Mithilfe von KI die Zukunft von Fossilien vorhersagen? Lachen Sie nicht, diese Idee wurde in Nature veröffentlicht

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Gu Ming Di Lian (populärwissenschaftlicher Autor)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die Grenzen des Wissens zu erweitern, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Unbekanntes Gebiet“ gestartet, die einen Überblick über die Erkundungsergebnisse bietet, die die Grenzen im Weltraum, in der Tiefsee, in der Tiefsee und in anderen Bereichen durchbrochen haben. Begeben wir uns auf eine wissenschaftliche Entdeckungsreise und lernen wir die erstaunliche Welt kennen.

Ob im Osten oder im Westen, „Wahrsagen“ klingt nach einer abergläubischen und geheimnisvollen Sache. In der Welt der Wissenschaftler bedeutet dieses Wort jedoch „den Evolutionsprozess von Lebensformen durch induktive Analyse bekannter Informationen erschließen“. Durch Wahrsagen können Wissenschaftler wissenschaftliche Schlussfolgerungen ziehen: Bei verschiedenen Tieren kann das unterschiedliche Aussehen tatsächlich Einfluss auf ihr Schicksal und ihr Aussterben haben.

Im Juni 2024 leitete Song Haijun, Professor an der Fakultät für Geowissenschaften der China University of Geosciences (Wuhan), ein Team, das eine Studie zur „Wahrsagerei“ anhand von Fossilien durchführte.

Sie verwendeten Deep-Learning-Technologie und automatisierte Methoden – das, was wir KI nennen –, um die Evolution der biologischen Morphologie während des größten Aussterbeereignisses der Geschichte, dem Perm-Trias-Aussterbeereignis, zu untersuchen und zeigten, wie die unterschiedlichen „Erscheinungsbilder“ der Meeresorganismen ihr Schicksal bei diesem „verheerenden“ Massenaussterben bestimmten.

Welche Art hätte ein Massenaussterben eher überlebt: die riesigen Dinosaurier oder die winzigen Säugetiere des Mesozoikums? Diese Frage ist vielleicht einfach, aber wäre die Schlussfolgerung auch für andere Organismen oder andere Massenaussterben dieselbe?

(Bildquelle: Wikipedia)

Hat Überleben oder Untergang etwas mit dem Aussehen zu tun?

In der Geschichte der Erde kam es zu fünf großen biologischen Aussterbeereignissen. Der bekannteste davon dürfte der Asteroideneinschlag auf der Erde am Ende der Kreidezeit sein, der vermutlich für das Aussterben aller großen und mächtigen Dinosaurier dieser Zeit verantwortlich war. Die niedrig lebenden Säugetiere überlebten und aus einer dieser Arten entwickelten sich schließlich wir Menschen.

Tatsächlich zeigt diese Tatsache, dass beim Massenaussterben am Ende der Kreidezeit die Frage, ob ein Tier ausgestorben ist oder nicht, stark mit dem „Aussehen“ zusammenhing, also mit der Form des Tieres – größere Tiere benötigen mehr Nahrung und verhungern während des Massenaussterbens eher.

Beim schwersten Massenaussterben der Geschichte, dem Aussterben am Ende des Perm vor etwa 252 Millionen Jahren, ist der Zusammenhang zwischen der Morphologie der Tiere und dem Aussterben jedoch weniger klar. Dieses Massensterben wird als „Mutter aller Massensterben“ bezeichnet und führte zum Verschwinden von bis zu 96 % des Meereslebens, darunter auch der berühmten Trilobiten und Pfeilschwanzkrebse.

Das Massenaussterben am Ende des Perm war das schlimmste Massenaussterben der Geschichte und die berühmten Trilobiten verschwanden bei diesem Aussterben.

(Bildquelle: Wikipedia)

Dieses Aussterbeereignis dauerte lange und verlief in zwei Phasen: einer allmählichen Periode, die etwa Millionen Jahre dauerte, und einer Spitzenperiode, die eine Million Jahre dauerte. Einige Tiere starben allmählich aus, die meisten jedoch starben auf dem Höhepunkt aus, wie zum Beispiel das Massenaussterben kleiner Krebse und Muschelkrebse (Ostracoda) und großer, sessiler, filtrierender Armfüßer (Brachiopoda), zwischen deren Auftreten ein Zeitraum von 720.000 bis 1,22 Millionen Jahren liegt.

