2021年9月6日，中国科学院新生代地质与环境重点实验室举行第三期“刘东生讲座”，中国地质大学教授宋海军做题为“地球生物学大数据及应用”报告。 

　　过去四十年里，地球科学SCI论文数量增加了7倍。随着数据共享机制、存储分发平台的逐渐完善，以及人工智能绝对智商不断提高，大数据和人工智能手段在现代地球科学研究中地位日益凸显。 

　　宋海军教授简要回顾地球生物学大数据的发展历史。1860年，John Philips出版了《英国化石汇编》，并构建了第一条显生宙的生物多样性曲线，生物大灭绝事件初现峥嵘。1980年代，John Sepkoski Jr.根据属的多样性重建了生物多样性变化曲线，揭示了五次生物大灭绝，但没有充分考虑化石的保存和分布信息。新一代的数据库以南京地质古生物研究所的地球生物多样性数据库为代表。该数据库覆盖了25,000多个剖面以及57万多条数据，有效支撑了古生代生物多样性的高分辨率重建。 

　　过去10年中，宋海军教授利用大数据方法深入研究了生物大灭绝事件的性质。显生宙最大的生物灭绝事件发生在二叠纪和三叠纪之交。二叠-三叠大灭绝事件在不到10万年的时间里，灭绝了90%以上的海洋物种。宋海军教授系统收集、统计和分析了全球5万多条化石记录发现，在灭绝前的二叠纪海洋生态系统中，底栖型动物占据主导地位，而在灭绝后的早三叠世海洋，游泳型动物占据主导地位，——灭绝事件导致海洋生态金字塔出现倒转(下图)。他还发现，三叠纪海洋中，处于生物链顶端的动物复苏比底端更快，海洋生态系统重建是自上而下进行的。生物多样性在灭绝事件发生5Ma后就恢复到了灭绝前的水平，而生态系统恢复时间则超过了50Ma，直到三叠纪末才恢复到灭绝前的水平。

　　生物多样性最显著的空间特征是多样性纬度梯度：赤道地区生物多样性高，而高纬地区生物多样性低。宋海均教授团队采用多种重采样方法分析了5万多条海洋生物化石数据，发现在晚二叠世和中晚三叠世生物多样性纬度都非常明显。而二叠-三叠之交的生物大灭绝事件发生时，热带地区生物多样性高峰消失，生物多样性在赤道和两极地区没有显著差别。这种扁平的纬度多样性梯度持续了整个早三叠世，到中晚三叠世才逐渐恢复(下图)。

　　他们还注意到，在大灭绝发生后的早三叠世，不同地点的菊石相似程度明显增加，菊石出现了全球化现象，这表明二叠-三叠大灭绝是全球性事件。菊石数据分析发现，早三叠世幸存的菊石缺少复杂纹饰，表面大多比较光滑，菊石的灭绝存在选择性。有孔虫数据分析发现，较大的有孔虫更容易灭绝。由于二叠-三叠灭绝事件存在形态和大小上的选择性，暗示灭绝事件的主要原因是升温而非降温，选择性灭绝的原因可能是海洋酸化和缺氧，而不是陨石撞击事件。 

　　生态实验和海洋调查表明温度是影响生物生存和多样性变化的重要因素。为进一步探讨大灭绝事件的可能机制，宋海军教授团队建立了显生宙化石氧同位素数据库，包括25,000多条各类化石的磷酸盐和碳酸盐氧同位素数据。集成的氧同位素曲线与地质历史中冰期变化大致相符，也与重建的大气二氧化碳浓度变化接近。他们进一步和Chris Scotese团队合作，将全球沉积大数据和地球化学数据结合起来，构建了显生宙地球平均温度变化曲线(下图)。

　　宋海军教授利用近4万个化石属、85万多条化石记录计算了4.5亿年以来海洋生物灭绝率变化，并与古温度变化进行对比。对比发现显生宙海洋生物灭绝率与温度变化的幅度和速率显著正相关：温度变化速度越快、幅度越大，的生物灭绝率就越高(下图)。显生宙五大灭绝事件发生的气候变化的阈值为：温度变化幅度超过5.2℃，且温度变化速率大于10℃/Myr。

　　该项研究结果对当前气候变化和生态响应有重要启示。自1850年以来，全球平均温度已经上升了1°C 。到2100年，地球平均温度有可能上升5度，接近甚至超过地史时期五次大灭绝的阈值，很可能对海洋生态系统造成灾难性打击。 

　　在研究深入的同时，宋海军教授还将AI引入了课堂。目前，基于深度卷积神经网络的化石AI鉴定平台已经上线，整体鉴定准确率超过了90%。即使是容易混淆的腕足类和双壳类，准确率也超过80%。宋海军教授领导的地球生物学大数据&模拟团正积极构建基于AI识别的生物多样性曲线。 

　　全所数十名师生出席了讲座，并与宋海军教授就生物大灭绝的性质、后果，大数据处理的方法和理论、AI工作原理等展开了热烈交流。  

　　讲座结束后，新生代重点实验室杨石岭研究员为宋海军教授颁发“刘东生讲座”证书，并合影留念。