对3112个地层剖面、11268个海洋化石物种、26万个化石数据进行搜集、整理和分析，深时数字地球国际卓越研究中心（苏州）的研究成果，入选2020年度“中国科学十大进展”——

为地球绘制史前“家谱”

浩瀚星空，地球转动不息。从人类意识觉醒开始，探索的脚步从未停止。

生命起源与演化是世界十大科学之谜，也是《科学》杂志列出的125个重大科学问题之一。

前不久，深时数字地球国际卓越研究中心（苏州）核心成员、中国科学院院士沈树忠和南京大学教授樊隽轩团队的研究成果——“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”，入选2020年度“中国科学十大进展”“中国科学十大科技进展新闻”“中国高等学校十大科技进展”等。

3112个地层剖面、11268个海洋化石物种、26万个化石数据……生命演化的真谛保存在各种地层记录之中，研究团队通过持之不懈的搜集、整理、分析，对远古生命进行全新“画像”，为地球绘制出一本史前“家谱”，较国际同类研究精度提高400倍左右，开启探寻地球历史进程的新窗口。

带着对科学宇宙的深情叩问，3月21日，深时数字地球国际大科学计划第六次工作推进会在昆山启幕。在为期4天的会议里，包括该研究团队在内的76位中国科学院院士和两百多位国内外专家学者，为大科学计划把脉问诊，携手加速地球内部潜藏数十亿年的“地球演化生命密码”破解进程。

统计点从25个增至1.5万个

更精准刻画古生命演化曲线图

“地球上的一层层石头，如同‘天书’中的一页页纸张。化石及其中的信息，不仅可以还原时间坐标系，还蕴含着当时的生活环境信息。”沈树忠告诉记者，但这本“石头天书”并不易读。

在整个地球历史中，可能存在过的物种有40亿种之多，要恢复生命演化的全部历史，首先要把那些已经消失的物种尽可能多地统计在内。但化石的“文字”就像遗失的古代书简，已经残缺不全。如今，地球上曾经生活过的生物99%以上已经灭绝，只有很少一部分保存为化石。现有的化石记录散落在各地，要收集起来并不容易。

三叶虫化石

其实，从上世纪七八十年代开始，美国芝加哥大学的古生物学家杰克·塞科斯基就耗费了十多年的时间，收集北美、欧洲等地的化石记录，构建了全球第一个较为完整的古生物数据库，并在此基础上计算得到了第一条自6亿年以来地球生物的多样性曲线，发现了奥陶纪末、泥盆纪晚期、二叠纪末期、三叠纪末期、白垩纪末期五次生物大灭绝事件。不过，他的时间单位只能做到以千万年计算，难以准确细致地反映地球生命演化物种变化的全貌。

之后，又先后有多位科学家建立了第一条6亿年以来地球生物的多样性曲线，发现了奥陶纪末、泥盆纪晚期、二叠纪末期、三叠纪末期、白垩纪末期五次生物大灭绝。13年前，欧美科学家团队还重新计算了过去6亿年的地球生物多样性曲线，尽管数据库远比之前的复杂，但由于时间尺度仍然是以千万年计，仍无法准确评估生物多样性的变化速率和模式。

“换句话说，在每1000万年以内发生的重大突发生物事件的信息将无法提取识别，漫长生命史中短时间的剧烈波动也可能遗漏。”樊隽轩告诉记者，生命的兴衰是一个起伏波动的过程，越精细越有标本价值，越可能真实还原地球生命和环境的演化规律。

为此，研究团队专门组建了一支十几人的国际一流的数字化队伍，并领衔研发了国际化的地学台——OneStratigraphy，由十几位专业的数字化录入专员花了4年多时间，每天从散落在全国各地的各类文献中搜集各类化石信息数据并数字化录入库，目前已收录完成涵盖中国约80%和世界约10％的化石记录数据。团队不满足于现有的条件和技术，自加压力主动创新，将统计点从25个增加到1.5万个，力图更精准地刻画古生命演化曲线图。

“事实上，这样做是有意义的。”樊隽轩说，正是有了这一大数据的支撑，才可能获得一些全新的认识。比如，后期研究发现，发生在泥盆纪的第二次生物大灭绝事件并非瞬时发生、规模较小，而是经历了一个长期的逐渐下降的过程，不像其他几次衰减得那么迅速，这也给科学家们在进行其他地学相关古地理研究时给予提醒，提供了新的研究思路和突破口。

运算时间从17年缩至两三天

时间分辨率比国际同类研究提高400倍

这是一次具有“星球宇宙视野”的宏大叙事，研究的是5.4亿年前到2.4亿年前的地球物种，时间跨度为3亿年。通过技术创新，团队将时间分辨率从25个统计点提高到1.1万个，力图更精准地刻画地球生命的演化规律。

“这就如同我们要具体统计世界上76亿人口出生时间和死亡时间来研究人类的兴衰，是一件十分困难的事情。但如果我们整理出一个时间轴，统计某个时间段的出生或死亡人数，则在所允许的误差范围内，并不会影响整体的规律性的分析。”樊隽轩说。

辛苦搜集来的化石记录，一个也不能丢弃。如何计算如此海量的数据呢？这就需要庞大的算力——当统计的物种数量上升到1万个时，传统计算机运算一次需要17年，耗时太长了，必须使用超级计算机。