Da die Ursachen und der Zeitpunkt des Aussterbens verschiedener Tierarten nicht einheitlich waren, so viele Arten ausstarben und nur wenige Arten die Krise erfolgreich überlebten, ist es unmöglich, einfach auf einen Zusammenhang zwischen Morphologie und Aussterben zu schließen. Daher konnten Wissenschaftler in früheren Studien keine eindeutige Antwort auf die Frage finden, ob dieses Aussterbeereignis die Morphologie der Tiere beeinflusst hat.

Wie kann KI die Zukunft voraussagen?

Neben der Komplexität des Aussterbeereignisses selbst schränken auch technologische Einschränkungen die Forschung der Wissenschaftler zum Massenaussterben am Ende des Perm ein.

Um den Zusammenhang zwischen Aussterben und Morphologie zu untersuchen, mussten Wissenschaftler in der Vergangenheit die Morphologie der Fossilien manuell analysieren. Sie mussten jedes Fossil oder Fossilienbild vergleichen und die urzeitlichen Lebewesen mit der gleichen Morphologie vor und nach dem Aussterben (wie etwa spitz, dornig, glatt, mit dünnen und flachen Schalen oder breiten und runden Schalen) separat klassifizieren, um zu beobachten, ob sich der Anteil der Tiere mit der gleichen Morphologie vor und nach dem Aussterben verändert hatte.

Die Ergebnisse dieser Art der „traditionellen Forschung“ werden stark von den von den Wissenschaftlern gewählten Forschungsobjekten und den angewandten Forschungsmethoden beeinflusst.

So haben etwa Studien mit traditionellen Methoden der morphologischen Beschreibung gezeigt, dass die morphologischen Unterschiede bei Ammoniten (einem entfernten, urzeitlichen Verwandten des Nautilus) während des Aussterbeereignisses kaum abnahmen, was darauf schließen lässt, dass das Aussterbeereignis morphologisch nicht selektiv war. Im Gegenteil, der Einsatz anderer Forschungsmethoden, wie etwa einer umfassenden diskreten Merkmalsanalyse (basierend auf den Maximal- und Minimalwerten der morphologischen Variationsbreite, der Summe der Datenvarianz und dem Median der Daten), zeigte, dass die morphologische Vielfalt der Ammoniten während des Aussterbeereignisses signifikant abnahm, was die Schlussfolgerung stützt, dass das Aussterbeereignis morphologisch selektiv war.

Um genauere Schlussfolgerungen ziehen zu können, müssen wir über eine ausreichend große Stichprobe verfügen und genauere Analysemethoden verwenden. Wenn es um die Analyse großer Datenmengen geht, verfügen die neuen KI-Technologien zweifellos über großes Potenzial.

Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelte das Team von Professor Song Haijun einen Analyseprozess namens DeepMorph, der Deep-Learning-Technologie zum Extrahieren von Merkmalen aus Bildern mit geometrischen morphometrischen Methoden kombiniert, um die Umrisse von Fossilienproben automatisch zu analysieren, die Morphologie von Fossilien effektiv zu erfassen und sie in zweidimensionale ebene Grafiken zu vereinfachen, wodurch verschiedene morphologische Typen klar unterschieden werden können, und diesen Prozess dann durch mehrere Stichproben zu wiederholen.

Zu diesem Zweck hat das Team um Professor Song Haijun eine umfassende Datenbank mit Bildern fossiler Exemplare von sechs umfassend dokumentierten urzeitlichen Meereslebewesen aus dem Massenaussterben am Ende des Perm zusammengestellt. Zu diesen Lebewesen gehören die urzeitlichen Verwandten der Nautilus, die Ammoniten, die Muscheln, die Filtrierer, die Ostrakoden (Muscheln) mit in zwei Schalen eingewickeltem Fleisch, die Muscheln (Muscheln) und Gastropoden (Schnecken) sowie die Wirbeltier-Conodonten mit ihren scharfen Zähnen.

Diese Datenbank enthält 599 Gattungen, die durch 656 Bilder vor und nach dem Aussterbeereignis dargestellt werden und die die Changxing-Periode des späten Perms bis zur Indianer-Periode der frühen Trias, also von vor 254,14 Millionen Jahren bis vor 250,7 Millionen Jahren, umfassen. Sie bietet eine starke Big-Data-Unterstützung für das Deep Learning der KI.

a: Das Funktionsprinzip von DeepMorph besteht darin, die aus Veröffentlichungen gesammelten Typusexemplarbilder durch U2-Net-Modellsegmentierung in ein Binärformat zu konvertieren und dann die fossilen Umrisse und morphologischen Merkmale zu extrahieren und in die Datenbank zu integrieren. b: Konvertieren Sie die Morphologie in multivariate Normalverteilungsdaten. c: Verwenden Sie die multivariaten Normalverteilungsdaten, um eine selektive Aussterbesimulation durchzuführen und schließlich das Aussterbemusterdiagramm des selektiven Musters zu generieren.

