La inteligencia artificial descubre patrones sorprendentes en las extinciones masivas biológicas de la Tierra

Un nuevo estudio aplica el aprendizaje automático al registro fósil para visualizar la historia de la vida, mostrando los impactos de los principales eventos evolutivos. Esto muestra los impactos evolutivos y ecológicos a largo plazo de los principales eventos de extinción y especiación. Los colores representan los períodos geológicos desde el Toniano, comenzando hace mil millones de años, en amarillo, hasta el Período Cuaternario actual, mostrado en verde. La transición de color rojo a azul marca la extinción masiva del final del Pérmico, uno de los eventos más perturbadores en el registro fósil. Crédito: J. Hoyal Cuthill y N. Guttenberg

La idea de que las extinciones masivas permiten que evolucionen muchos tipos nuevos de especies es un concepto central en la evolución, pero un nuevo estudio que utiliza inteligencia artificial para examinar el registro fósil encuentra que esto rara vez es cierto, y debe haber otra explicación.

La obra histórica de Charles Darwin, Sobre el origen de las especies, termina con un hermoso resumen de su teoría de la evolución, “Hay una grandeza en esta visión de la vida, con sus varios poderes, habiendo sido originalmente insuflada en unas pocas formas o en una; y que, mientras este planeta ha seguido su ciclo de acuerdo con la ley fija de la gravedad, desde un comienzo tan simple, las formas infinitas más hermosas y maravillosas han evolucionado y están evolucionando ”.

De hecho, los científicos ahora saben que la mayoría de las especies que han existido están extintas. En general, esta extinción de especies ha sido equilibrada aproximadamente por el origen de otras nuevas a lo largo de la historia de la Tierra, con algunos desequilibrios temporales importantes que los científicos denominan eventos de extinción masiva. Los científicos han creído durante mucho tiempo que las extinciones masivas crean períodos productivos de evolución de las especies, o «radiaciones», un modelo llamado «destrucción creativa». Un nuevo estudio dirigido por científicos afiliados al Earth-Life Science Institute (ELSI) en el Instituto de Tecnología de Tokio utilizó el aprendizaje automático para examinar la coexistencia de especies fósiles y descubrió que las radiaciones y las extinciones rara vez están conectadas y, por lo tanto, las extinciones masivas probablemente rara vez. causar radiaciones de una escala comparable.

La destrucción creativa es fundamental para los conceptos clásicos de evolución. Parece claro que hay períodos en los que repentinamente muchas especies desaparecen repentinamente y muchas especies nuevas aparecen repentinamente. Sin embargo, las radiaciones de una escala comparable a las extinciones masivas, que este estudio, por lo tanto, llama radiaciones masivas, han recibido mucho menos análisis que los eventos de extinción.

Este estudio comparó los impactos tanto de la extinción como de la radiación a lo largo del período para el que están disponibles los fósiles, el llamado Eón Fanerozoico. El fanerozoico (del griego que significa «vida aparente»), representa el período más reciente de ~ 550 millones de años de la historia total de la Tierra ~ 4.500 millones de años, y es importante para los paleontólogos: antes de este período, la mayoría de los organismos que existían microbios que no formaron fósiles fácilmente, por lo que el registro evolutivo anterior es difícil de observar.

El nuevo estudio sugiere que la destrucción creativa no es una buena descripción de cómo las especies se originaron o se extinguieron durante el Fanerozoico, y sugiere que muchos de los momentos más notables de radiación evolutiva ocurrieron cuando la vida entró en nuevas arenas evolutivas y ecológicas, como durante el Cámbrico. explosión de la diversidad animal y la expansión carbonífera de los biomas forestales. No se sabe si esto es cierto para los ~ 3 mil millones de años anteriores dominados por microbios, ya que la escasez de información registrada sobre una diversidad tan antigua no permitió un análisis similar.

Los paleontólogos han identificado un puñado de los eventos de extinción masiva más graves en el registro fósil del fanerozoico. Estos incluyen principalmente las cinco grandes extinciones masivas, como la extinción masiva del final del Pérmico en la que se estima que más del 70% de las especies se han extinguido. Los biólogos ahora han sugerido que ahora podemos estar entrando en una «Sexta Extinción Masiva», que creen que es causada principalmente por la actividad humana, incluida la caza y los cambios en el uso de la tierra causados ​​por la expansión de la agricultura. Un ejemplo comúnmente conocido de las extinciones masivas anteriores de los «Cinco Grandes» es el Cretáceo-Terciario (generalmente abreviado como «KT», usando la ortografía alemana del Cretácico) que parece haber sido causado cuando un meteorito golpeó la Tierra hace ~ 65 millones de años, acabando con los dinosaurios no aviares.

