Свободомыслящие компьютеры реконструировали летопись окаменелостей, чтобы определить причины катаклизма.
Чтобы разрешить давние дебаты о том, стало ли массовое столкновение с астероидом или вулканическая активность причиной вымирания динозавров и множества других видов 66 миллионов лет назад, команда из Дартмутского колледжа применила инновационный подход — они устранили ученых от участия в дебатах и предоставили решать компьютерам.
Исследователи сообщают в журнале Science о новом методе моделирования, основанном на взаимосвязанных процессорах, которые могут обрабатывать массивы геологических и климатических данных без участия человека. Они поручили почти 130 процессорам проанализировать летопись окаменелостей в обратном порядке, чтобы точно определить события и условия, которые привели к событию вымирания в меловом–палеогеновом периоде (K–Pg), которое расчистило путь для господства млекопитающих, включая приматов, которые привели бы к появлению первых людей.
Новый взгляд на исторические события
“Частью нашей мотивации было оценить этот вопрос без заранее определенной гипотезы или предвзятости”, - сказал Алекс Кокс, первый автор исследования и аспирант Дартмутского факультета наук о Земле. “Большинство моделей движутся в прямом направлении. Мы адаптировали модель углеродного цикла для работы другим способом, используя следствие для поиска причины с помощью статистики, предоставляя ей лишь минимальный объем предварительной информации, поскольку она работала для достижения конкретного результата.
“В конце концов, не имеет значения, что мы думаем или о чем думали ранее — модель показывает нам, как мы пришли к тому, что видим в геологической летописи”, - сказал он.
Модель проанализировала более 300 000 возможных сценариев выбросов углекислого газа, производства диоксида серы и биологической продуктивности за 1 миллион лет до и после вымирания K–Pg. С помощью метода машинного обучения, известного как Монте—Карло с цепью Маркова, который мало чем отличается от того, как смартфон предсказывает, что вы введете следующим, процессоры работали вместе независимо, сравнивая, пересматривая и пересчитывая свои выводы, пока не пришли к сценарию, который соответствует результату, сохраненному в летописи окаменелостей.
Раскрытие причин вымирания
Геохимические и органические остатки в летописи окаменелостей четко отражают катастрофические условия во время вымирания K–Pg, названного так в честь геологических периодов по обе стороны от катаклизма продолжительностью в тысячелетия. Животные и растения по всему миру подверглись массовому вымиранию, поскольку пищевые сети разрушились под воздействием нестабильной атмосферы, которая, насыщенная серой, разрушающей солнце, минералами, переносимыми по воздуху, и удерживающим тепло углекислым газом, резко меняла температуру от холодной до палящей.
Хотя последствия очевидны, причина вымирания остается неразрешенной. Ранние теории, приписывающие это событие извержениям вулканов, были опровергнуты открытием ударного кратера в Мексике, известного как Чиксулуб, который был вызван астероидом шириной в несколько миль, который, как теперь считается, в первую очередь ответственен за событие вымирания. Однако теории начали сходиться, поскольку ископаемые свидетельства указывают на один-два удара, не похожих ни на что в истории Земли: астероид, возможно, врезался в планету, уже страдающую от массивных, чрезвычайно сильных извержений вулканов в западноиндийских траппах Декан.
Но ученые до сих пор не знают — и не пришли к единому мнению — о том, в какой степени каждое событие способствовало массовому вымиранию. Итак, Кокс и его советник Бренхин Келлер, доцент Дартмутского факультета наук о Земле и соавтор исследования, решили “посмотреть, что вы получите, если позволите коду решать”.
Результаты моделирования и воздействие вулкана
Их модель предполагала, что одного выброса изменяющих климат газов из ловушек Декана могло быть достаточно, чтобы вызвать глобальное вымирание. Ловушки извергались примерно за 300 000 лет до падения астероида Чиксулуб. По оценкам, за почти 1 миллион лет извержений Деканские ловушки выбросили в атмосферу до 10,4 триллиона тонн углекислого газа и 9,3 триллиона тонн серы.
“Исторически мы знали, что вулканы могут вызывать массовые вымирания, но это первая независимая оценка выбросов летучих веществ, основанная на доказательствах их воздействия на окружающую среду”, - сказал Келлер, который в прошлом году опубликовал статью, связывающую четыре из пяти массовых вымираний на Земле с вулканизмом.
“Наша модель обработала данные независимо и без предвзятости человека, чтобы определить количество двуокиси углерода и диоксида серы, необходимых для возникновения нарушений климата и углеродного цикла, которые мы наблюдаем в геологической летописи. Оказалось, что эти объемы соответствуют тому, что мы ожидаем увидеть в выбросах из Деканских ловушек ”, - сказал Келлер, который много работал над изучением связи между вулканизмом Декана и вымиранием K–Pg.
Воздействие астероида и современный контекст
Модель действительно выявила резкое снижение накопления органического углерода в глубоководных слоях океана примерно во время столкновения с Чиксулубом, которое, вероятно, произошло в результате того, что астероид вызвал гибель многочисленных видов животных и растений. Запись содержит следы снижения температуры примерно в то же время, что могло быть вызвано большим количеством серы — кратковременного охлаждающего агента - который мог быть выброшен в воздух гигантским метеоритом при столкновении с богатой серой поверхностью в этой области планеты.
Столкновение с астероидом также, вероятно, привело бы к выбросу как углерода, так и диоксида серы. Однако модель показала, что в то время не было всплеска выбросов ни того, ни другого газа, что позволяет предположить, что вклад астероида в вымирание не зависел от выбросов газа.
Вывод: Методологические инновации и будущие приложения
В современном контексте, по словам Кокса, сжигание ископаемого топлива с 2000 по 2023 год выбрасывало в атмосферу около 16 миллиардов тонн углекислого газа в год. Это в 100 раз превышает самый высокий годовой уровень выбросов, прогнозируемый учеными из Деканских траппов. Хотя само по себе это вызывает тревогу, все равно потребуется несколько тысяч лет, чтобы текущие выбросы углекислого газа сравнялись с общим количеством, которое выбрасывали древние вулканы, сказал Кокс.
“Больше всего радует то, что достигнутые нами результаты в целом физически правдоподобны, что впечатляет, учитывая, что технически модель могла бы работать совершенно дико без более жестких предварительных ограничений”, - сказал он.
По словам Кокса, объединение процессоров сократило время, необходимое модели для анализа такого огромного набора данных, с месяцев или лет до часов. Его метод и метод Келлера могут быть использованы для инвертирования моделей других систем Земли, таких как модели климата или углеродного цикла, для оценки геологических событий, результаты которых хорошо известны, но не факторов, которые к ним привели.
“Такой тип параллельной инверсии раньше не применялся в моделях наук о Земле. Наш метод может быть расширен до использования тысяч процессоров, что дает нам гораздо более широкое пространство для поиска решений, и он довольно устойчив к предвзятости человека ”, - сказал Кокс.
“До сих пор люди в нашей области были больше очарованы новизной метода, чем выводом, к которому мы пришли”, - засмеялся он. “Любая земная система, для которой мы знаем следствие, но не причину, созрела для инверсии. Чем лучше мы знаем результат, тем лучше мы можем охарактеризовать факторы, которые его вызвали ”.