(Bildquelle: Referenz 1)

Ist die Beziehung zwischen Aussehen und Schicksal bei verschiedenen Tiergruppen dieselbe?

Die Datenanalyse von DeepMorph ähnelt der diskreten Merkmalsanalyse und verwendet die Summe der Bereiche (SOR, der gesamte von den Daten eingenommene Bereich, bestimmt durch die speziellste Morphologie; beispielsweise ist die glatteste Schale 0, die raueste 10 und der Bereich ist 0-10), die Summe der Varianzen (SOV, die Summe der Varianz aller Daten und des Mittelwerts, die die Diversität der Daten angibt) und die Position des Schwerpunkts (POC, der Median der Daten) als Mittel, um auf die Selektivität des Aussterbeereignisses für die Morphologie zu schließen.

Die Studie ergab, dass die Beziehung zwischen „Aussehen“ und Schicksal bei verschiedenen Tiergruppen nicht dieselbe ist. Während des Massenaussterbens starben vor allem große Stämme mit komplexen oder stark ausgeprägten Panzerverzierungen (wie Stacheln, Rippen und Tumoren) aus, während bei den Conodonten keine Anzeichen eines morphologischen selektiven Aussterbens zu erkennen waren.

Vor und nach dem Aussterben starben vor allem Ammoniten aus, deren Schalen komplexe und höchst dekorative Strukturen aufwiesen. Dies spiegelt sich in den Daten in einer stärkeren Auslöschung auf einer Seite des Mittelpunkts wider, was als asymmetrische selektive Auslöschung bezeichnet wird.

Die Ceratitida und Prolecanitida, die flache, glatte Schalen und weniger dekorative Merkmale hatten, überlebten das Massenaussterben und entwickelten sich rasch zu vielen neuen Arten. Allerdings behielt auch die Morphologie der neuen Arten im Allgemeinen ein glattes Erscheinungsbild bei, was darauf schließen lässt, dass das Aussehen der Ammoniten stark mit ihrem Aussterben korrelierte.

Die morphologischen Verbreitungsgebiete (Gesamtverbreitungsgebiet) verschiedener Tiere im Changxingian-Stadium des Oberperms (orange), der Übergangsschicht (grau) und dem Indianer-Stadium der Untertrias (blau). Ammoniten (a), Brachiopoden (b), Muschelkrebse (c), Muscheln (d), Gastropoden (e) und Conodonten (f) zeigen unterschiedliche Aussterbemuster.

(Bildquelle: Referenz 1)

Alle Daten zu Brachiopoden sind deutlich zurückgegangen und die Artenvielfalt auf Gattungsebene ist um 96,65 % gesunken. Dies deutet darauf hin, dass die meisten Brachiopoden in diesem Zeitraum ausgestorben sind. Der Hauptgrund für den starken Befall lag darin, dass ihre dicken Schalen große Mengen Kalziumkarbonat benötigten und die Versauerung der Meere die Bildung von Kalziumschalen stark behinderte, sodass Arten mit komplexen, dicken und dekorativen Schalen fast alle ausgestorben waren.

Ihre Überlebenden und Neuankömmlinge stammten größtenteils von den einfacheren Spiriferiden- und Rhynchonelliden-Kladen ab, die kleinere Körper, eine einfachere Verzierung, durchscheinende Schalen und einen geringeren Kalziumverbrauch hatten, während die wichtigsten ausgestorbenen Gruppen der Muschelkrebse spezialisierte Gruppen mit den länglichsten und dürftigsten Schalen waren.

Bei diesen beiden Gruppen kommt es zu einem marginalen selektiven Aussterben. Das Aussterben wirkt wie eine Pistole, die den ersten Vogel erschießt, der herausragt, und eliminiert so die am stärksten spezialisierten Gruppen. Im Gegensatz zur vielfältigeren Morphologie des Perm behielten die Brachiopoden und Ostrakoden der Trias eine im Großen und Ganzen durchschnittliche Morphologie bei, wobei die häufigsten Exemplare überlebten.

