Maskininlärning visar hur livets utvecklingshistoria har formats

11 december 2020

Grafisk bild av olika typer av fossiler

Forskarna, som kommer från Universitetet i Essex, Tokyo Kogyo-universitetet och Uppsala universitet har tagit fram en storskalig karta över hur fossila arter överlappar varandra i tiden.

I en ny artikel i Nature presenteras den första studien av livets utveckling där maskininlärning använts. Studien visar den stora långsiktiga påverkan som utdöenden och artbildning har haft för djurlivet på jorden under de senaste 600 miljoner åren. Forskarna, som kommer från Universitetet i Essex, Tokyo Kogyo-universitetet och Uppsala universitet har också tagit fram en storskalig karta över hur fossila arter överlappar varandra i tiden.

De senaste två hundra årens fossilfynd visar tydligt att den biologiska mångfalden har förändrats dramatiskt under årmiljonernas lopp. Stora förgreningar där många nya arter bildas har följts av massutdöenden, som meteoritnedslaget i slutet av kritperioden för 66 miljoner år sedan där alla dinosaurier utom fåglar utplånades. Man har länge misstänkt att utdöenden och artbildning har ett samband: efter massdöden borde ju nya arter bildas som fyller de ekologiska tomrummen.

I den nya studien använde forskarna kraftfull maskininlärning för att åskådliggöra hela fossilhistorien under de senaste 600 miljoner åren. Utifrån tidsfördelningen hos mer än två hundra tusen fossila arter placerar maskininlärningsmetoden var och en av arterna i en virtuell rymd som avspeglar deras relativa åldrar. Resultatet blir den första storskaliga kartan över hur fossila arter överlappar varandra i tiden, något som hjälper forskarna att se hur omfattande händelser har påverkat livets utvecklingshistoria.

Arternas tid på jorden förkortas av massutdöenden

Studien analyserade både när enskilda fossila arter förekom i tiden och vilka olika arter som levde samtidigt. Förekomsten visar hur länge arter tenderar att finnas till och hur arternas ”normala” tid på jorden förkortas genom storskaliga skeenden som massutdöenden. Samförekomst i tiden antyder också om det är troligt att olika arter skulle ha råkat på varandra.
Exempelvis är sannolikheten nära noll att en nutida art som vår skulle kunna leva samtidigt som en från kritperioden som Tyrannosaurus rex.

– T-rex föddes helt enkelt för tidigt för att vi skulle få chansen att träffa den, säger studiens huvudförfattare dr Jennifer Hoyal Cuthill vid University of Essex.

Studien visade också att de 30 största utdöendena och diversifieringarna rubbade fossilhistorien markant. Massutdöenden har redan undersökts ingående av forskare, medan storskalig diversifiering – här kallad massradiering – inte alls har analyserats lika noga och få studier har försökt uppskatta hur dessa har inverkat på fossilhistorien.

Den kambriska explosionen

Den mest extrema massdöden ägde rum för 252 miljoner år sedan, i slutet av permperioden. Den var så svår att den kallas ”det stora döendet”. Den mest exceptionella radieringen, då många djurgrupper uppträder för första gången, ägde rum mycket tidigare. Det var den så kallade kambriska explosionen för 541 miljoner år sedan.

Tidpunkterna för dessa stora skeenden tyder på att massutdöenden inte nödvändigtvis eller generellt orsakar massradiering eller vice versa. Tvärtom har massradieringar och utdöenden ofta ägt rum vid olika tidpunkter. Ett undantag är den ytterligt svåra massdöden i slutet av perm, som följdes av två stora radieringar. Den allmänna åtskillnaden i tid mellan utdöenden och radieringar talar alltså emot det hittills vedertagna synsättet att massradiering borde inträffa så snart en massdöd har brutit marken. I själva verket sågs de evolutionärt viktigaste radieringarna i sådana skeden där livet kunde utnyttja helt nya ekologiska möjligheter, såsom under den kambriska explosionen eller karbonperiodens diversifiering av livet på land.

– Vår observation att utdöenden och massradiering ofta varit frikopplade från varandra visar att man inte på ett enkelt sätt kan tillämpa ekologiska idéer så som konkurrens och ersättare på tidsskalor som spänner över många miljoner år, säger Graham Budd, professor vid institutionen för geovetenskaper, Uppsala universitet.

En evolutionär ”sönderfallsklocka”

Forskarna använde också avståndet mellan arterna i sin virtuella modell tillsammans med mer traditionell statistik för att mäta tidsskalan i evolutionära rubbningar som uppstod genom utdöenden och artbildning. För att kunna göra det utvecklade de en evolutionär ”sönderfallsklocka”. Beräkningen utgår från hur många arter som fanns vid en viss tidpunkt och i vilken mån de också fanns vid varje föregående tidpunkt. Sönderfallsklockan återställs när färre än 10 procent av arterna ifråga delas mellan tidpunkterna i en process som kallas evolutionärt sönderfall.

Beräkningarna med sönderfallsklockan visade att viktiga utdöenden, som de fem massutdöendena, snabbt utplånade förbindelserna bakåt i tiden genom att en stor andel existerande arter försvann. Förvånansvärt nog visade studien också att radieringar, där många nya arter uppstod samtidigt, kunde leda till ett hastigt evolutionärt sönderfall så att det föregående ekosystemet förändrades markant. Det beror på att en mängd nya arter översvämmar de befintliga så att det evolutionära livssamhället förändras fort. Äldre överlevande arter som utsätts för ett massivt inflöde av nya arter fick alltså se sitt livssamhälle omdanas dramatiskt.

Ständiga omvälvningar i klimatet

Vad kan då sägas om nutiden? Kvartärperioden började för två och en halv miljoner år sedan och har inneburit ständiga omvälvningar i klimatet. Här ingår de väldiga växlingarna mellan istid och mellanistid där många arter som till exempel grottbjörnen har dött ut. Det betyder att den nutida artdöden nöter på en mångfald som redan sviktade efter en lång tids jämvikt.

Nutidens arter avspeglar årmiljoners utveckling. De flesta arter sedan kvartär har dock i snitt funnits åtta miljoner år kortare än långtidsmedelvärdet.

– Varje utdöende nu gör slut på en art som kan ha bestått i miljoner år. Om nu levande arter ska återfå sin jämvikt på lång sikt behövs det längre tid utan ekologiska störningar än vår egen art har existerat, säger Jennifer Hoyal Cuthill.