超算现场

经过多番比对，研究团队与国家超级计算广州中心达成合作协议，选定曾多年称霸全球的“天河二号”超级计算机作为最终的运算平台。同时，团队花费两年多时间，结合模拟退火算法和遗传算法，自主开发一套针对生命演化分析的算法，研发了基于人工智能算法的新一代定量地层自动对比软件，借助“天河二号”1.8万个计算核心，让数据在超算上“跑起来”，将原本需要17年才能完成的一次计算，提速至2到3天就可以完成，最终获得了全球第一条高精度的古生代3亿多年的海洋生物多样性演化曲线，将生物多样性的时间分辨率从1000多万年精细到2.6万年，较国际同类研究的精度提高了400倍，刷新了对地球地质历史时期中生命演化生物多样性的认知。

而在众多的国际研究团队中，这支中国团队成为目前全球唯一同时掌握数据、算法、算力的“三全团队”。

“这是一项创纪录的科研成就，代表着中国团队在这一领域同类研究的世界领先地位。”深时数字地球国际卓越研究中心（苏州）博士后李海鹏说，这进一步拉近了现代文明与史前地球生物的“对话”距离，为加速揭开地球生命古生物演变的奥秘提供助力。

从960万平方公里拓展到5.1亿平方公里

团队致力找到史前地球与未来地球连接点

沈树忠表示：“利用古生物数据库重建地球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。”

谈及研究成果，樊隽轩总结了两个“好玩”的新发现。

其一，研究团队将碳、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的变化与多样性曲线进行了初步比较，发现生命的兴衰与大气二氧化碳的变化存在基本同步的现象。这也意味着，在一定程度上，对于地球生物来说，二氧化碳增多导致的气候适度变暖并不一定是坏事，反而可能让物种更丰富、生命更繁盛。

不过，无论气温升高还是降低，如果骤变，其结果都可能是灾难性的，因为这超出了生物本身的适应能力。地质历史上出现的几次生物大灭绝，都与气候的急剧变化有关。

其二，大自然繁衍不息，有灭亡就有新生，地球生态系统在不断重构。除了大家熟知的五次生物大灭绝事件，其间还发生了两次生物大辐射事件。一些物种灭绝之后将生态位让了出来，一些适应能力更强、更高级的物种则会自发补位，这一模式不断推动生命的演化、物种的进化。与“大灭绝”相伴随的“大辐射”，反而使地球上的生物得到大发展，生物物种也越来越丰富多样。

“根据化石记录重建的生物多样性变化与环境演变历史，是我们探寻答案的重要途径。”樊隽轩说，在接下来的3到5年里，研究团队将从中国960万平方公里的土地拓展到全球5.1亿平方公里的陆海面积，依托深时数字地球国际大科学计划，立足中国、放眼世界，加速对全球化石记录进行搜集和分析，整合全球地球演化数据，以建立更高时间分辨率的全球环境因素曲线，再与全球生物多样性曲线进行更加准确、可靠的对比分析，加快找到史前地球与未来地球的连接点。

古生代海洋生物多样性曲线与重要演化事件。深时数字地球国际卓越研究中心（苏州）供图

延伸阅读

“深时数字地球”

什么是深时数字地球？

——这是一个苏报记者追踪了两年的选题。

按照中国科学院院士、深时数字地球大科学计划中方首席科学家王成善的解释，空间的远叫深空；海底的远叫深海；时间维度的远，就叫深时。地球有46亿年历史，生命形成有35亿年历史，深时地球提供了人类所需要的绝大部分矿产资源和能源资源。研究地球的演化不但可以解决几大科学问题，比如宇宙起源、地球起源、生命起源和人类起源等，还有助于解决人类目前所面临的资源环境问题。

深时数字地球国际大科学计划由中国科学院院士王成善、侯增谦、沈树忠、周成虎、成秋明等于2018年率先提出，得到26个国际学术组织和十多个国家机构的大力支持；2018年3月，国务院发布指导性文件后由中国科学家主导发起，由国际地质科学联合会启动实施首个大科学计划，旨在建立一个链接地学信息的研究平台，整合全球地球演化数据，共享全球地学知识，识别全球资源与能源矿产宏观分布规律，推动地球科学研究变革，为人类命运共同体建设提供地球科学支撑。

深时数字地球国际卓越研究中心是由国际地质科学联合会指导建设的国际卓越研究中心，旨在系统承载由王成善院士等中国科学家主导发起的深时数字地球国际大科学计划，面向地球数字科学重大基础前沿，打造地球数字科学重大基础设施，构建“大数据+超级计算+人工智能”的地球科学研究新范式，建立国际地球科学产学研协同生态链，推动相关产业链、创新链、服务链交叉融合和集群化发展。

在苏州市委、市政府的指导推动下，昆山市主动对接王成善、周成虎等院士团队，成建制、制度化推进深时数字地球国际卓越研究中心项目建设发展。2019年3月2日，深时数字地球国际卓越研究中心启动，项目位于省级特色小镇——昆山智谷小镇内，规划占地面积257亩，将建设总面积35万平方米的科学中心、技术实验中心和产业中心。苏州市科技局靠前指导、协调推进中心落地前期考察、项目论证、建设方案系列环节。院士团队、昆山市人民政府和苏州市科技局签署《苏州深时数字地球研究中心共建合作协议》，共同设立公益性科研事业单位——苏州深时数字地球研究中心。通过聚合全球科学家，联合国内外一流大学，培养高端科技人才，研发国际一流科研成果，目标是建设成为一个总部在昆山，拥有世界一流设备和科学大数据的地球大数据科学研究、应用服务、产业发展的国际化、创新型园区，成为具有世界影响力的国家级科学中心。

（选题策划 王乐飞 高岩 稿件执行 朱新国 占长孙）