Al observar el registro fósil, los científicos llegaron a creer que los eventos de extinción masiva crean radiaciones especialmente productivas. Por ejemplo, en el evento de exterminio de dinosaurios de KT, se ha supuesto convencionalmente que se creó un páramo, lo que permitió que organismos como los mamíferos se recolonizaran e «irradiaran», lo que permitió la evolución de todo tipo de nuevas especies de mamíferos, lo que finalmente sentó las bases para el surgimiento de los humanos. En otras palabras, si el evento KT de “destrucción creativa” no hubiera ocurrido, quizás no estaríamos aquí para discutir esta cuestión.

El nuevo estudio comenzó con una discusión informal en el “Agora” de ELSI, una gran sala común donde los científicos y visitantes de ELSI suelen almorzar y entablar nuevas conversaciones. Dos de los autores del artículo, la bióloga evolutiva Jennifer Hoyal Cuthill (ahora investigadora en la Universidad de Essex en el Reino Unido) y el físico / experto en aprendizaje automático Nicholas Guttenberg (ahora científico investigador en Cross Labs que trabaja en colaboración con GoodAI en la República Checa), que eran académicos postdoctorales en ELSI cuando comenzó el trabajo, estaban dando vueltas a la pregunta de si el aprendizaje automático podría usarse para visualizar y comprender el registro fósil.

Durante una visita a ELSI, justo antes del COVID-19 La pandemia comenzó a restringir los viajes internacionales, trabajaron febrilmente para ampliar su análisis y examinar la correlación entre los eventos de extinción y radiación. Estas discusiones les permitieron relacionar sus nuevos datos con la amplitud de ideas existentes sobre extinciones masivas y radiaciones. Rápidamente descubrieron que los patrones evolutivos identificados con la ayuda del aprendizaje automático diferían en formas clave de las interpretaciones tradicionales.

El equipo utilizó una nueva aplicación de aprendizaje automático para examinar la coexistencia temporal de especies en el registro fósil del fanerozoico, examinando más de un millón de entradas en una enorme base de datos pública curada que incluye casi dos mil cientos de especies.

El autor principal, el Dr. Hoyal Cuthill, dijo: “Algunos de los aspectos más desafiantes para comprender la historia de la vida son las enormes escalas de tiempo y el número de especies involucradas. Las nuevas aplicaciones de aprendizaje automático pueden ayudar al permitirnos visualizar esta información en una forma legible por humanos. Esto significa que podemos, por así decirlo, tener quinientos millones de años de evolución en las palmas de nuestras manos y obtener nuevos conocimientos de lo que vemos «.

Usando sus métodos objetivos, encontraron que los «cinco grandes» eventos de extinción masiva identificados previamente por los paleontólogos fueron recogidos por los métodos de aprendizaje automático como uno de los 5% principales de interrupciones significativas en las que la extinción superó a la radiación o viceversa, al igual que siete extinciones masivas adicionales, dos eventos combinados de extinción masiva-radiación y quince radiaciones masivas. Sorprendentemente, en contraste con las narrativas anteriores que enfatizan la importancia de las radiaciones posteriores a la extinción, este trabajo encontró que las radiaciones masivas y las extinciones más comparables rara vez estaban acopladas en el tiempo, refutando la idea de una relación causal entre ellas.

El coautor, el Dr. Nicholas Guttenberg, dijo: «el ecosistema es dinámico, no es necesario que elimine una pieza existente para permitir que aparezca algo nuevo».

El equipo descubrió además que, de hecho, las radiaciones pueden causar cambios importantes en los ecosistemas existentes, una idea que los autores denominan «creación destructiva». Descubrieron que, durante el Eón Fanerozoico, en promedio, las especies que formaron un ecosistema en un momento dado han desaparecido casi todas 19 millones de años después. Pero cuando ocurren radiaciones o extinciones masivas, esta tasa de rotación es mucho mayor.

Esto da una nueva perspectiva sobre cómo está ocurriendo la moderna «Sexta Extinción». El período Cuaternario, que comenzó hace 2,5 millones de años, fue testigo de repetidos trastornos climáticos, incluidas dramáticas alternancias de glaciaciones, momentos en los que los lugares de alta latitud de la Tierra estaban cubiertos de hielo. Esto significa que la actual «Sexta Extinción» está erosionando la biodiversidad que ya fue interrumpida, y los autores sugieren que tomará al menos 8 millones de años para que vuelva al promedio a largo plazo de 19 millones de años. El Dr. Hoyal Cuthill comenta que “cada extinción que ocurre bajo nuestra vigilancia borra una especie, que puede haber existido durante millones de años hasta ahora, dificultando que el proceso normal de ‘origen de nuevas especies’ reemplace lo que se está perdiendo. «

Referencia: «Impactos de la especiación y extinción medidos por un reloj de decaimiento evolutivo» por Jennifer F. Hoyal Cuthill, Nicholas Guttenberg y Graham E. Budd, 9 de diciembre de 2020, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3003-4