Die existierende Schwarzmaulweichtierart Terebratalia transversa hat eine dünne, durchscheinende Schale.

(Bildquelle: Wikipedia)

Die heute noch existierenden Muschelkrebse ähneln Garnelen, die in zweischalige Schalen gehüllt sind, und ihre zahlreichen Schalen sind wichtige Fossilien in den Schichten.

(Bildquelle: Canada's Polar Life)

Das Aussterben der bekannten Gruppen Schnecken und Muscheln – Gastropoden und Muscheln – hat keinen klaren Zusammenhang mit der Morphologie.

Jeder, der schon einmal Schnecken und Muscheln gehalten oder beobachtet hat, wird über ihre Fähigkeit staunen, unter trüben, überhitzten oder sauerstoffarmen Bedingungen zu überleben. Auch ohne Nahrung können sie lange Zeit von ihren eigenen Reserven und den Algen, die an den Wänden ihrer Aquarien wachsen, leben. Dies ist einer der Gründe, warum sie Massenaussterben überleben konnten. Alle ihre wichtigsten morphologischen Typen haben überlebt und das Aussterben hat fast nichts mit ihrer Morphologie zu tun, es ist einfach eine Frage von Glück oder Unglück.

Das etwa 400 Millionen Jahre alte Fossil Ambonychia ulrichi aus der ordovizischen Fairview-Formation im Warren County, Ohio, gehört zur Unterklasse der Pterygia und weist Ähnlichkeiten mit modernen Jakobsmuscheln auf.

(Bildquelle: sketchfab)

Die Gastropodenfossilien (Schnecken) des Paläozoikums weisen große Ähnlichkeit mit den heutigen Schnecken auf.

(Bildquelle: Referenz 2)

Der morphologische Raum einer anderen taxonomischen Gruppe, der Conodonten, wurde durch das Aussterbeereignis nicht wesentlich beeinträchtigt.

Im Gegensatz zu anderen Evolutionszweigen nahm die morphologische Vielfalt der Conodonten während des Massenaussterbens nur sehr wenig ab. Im Gegenteil: Nach dem ersten Aussterbeimpuls vergrößerte sich ihr morphologischer Raum, anstatt sich zu verkleinern. Dies deutet darauf hin, dass sie während des Aussterbeereignisses weiterhin gediehen und eine Vielzahl neuer Formen entwickelten. Bei den Fischen verhielt es sich ähnlich, was möglicherweise mit der geringeren Zahl ihrer Konkurrenten (wie etwa Ammoniten und Nautilusse, die ebenfalls Fleischfresser sind) zusammenhängt.

Morphologische Veränderungen bei ausgestorbenen Individuen, Überlebenden und Neuankömmlingen in sechs Kladen während des Perm-Trias-Aussterbens. Gelb steht für Neuankömmlinge, Rot für Ausgestorbene und Grün für Überlebende.

(Bildquelle: Referenz 1)

Vier verschiedene selektive Aussterbemuster, wobei die roten Linien Aussterbeereignisse darstellen. a) laterales selektives Aussterben, wie z. B. Ammoniten; b) marginales selektives Aussterben, einschließlich Brachiopoden und Muschelkrebsen; c) nichtselektives Aussterben, einschließlich Muscheln und Gastropoden; d, morphologisches Aussterben mit vernachlässigbaren Conodonten.

(Bildquelle: Referenz 1)

Welche Bedeutung hat die Wahrsagerei bei Fossilien?

Die Ursachen der fünf Massenaussterbeereignisse in der Geschichte waren unterschiedlich, wie etwa Vulkanausbrüche, Klimawandel, planetare Einschläge usw. Jedes Aussterbeereignis hatte unterschiedliche Auswirkungen auf die Umwelt, und auch die betroffenen und ausgestorbenen Organismen waren unterschiedlich.

So überlebten beispielsweise Ammoniten mehrere Massenaussterben, weil sie sich auf ihre Fähigkeit verließen, niedrigen Sauerstoffgehalt zu tolerieren. Sie starben jedoch letztendlich während der starken Versauerung der Ozeane am Ende der Kreidezeit aus, weil sie keine Kalkschalen bilden konnten. Conodonten waren vom schwersten Massenaussterben am Ende des Perms nicht stark betroffen, überlebten jedoch das weniger schwere Massenaussterben am Ende der Trias nicht.

