古代物種消失的面貌更清晰
一個以近四百萬件化石訓練的人工智慧模型指出，地球最著名的五次大滅絕中，有三次可能是生物多樣性逐漸衰退，而非突然崩潰。這項名為 OneStrata 的重建研究，將大量化石觀察資料帶入一場辯論：在地球歷史上最嚴重的生物危機期間，生命消失的速度究竟有多快。
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中國南京大學古生物學家沈樹忠於 10 月 12 日在科羅拉多州丹佛舉行的美國地質學會年會上發表這項研究。他在杭州、專注於人工智慧的研究機構之江實驗室的同事，利用約二十年來彙整的資料庫開發出這個模型。
核心問題在於時間尺度。物種在數十萬年間大量消失，與在短時間內發生同等程度的消失，代表截然不同的情況。科學家必須區分這些模式，才能了解環境擾動如何演變成大規模滅絕。
這項研究也加入一場早於人工智慧問世的辯論。刊登於《劍橋棱鏡：滅絕》（Cambridge Prisms: Extinction）的學術回顧指出，五大滅絕事件仍是早奧陶紀以來規模最大的五次滅絕，但它們位於滅絕強度的連續範圍之中，並非在統計上獨立的一類事件。
岩石如何成為時間軸
OneStrata 使用 OneStratigraphy 資料集，其中收錄全球數萬個地點的岩層序列，以及數百萬件化石標本的紀錄深度。每筆觀察資料都有助於定位某個生物在特定地點所保存的歷史中的位置。
沉積岩會累積成稱為地層的層狀結構。化石在地層中的位置，有助研究人員判斷該生物相對於其他生物生活的時間。整合多個地層序列後，研究人員便能推估物種何時出現、存在多久，以及何時消失。
研究人員整合這些地方紀錄時，面臨龐大的比對問題。在多個地點發現的物種可用來串聯不同地層序列，但完整的工作涉及數萬個物種，以及許多不完整的岩層區段。要從所有觀察資料中找出一致的順序，需要大量運算能力。
傳統重建方法會將化石歸入以數百萬年為單位的時間區間，以簡化這項工作。這些寬廣的區間便於進行全球比較，但也會將較短期的變化壓縮進更長的時間跨度，使短暫的滅絕高峰與長期衰退難以區分。
AI 模型的不同之處
之江實驗室的研究人員訓練模型辨識化石紀錄中的統計模式。這種方法大致類似大型語言模型從文字中學習模式，但 OneStrata 處理的是地質觀察資料，而非句子。
語言模型會利用學到的關聯預測下一個可能出現的詞。OneStrata 則利用訓練資料中的模式，預測特定化石最可能沉積的時間。這些估算可用來重建地質時代的生物多樣性變化。
沈樹忠將這種方法形容為研究岩層與生物多樣性變化的一大進展：
研究地層學與過去生物多樣性變化的一場真正革命
模型開發者表示，重建結果顯示，五大滅絕事件中有三次是生物多樣性逐漸衰退。研究說明並未指出是哪三次事件，也未提供估計的持續時間。這些細節對於將模型結果與個別化石地點的證據比較至關重要。
OneStrata 的實際優勢在於處理規模。過去，研究人員若要納入更多物種、縮短估算間隔，運算量就會大到難以實際執行。從大型資料庫中學習模式，提供了另一種克服這項限制的方法。
OneStrata 背後的早期突破
沈樹忠及其同事早在 2020 年就已展示整合大型化石資料集的價值。他們運用超級電腦與演算法，估算約 11,000 種海洋生物在約三億年間的出現與滅絕時間，時間解析度約為 26,000 年。
《劍橋棱鏡》回顧對這項中國研究提供了更精確的描述：研究涵蓋 3,112 個經測量的岩層剖面與 11,268 個物種，解析度為 0.026 百萬年，報告的變異幅度為 0.0149 百萬年。這種名為 CONOP 的方法，旨在找出最符合不同剖面觀察結果的化石出現與消失順序。
這些重建研究歷經多個重要階段：
- 1982 年：David Raup 與 Jack Sepkoski 透過海洋化石資料的統計分析，辨識出五大滅絕事件。
- 2020 年：沈樹忠及同事運用數千個岩層序列與超級電腦，重建約三億年的海洋生物多樣性。
- 10 月 12 日：沈樹忠在丹佛舉行的美國地質學會年會上，發表較新的 OneStrata 研究。
解析度的提升幅度相當可觀。1982 年的原始分析採用平均長達 740 萬年的地質階。740 萬除以 26,000 約為 285，足以說明 2020 年重建所採用的時間間隔縮短了多少。OneStrata 試圖解決的挑戰，是將如此精細的解析度應用於更大型的資料集。
「五大滅絕」為何成為熟悉的數字
五大滅絕事件分別是奧陶紀末、晚泥盆紀、二疊紀末、三疊紀末與白堊紀末滅絕。這個廣為人知的分類，反映了它們在海洋動物化石紀錄中的規模，以及研究時採用的統計方法。
《劍橋棱鏡：滅絕》的大滅絕回顧說明，後續研究已修正最初的解讀。即使分析時校正化石與岩層紀錄中的缺漏，這五次事件仍是早奧陶紀以來規模最大的滅絕。然而，滅絕強度其實呈現連續分布，從較小規模的物種損失一路延伸到最嚴重的生物危機。
