一项新研究显示，海洋动物之间的进化“军备竞赛”彻底改变了海洋生态系统，其规模类似于全球灾难引发的大规模灭绝。瑞典于默奥大学和佛罗里达自然历史博物馆的科学家们利用古生物数据库建立了一个多层次的计算机模型，记录了过去5亿年海洋生物的历史。他们对化石记录的分析与古生物学家J. John Sepkoski在1981年的一项开创性研究密切呼应--但有一个关键的不同。
Sepkoski的开创性统计工作显示，大约在4.9亿年和2.5亿年前，整个海洋的生物多样性发生了突变，对应的是两次大灭绝事件。这些事件将海洋生物划分为他所说的“三大进化动物群”，每个动物群都由一组独特的动物主导。但新模型揭示了第四个。
大约2.5亿至6600万年前，掠食性海洋动物和它们的猎物之间为生存而进行的激烈斗争可能是一种同样强大的力量，将海洋多样性重塑为我们今天所看到的样子。第三次大的转变比之前的转变要渐进得多，它是由生物体而不是外部过程所驱动的。
“我们了解到的是，并非所有动物生命的重大转变都与大规模灭绝事件有关，”研究的主要作者Alexis Rojas说，他在佛罗里达大学获得博士学位。Rojas现在是综合科学实验室的博士后研究员，该实验室是于默奥大学致力于跨学科研究的中心。
研究报告的共同作者Michal Kowalewski说，许多科学家长期以来一直认为，火山活动、小行星撞击或气候变化等外部因素是地球生物圈发生重大变化的主要驱动力。 Kowalewski是Rojas的博士生导师和佛罗里达博物馆汤普森无脊椎动物古生物学主席。
“化石记录告诉我们，生命史上的一些关键过渡是由突发性外部因素引发的快速变化。但这项研究表明，其中一些主要的过渡是比较渐进的，可能是由生物之间的生物相互作用所驱动的。”他说。
Sepkoski的工作之所以如此具有革命性，原因之一是他用数学方法解决了一个实际问题：化石记录太大、太复杂，一个人仅靠观察标本就能分辨出生命的潜在模式。他在1981年的研究导言中写道：“当对其组成部分进行单独或小群体的研究时，它们的形态、功能、相互作用和历史的复杂性往往显得不堪重负，几乎是无限的。”
他认为，将这些组件组织成系统的层次结构，提出了一个更完整的观点。Sepkoski的模型将5亿年的海洋生物分为三个伟大的王朝，每个王朝之间都有一次大规模的灭绝，为新的群体的繁荣和统治扫清了道路。在三叶虫统治之后，被称为腕足类的动物和某些古老的珊瑚和氨虫崛起。在二叠纪末期的大灭绝之后，它们又被蜗牛、蛤蜊、甲壳类、现代珊瑚和各种骨质鱼类所取代。
Kowalewski说，Sepkoski的假说从根本上改变了科学家对生命史的思考方式。它提供了一种有组织的方式来理解海洋生态系统的历史--总体的故事情节和情节的转折。但随着我们对化石记录的了解，Sepkoski也面临着如何分析如此庞大而复杂的信息的困境，Kowalewski说。
“现在记录了数以百万计的化石标本，我们的大脑根本没有可行的方法来处理如此庞大的古生物数据档案，”他说。“幸运的是，分析方法不断改进，给我们提供了更好的方法来提取和检查隐藏在这些极其复杂的数据里面的信息。”
Rojas通过使用数据建模的最新进展来应对这一挑战。具体来说，他对使用复杂的网络工具来创建一个更好的化石记录表示感兴趣。与古生物学中的其他方法不同，复杂网络使用代表物理和抽象变量的节点的链接结构来发现给定系统中的潜在模式。网络方法可以应用于社会现象--例如，显示Facebook用户与平台上朋友的互动模式--但它们也可以应用于复杂的自然系统。和Sepkoski一样，Rojas也是一位受过古典训练的古生物学家，他在寻找一种全新的视角来看待化石记录。
“有许多进程同时在多种规模上发生：在你的社区、你的国家和整个地球上。现在想象一下一天、一年或500年内发生的过程。”他说：“我们正在做的是试图了解所有这些跨时间的事情。”
一个简单的网络可能由一个单层组成--所有动物生命的记录和它们生活的地方。但Rojas和他的同事们的网络将不同的时间间隔作为单独的层，这是以前关于宏观进化的研究中所缺乏的特征。其结果是Rojas 所描述的一种新的、抽象的化石记录，是对博物馆收藏的标本所代表的物理化石记录的补充。
“这很重要，因为我们提出的问题，我们研究的过程，发生在不同的时间和空间尺度，” Rojas说。“我们已经退后了一些步骤，所以我们可以查看整个化石记录。通过这样做，我们可以探索各种问题。”
“我们的海洋生物交互式地图显示了较小的动物群体及其在每个进化动物群中的相互作用，” Rojas说。“在最基本的层面上，这张地图显示了具有特定动物的海洋区域。我们研究的构件是单个动物本身。”
这个复杂的网络显示了Sepkoski的模型无法捕捉到的东西：海洋生物的逐渐过渡与中生代海洋革命相吻合，中生代海洋革命开始于大约1.5亿年前。这一革命最早是在20世纪70年代被假设的，它是由骨鱼、甲壳类和蜗牛等海洋捕食者的迅速增加引起的，自此以后，它们一直在海洋中占据主导地位。它们的增殖促使猎物变得更加灵活，隐藏在海底，或者通过加厚盔甲、发展棘刺或提高身体部位的再生能力来增强它们的防御能力。
Sepkoski知道中生代海洋革命，但他的模型受限于当时的方法和数据，无法划分出这一逐渐过渡前后的海洋生态系统。Rojas和他的同事们的研究表明，物理和生物过程在塑造最高层次的海洋生命方面都发挥了关键作用。
“我们正在将两个假说--中生代海洋革命和三大进化动物群整合成一个单一的故事，”Rojas说。“该模型显示的不是生命的三个阶段，而是四个阶段。”