Eine Restaurierung des Conodonten Ozarkodina. Conodonten sind eine Art kieferloser Wirbeltiere, die wie kleine Fische aussehen. Die zahnähnlichen Strukturen in ihrem Maul sind zu Fossilien geworden, die Conodonten oder Conodonten genannt werden. Sie überlebten das Massenaussterben am Ende des Perm, starben jedoch bei dem kleineren Aussterbeereignis am Ende der Trias aus.

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

In der heutigen Zeit haben die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Erde zahlreiche Umweltprobleme verursacht, wie etwa extrem hohe Temperaturen, sauren Regen, Zerstörung von Wäldern und Lebensräumen, biologische Invasionen und Umweltverschmutzung, die zu einer neuen Welle des Artensterbens geführt haben.

Seit dem Aufkommen der menschlichen Zivilisation sind 83 % der Wildtiere ausgestorben und die Rate des Artensterbens wird auf das Hundertfache der durchschnittlichen Aussterberate vor dem Aufkommen des Menschen geschätzt. Welche Arten, Gruppen und Ökosysteme sind aufgrund des Einflusses des Menschen auf die Umwelt stärker vom Aussterben bedroht?

Professor Song Haijun sagte, dass wir durch die Analyse der Veränderungen der morphologischen Vielfalt im Fossilienbestand die aktuellen Bedrohungen der Artenvielfalt besser vorhersagen und darauf reagieren könnten. So können beispielsweise Arten mit einer weiten geographischen Verbreitung (wie etwa Vögel) eine gelegentliche Zerstörung ihres Lebensraums überleben, können sich jedoch nicht behaupten, wenn sich die globale Umwelt gleichzeitig ändert. Während einige Taxa mit starken Überlebensfähigkeiten, aber enger Verbreitung (wie Höhlenfische und Schnecken) zwar in der Lage sein könnten, Umweltveränderungen zu widerstehen, würden sie jedoch ebenfalls aussterben, wenn ihr Lebensraum zerstört würde.

Am 9. Januar 2019 starb die letzte bekannte Goldkopf-Achatschnecke (Achatinella apexfulva „George“) im Alter von 14 Jahren. Diese Schneckenart, die nur auf Hawaii vorkommt, war einst weit verbreitet, ist jedoch aufgrund invasiver Fressfeinde gefährdet oder ausgestorben.

(Bildquelle: Wikipedia)

Durch die Untersuchung ausgestorbener Organismen in der Vergangenheit können wir aus der Geschichte lernen, Aussterbemechanismen aufdecken und das Aussterberisiko biologischer Arten vorhersagen, Gruppen mit geringer Überlebensfähigkeit in der gegenwärtigen Umwelt finden und sie schützen; Darüber hinaus kann der Einsatz von KI-Technologie – der automatisierten Methode DeepMorph zur Analyse paläontologischer Fossilien – auch als Ausgangspunkt dienen und weitere Ideen und Möglichkeiten für die zukünftige interdisziplinäre Forschung zu Deep Learning und Geobiologie bieten.

Quellen:

[1]Liu X, Song H, Chu D, et al. Heterogene Selektivität und morphologische Evolution mariner Kladen während des Perm-Trias-Massenaussterbens[J]. Nature Ecology & Evolution, 2024: 1-11.

[2] Frýda J, Nützel A, Wagner P J. Paläozoische Gastropoda[J]. Phylogenese und Evolution der Mollusca, 2008: 239-270.

[3]Ciampaglio, CN (2004). Messung von Veränderungen in der Morphologie artikulierter Brachiopoden vor und nach dem Massenaussterben im Perm: Begrenzen Entwicklungsbeschränkungen die morphologische Innovation? Evolution und Entwicklung, 6(4), 260–274.

[4]Villier, L. (2004). Morphologische Unterschiede bei Ammonoideen und Kennzeichen des Massenaussterbens im Perm. Science, 306(5694), 264–266.

[5]Korn, D., Hopkins, MJ, und Walton, SA, 2013, Extinction space—Eine Methode zur Quantifizierung und Klassifizierung von Veränderungen im Morphospace über Extinction-Grenzen hinweg: Evolution, v. 67, S. 2795–2810,

[6]Peng, Y., Shi, GR, Gao, Y., He, W., & Shen, S. (2007). Wie und warum überlebten die Lingulidae (Brachiopoda) das Massenaussterben am Ende des Perms nicht nur, sondern gediehen auch danach? Paläogeographie, Paläoklimatologie, Paläoökologie, 252(1-2), 118–131.