回顧也指出，寒武紀與早奧陶紀的某些時期，滅絕率高於五大滅絕事件。因此，要明確界定五次事件，必須選擇要比較地質史中的哪個時段，以及如何衡量物種損失。
根據這篇回顧，有些事件相對突然，有些則持續數十萬年甚至更久。OneStrata 為既有的科學討論增添一項新重建，探討這些危機各自以多麼不同的方式展開。
滅絕持續多久為何重要
三疊紀末滅絕說明，採用的時間尺度會如何改變危機看起來發生得有多快。《劍橋棱鏡》回顧指出，三疊紀最末期可能長達 700 萬年。回顧引述的研究則將相關海洋缺氧危機的時間估為約 50,000 年，不到這段跨度的 1%。
這場危機與中大西洋岩漿省的一次大規模火山活動有關。缺氧水域是指氧氣含量極低或完全沒有氧氣的水域，會為依賴海水溶氧的動物帶來危險。
若將物種損失分散到整個地質階，算出的滅絕率會遠低於集中在較短危機期間的結果。回顧估計，真實滅絕率可能約為根據較寬廣全球時間區間推算所得速率的 100 倍。
化石缺漏也帶來另一項難題。某物種最後一次被發現的化石，可能早於它實際滅絕的時間，因為後來的遺骸可能未能保存、出露或被採集。若有許多物種存在這類缺漏，推算出的消失時間就可能整體提前，讓集中發生的事件看起來較為漸進。古生物學家稱此為 Signor–Lipps 效應。
加州大學聖塔克魯茲分校古生物學家 Matthew Clapham 對 OneStrata 的潛力提出審慎評估，並指出特定地點已有詳細重建結果：
我們或許能用它多做一些事，但我不確定它會不會帶來翻天覆地的改變，
地方岩層剖面與全球模型以不同尺度回答相關問題。個別地點可能保存危機的精細細節，全球重建則試圖在許多地點之間找出一致模式。比較兩者，是理解漸進衰退究竟反映生物歷史、保存缺漏，還是紀錄整合方式的關鍵。
統計物種損失的方式也會改變全貌
二疊紀末滅絕說明，除了時間尺度，採用何種生物分類單位統計也很重要。《劍橋棱鏡》回顧指出，根據不同分析，二疊紀末的屬級損失估計介於 56% 至 69%。屬是由相關物種組成的分類群，因此失去一個屬與失去一個物種，代表的生物多樣性損失並不相同。
古生物學家經常以屬為單位計算，因為化石只保存生物部分的解剖構造，使物種難以一致辨識。只要一個屬中仍有至少一個物種存續，即使其他物種都消失，這個屬仍可延續。
回顧引述的一項估算指出，二疊紀末事件中有 81% 的物種消失，相較之下，較早分析常被引用的最高估值為 96%。兩者都代表極大規模的損失，但數字差異顯示，將屬的損失換算為物種損失的方法，會如何影響最終估值。
資料庫中的紀錄也各自衡量不同事物。撰寫回顧時，古生物學資料庫（Paleobiology Database）收錄超過 150 萬筆化石出現紀錄，來自 225,000 個化石採集群與 82,000 篇出版物。OneStratigraphy 收錄數百萬件標本及其在岩層中的位置，提供的是另一類資訊。資料集是否有用，除了規模，也取決於觀察內容、涵蓋範圍與精確度。
這場辯論對當今生物多樣性危機的意義
《劍橋棱鏡》回顧將古代滅絕的討論與當前物種損失連結起來。回顧指出，目前的滅絕率可能是過去五億年間第二快的，僅次於白堊紀末的小行星撞擊；但就目前已發生的滅絕數量而言，相較於古代規模最大的生物危機，數量仍相對較少。
滅絕速度與總損失描述的是問題的不同面向。滅絕率衡量物種消失的速度，總損失則衡量已經消失的生物多樣性。即使仍有大部分物種存續，快速升高的滅絕率也足以促使人們採取緊急行動。
回顧提出「初期人類世大滅絕」（incipient Anthropocene mass extinction）一詞，作為「第六次大滅絕」的替代說法。Incipient 意指開始形成。這個措辭傳達了回顧的結論：危機已經開始，但仍可透過行動避免其規模達到古代最嚴重滅絕事件的程度。
OneStrata 將討論帶回一項具體的科學任務：以足夠精確的方式重建生物何時生活、何時消失，藉此了解變化的速度。這項研究報告的結果挑戰了五次災難皆突然發生的簡化圖像。更廣泛的化石研究文獻早已描繪出更加多樣的歷史，不同事件在速度、規模與受影響環境方面各有差異。
重點整理
- OneStrata 以近四百萬件化石訓練，研究指出五大滅絕事件中有三次可能是生物多樣性逐漸衰退。
- 模型使用 OneStratigraphy 資料集，記錄全球數萬個地點的岩層序列及化石位置。
- 一項 2020 年的重建追蹤約 11,000 種海洋生物在約三億年間的變化，解析度約為 26,000 年。
- 《劍橋棱鏡》回顧指出，五大滅絕事件仍是早奧陶紀以來規模最大的滅絕，位於滅絕強度的連續範圍之中。
- 保存缺漏、採用的時間尺度，以及統計的生物分類群，都會影響對滅絕速度與嚴重程度的估算。
- 回顧指出，當今滅絕率異常偏高，但也認為人類仍可採取行動，避免物種損失達到古代最嚴重生物危機的規模。
