科学技术部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）日前发布了2020年度中国科学十大进展。南京大学沈树忠院士、樊隽轩教授领衔研发的“大数据刻画出迄今最高精度的地球3亿年生物多样性演变历史”成功入选。而在前不久，这一成果刚刚入选了两院院士评选的“2020年中国十大科技进展新闻”。

生命起源与演化是世界十大科学之谜之一，南京大学沈树忠、樊隽轩团队在“天河二号”超级计算机支持下，让大数据和超算等新科技与古老化石的碰撞，绘制出全球第一条高精度的古生代海洋生物多样性变化曲线，较国际同类研究的精度提高了400倍左右。该成果去年已在《科学》杂志以长文形式在线发表。

扬子晚报/紫牛新闻记者杨甜子

A重建生命历史，石头“天书”很难读

生命起源与演化是世界十大科学之谜。要回溯并重建远古生命的历史，必须要依靠一本本“石头书”。沈树忠院士介绍，“岩石中各种各样的化石包含地质信息，就像是书里的文字。生命演化的真谛保存在各种地层记录之中，化石记录是唯一开启地球生命历史进程的窗口。”

在此次研究中，团队收集了大量的地层剖面和化石记录，从中遴选了3112个地层剖面、11268个海洋化石物种的26万个化石数据。“这些化石占中国化石总量的80%，分布在不同地区各个角落，”沈树忠表示，像这样通过不完整的化石记录重建地球历史生物多样性的变化规律是一个重大科学难题。

B超算将“编年史”融合为一本史诗

如何在更精确的时间尺度上，重建生命演化的历史？樊隽轩教授告诉记者，在拥有了海量化石记录之后，研究还需要实现两个方面的突破，“针对这些古生物大数据的全新算法进行计算；同时我们还需要强大的算力。”

樊隽轩告诉记者，“我们找到的各个化石出现和消失的时间往往不完整，只会是化石真实寿命的一个‘子集’。”樊隽轩打了个比方，比如在不同史书当中，李白和杜甫的出生时间记录可能不同，拿一本书单独看可能会发生误差，我们可以将每个化石挖掘点找到的化石记录，看成是一本化石编年史，每本编年史都是不完整的，“有的记录了李白出生更早，有的则是杜甫更早，我们需要融合起来进行比对，再选择其中概率最大的一种可能性。”

“当统计的物种数量上升到1万个时，传统计算机运算需要17年！”樊隽轩说，要获得这样的时间分辨率，必须使用超级计算机。2015年开始，团队在超级计算机上开发新的算法，“天河二号”上部署的这一超算版本，也是首次在超级计算机上运行的地层学程序，“这一技术革新，让过去17年才能完成的计算提高到2-3天就能完成。”樊隽轩表示，团队自主开发了一套针对生命演化分析的算法，最终获得了全新的寒武纪-早三叠世海洋无脊椎动物的复合多样性曲线，将生物多样性的分辨率从1000多万年精细到2.6万年，更准确地重现了地质历史中最大的三次生物灭绝事件和两次重大生物辐射事件的精细过程。

C全球变冷时地球生命最辉煌？

沈树忠介绍，利用古生物数据库重建地质历史全球生物多样性模式，揭示地球生命的演化历史，以及与环境变化之间的关系，可以为了解当前的地球生物多样性危机提供重要启示。

“我们将碳、氧、锶同位素、沉积物质总量、大气二氧化碳含量等一些与气候密切相关的环境指标参数与我们的多样性曲线进行了初步的比较，发现生命的兴衰与大气二氧化碳的变化存在同步的现象。”樊隽轩说，从新建立的古生代海洋生物多样性演变曲线可见，2.52亿年前发生了人类迄今为止识别出的最大规模的生物灭绝事件，导致约81%的海洋生物在数万年内迅速灭亡，这一事件的发生，与当时全球气候的快速升温密切相关。

而代表“地球生命辉煌阶段”的重要生物辐射事件，两次分别发生在4.9-4.7亿年前和3.4-3亿年前，并均与当时全球气候的逐渐变冷同步。

运算速度

传统计算机需要17年

超算只需2-3天

生物多样性分辨率

从1000多万年

精细到2.6万年