一項新研究顯示，海洋動物之間的進化“軍備競賽”徹底改變了海洋生態系統，其規模類似於全球災難引發的大規模滅絕。瑞典於默奧大學和佛羅里達自然歷史博物館的科學家們利用古生物數據庫建立了一個多層次的計算機模型，記錄了過去5億年海洋生物的歷史。他們對化石記錄的分析與古生物學家J. John Sepkoski在1981年的一項開創性研究密切呼應–但有一個關鍵的不同。

Sepkoski的開創性統計工作顯示，大約在4.9億年和2.5億年前，整個海洋的生物多樣性發生了突變，對應的是兩次大滅絕事件。這些事件將海洋生物劃分為他所說的“三大進化動物群”，每個動物群都由一組獨特的動物主導。但新模型揭示了第四個。

大約2.5億至6600萬年前，掠食性海洋動物和它們的獵物之間為生存而進行的激烈鬥爭可能是一種同樣強大的力量，將海洋多樣性重塑為我們今天所看到的樣子。第三次大的轉變比之前的轉變要漸進得多，它是由生物體而不是外部過程所驅動的。

“我們了解到的是，並非所有動物生命的重大轉變都與大規模滅絕事件有關，”研究的主要作者Alexis Rojas說，他在佛羅里達大學獲得博士學位。Rojas現在是綜合科學實驗室的博士後研究員，該實驗室是於默奧大學致力於跨學科研究的中心。

研究報告的共同作者Michal Kowalewski說，許多科學家長期以來一直認為，火山活動、小行星撞擊或氣候變化等外部因素是地球生物圈發生重大變化的主要驅動力。Kowalewski是Rojas的博士生導師和佛羅里達博物館湯普森無脊椎動物古生物學主席。

“化石記錄告訴我們，生命史上的一些關鍵過渡是由突發性外部因素引發的快速變化。但這項研究表明，其中一些主要的過渡是比較漸進的，可能是由生物之間的生物相互作用所驅動的。”他說。

Sepkoski的工作之所以如此具有革命性，原因之一是他用數學方法解決了一個實際問題：化石記錄太大、太複雜，一個人僅靠觀察標本就能分辨出生命的潛在模式。他在1981年的研究導言中寫道：“當對其組成部分進行單獨或小群體的研究時，它們的形態、功能、相互作用和歷史的複雜性往往顯得不堪重負，幾乎是無限的。”

他認為，將這些組件組織成系統的層次結構，提出了一個更完整的觀點。Sepkoski的模型將5億年的海洋生物分為三個偉大的王朝，每個王朝之間都有一次大規模的滅絕，為新的群體的繁榮和統治掃清了道路。在三葉蟲統治之後，被稱為腕足類的動物和某些古老的珊瑚和氨蟲崛起。在二疊紀末期的大滅絕之後，它們又被蝸牛、蛤蜊、甲殼類、現代珊瑚和各種骨質魚類所取代。

Kowalewski說，Sepkoski的假說從根本上改變了科學家對生命史的思考方式。它提供了一種有組織的方式來理解海洋生態系統的歷史–總體的故事情節和情節的轉折。但隨著我們對化石記錄的了解，Sepkoski也面臨著如何分析如此龐大而復雜的信息的困境，Kowalewski說。

“現在記錄了數以百萬計的化石標本，我們的大腦根本沒有可行的方法來處理如此龐大的古生物數據檔案，”他說。“幸運的是，分析方法不斷改進，給我們提供了更好的方法來提取和檢查隱藏在這些極其複雜的數據裡面的信息。”

Rojas通過使用數據建模的最新進展來應對這一挑戰。具體來說，他對使用複雜的網絡工具來創建一個更好的化石記錄表示感興趣。與古生物學中的其他方法不同，複雜網絡使用代表物理和抽像變量的節點的鏈接結構來發現給定係統中的潛在模式。網絡方法可以應用於社會現象–例如，顯示Facebook用戶與平台上朋友的互動模式–但它們也可以應用於復雜的自然系統。和Sepkoski一樣，Rojas也是一位受過古典訓練的古生物學家，他在尋找一種全新的視角來看待化石記錄。

“有許多進程同時在多種規模上發生：在你的社區、你的國家和整個地球上。現在想像一下一天、一年或500年內發生的過程。”他說：“我們正在做的是試圖了解所有這些跨時間的事情。”

一個簡單的網絡可能由一個單層組成–所有動物生命的記錄和它們生活的地方。但Rojas和他的同事們的網絡將不同的時間間隔作為單獨的層，這是以前關於宏觀進化的研究中所缺乏的特徵。其結果是Rojas 所描述的一種新的、抽象的化石記錄，是對博物館收藏的標本所代表的物理化石記錄的補充。

“這很重要，因為我們提出的問題，我們研究的過程，發生在不同的時間和空間尺度，” Rojas說。“我們已經退後了一些步驟，所以我們可以查看整個化石記錄。通過這樣做，我們可以探索各種問題。”

“我們的海洋生物交互式地圖顯示了較小的動物群體及其在每個進化動物群中的相互作用，” Rojas說。“在最基本的層面上，這張地圖顯示了具有特定動物的海洋區域。我們研究的構件是單個動物本身。”

這個複雜的網絡顯示了Sepkoski的模型無法捕捉到的東西：海洋生物的逐漸過渡與中生代海洋革命相吻合，中生代海洋革命開始於大約1.5億年前。這一革命最早是在20世紀70年代被假設的，它是由骨魚、甲殼類和蝸牛等海洋捕食者的迅速增加引起的，自此以後，它們一直在海洋中佔據主導地位。它們的增殖促使獵物變得更加靈活，隱藏在海底，或者通過加厚盔甲、發展棘刺或提高身體部位的再生能力來增強它們的防禦能力。

Sepkoski知道中生代海洋革命，但他的模型受限於當時的方法和數據，無法劃分出這一逐漸過渡前後的海洋生態系統。Rojas和他的同事們的研究表明，物理和生物過程在塑造最高層次的海洋生命方面都發揮了關鍵作用。

“我們正在將兩個假說–中生代海洋革命和三大進化動物群整合成一個單一的故事，”Rojas說。“該模型顯示的不是生命的三個階段，而是四個階段。”