该研究终于带来了长期缺失的早期地球高精度生物多样性演化曲线；该曲线揭示的真核生物大辐射和大灭绝事件将激发一大波探索早期地球生命与环境协同演化的热潮。

此项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委以及国际大科学计划——“深时数字地球”（DDE）等项目的支持。

（化石网cnfossil.com）据光明日报全媒体（记者 王美莹）：生命起源及早期演化是生命科学领域的一大未解之谜。北京时间2024年12月20日，南京大学地球科学与工程学院研究员唐卿和中国科学院院士沈树忠等科学家，联合中外多家科研单位在《科学》杂志以长文形式发表重要研究成果。该研究利用早期地球化石大数据，首次绘制了地球从20亿年前到5亿年前、间隔约15亿年的高精度生物多样性演化历程，勾画出复杂生命的起源、辐射、灭绝、再次辐射至现代生态系统形成的早期历史过程。

关于5.4亿年以来现代生态系统的生物多样性，目前已有大量研究成果。受5亿年以前化石数量稀少、地层年龄界定模糊、缺少合适的统计方法等方面的限制，关于早期地球生命的高精度定量化研究长期是一个空白。唐卿介绍，研究团队耗时6年创建了迄今全球数据最全、信息量最大的早期地球古生物地层数据库，共收录13658条化石数据点，并创新性地结合超算和人工智能等大数据分析手段，运用高精度地质时间轴的概念和方法，建立起早期地球高精度生物多样性曲线。

研究发现，全球大冰期事件是地球早期生命演化的分水岭。在大约7.2亿年前的全球性大冰期事件之前，地球物种多样性一直保持较低但稳定增长的模式；但随着大冰期的结束，生物多样性开始迅速增加并且频繁发生波动。例如，大约6.35亿年到5.8亿年前发生的真核生物大辐射事件，以及紧随其后发生的生物演化史上第一次大灭绝事件，导致当时的优势类型——带刺的微体生物大量灭绝。此后，包括动物在内的复杂宏体生物快速增长，但在大约5.51亿年至5.39亿年前又遭遇两次明显的多样性下降，代表了动物演化史上最早的两次大灭绝事件。

数据表明，“雪球地球”等极端气候事件的发生会严重阻止地球早期生物圈的演化进程，导致生物大灭绝事件出现。随着大冰期事件的结束，地表温度回暖和大气氧含量升高促成新一轮复杂生物大辐射事件，进一步证实了生命从简单到复杂的演化并非简单线性，而是呈现长期滞缓与相对快速辐射交替发展的模式。研究还显示出地表温度与氧气含量等环境因素的骤变对早期地球复杂生命系统演化的巨大影响。

“该研究不仅填补了关于早期地球生物多样性演化的空白，还为阐明早期地球复杂生命起源和演化规律、探索地外生命是否存在以及宜居地球的可持续发展提供科学参考。”沈树忠表示。