將網路分析應用於自然史研究

將網路分析應用於自然史研究

對過去5.41億年間海洋化石記錄的網路分析揭示了大規模滅絕的生態影響，並可能幫助我們預測「第六次物種大滅絕」的後果。

一組研究人員正在使用網路分析技術——通過社交媒體應用推廣——來尋找地球自然歷史的模式，正如發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上的一篇論文中所詳述的那樣。通過使用網路分析尋找社區的海洋生物化石記錄的古生物學資料庫,團隊,包括倫斯勒理工學院的研究人員,能夠量化等重大活動的生態影響大規模滅絕,可能幫助我們預測的後果「第六次大滅絕」。

「網路分析可以轉化為一種可消化的資料庫，如此巨大，以至於根本不可能把數據的大部分內容都看出來，」Peter Fox說，他是一個Tetherless世界星座的主席，也是Rensselaer的地球與環境科學、計算機科學和認知科學的教授。

「我們的方法的力量在於，在網路中嵌入的多維數據可以告知和發現數據的趨勢，將無窮無盡的數字網格轉化為一幅圖，可以一眼看出多個關係。」

哈佛大學(Harvard University)博士後研究員、該論文的第一作者德魯·穆斯森(Drew Muscente)說，該研究小組的方法為現代物種滅絕的生態影響提供了新的視角。鑒於過去幾個世紀物種消失的速度，許多科學家懷疑地球正處於第六次物種大滅絕之中。

化石記錄包含了多次大規模滅絕的證據。在這些事件中，遠古生物群落髮生變化的數據可以幫助我們了解當今生物多樣性危機的潛在後果。「我們的研究表明，無論你怎麼稱呼它，這場危機可能會以一些令人驚訝的方式改變生物群落和它們的生態系統，這是無法用其他方法來預測的。」

從分析中得出的一幅圖是主要事件對生態影響的排序，大奧陶系生物多樣性事件對生態影響最大，其次是二疊紀-三疊紀、白堊紀-古第三紀、泥盆紀和三疊紀-侏羅紀的大規模滅絕。分析表明，奧陶紀大滅絕的生態影響可能比之前估計的要少，同樣地，泥盆紀滅絕的意義也可能被低估了。

中,福克斯和倫斯勒理工學院研究人員學歷您正在和艾哈邁德Eleish加入哈佛大學的Andrew Knoll Muscente第一作者,和邁克爾·b·邁耶和卡內基科學研究所的羅伯特·海森的研究,早期作品,擴充了一套應用礦物學數據網路分析。他們的工作得到了W.M.凱克基金會的三年資助。

Rensselaer科學學院院長Curt M. Breneman教授說:「這篇文章所報道的開創性工作說明了下一代數據分析是如何為一個領域創造的，可以改變其他領域的研究。」「這讓我們看到了數據驅動科學在21世紀的影響。」

社交網路分析可以用來識別朋友群體、疾病傳播和極端組織，通過識別社區的人——他們的共同屬性，比如位置、興趣或性別，可以在社交媒體上顯示他們的關聯，而沒有直接聲明。福克斯說，正如網路分析揭示了人們的群體一樣，研究人員可以利用地球和生命科學資料庫的網路分析來發現過去生活的古代有機體(例如物種和屬)的聯繫，並了解這些「古群落」是如何隨著時間而改變的。

在早期的工作中，團隊將網路分析應用到礦物學資料庫中。記錄的每一種礦物都有17種屬性，比如化學成分、形成方式、位置，以及結果，正如美國礦物學家所發表的，預測了1500種尚未被發現的礦物，至少有14種已經被發現。最近在美國礦物學家和國際地質信息雜誌上發表了關於礦物學數據網路分析的研究。

在《美國科學院院刊》(PNAS)的一篇題為「通過對化石群落進行網路分析來量化大規模滅絕的生態影響」的論文中，研究小組討論了古生物學資料庫——一個「非政府的、非營利性的古生物數據公共資源」。該資料庫包含了化石的位置、年齡、環境和親緣關係的數據，在地球歷史上6億年的時間裡，在全世界超過190,000個化石收集採樣點上保存了超過35萬個古代的taxa。研究小組將他們的數據集限制在活在顯生宙的海洋動物的化石上，這一時期始於5.41億年前的動物生命的爆發，並持續到現在。

在作者的網路中，每個化石分類單元(例如，order, family，或屬)都變成了一個「節點」，可以在網路圖中作為一個點來可視化。如果這些有機體生活在一起，並且在過去的同一地點被石化，這些節點就會相互連接。這種方法的結果是將節點組織成簇，它代表了海洋動物的古老群落，可以通過計算和統計方法來識別。由於類群(和群落)隨著時間的推移而產生並逐漸消失，地質時代表現為網路結構的隱式方面。在圖中，居住在地球歷史上不同時期的taxa和群落分布在整個網路中，節點之間的距離與它們的年齡之間的時間跨度直接相關。總的來說，所得到的網路圖描述了在不同時間段內網路的密度、節點的中心程度和節點組、節點之間的連接數量等方面。為了表示更多的屬性，團隊正在進入三維和虛擬現實的表示。福克斯說，結果是「在一個圖表中，古生物資料庫中有相當大的一部分。」

這一方法不僅適用於化石本身，也適用於新發現，「關於化石和它們所處的環境之間的對應關係，」福克斯說。在PNAS的結果,研究人員使用化石記錄量化滅絕的影響,但通過結合數據從礦物從化石記錄信息記錄,研究人員希望網路分析可能導致其他見解地球系統的發展,例如,生活和環境如何改變,以應對大氣氧化或從富氮缺氮的條件上生長。

福克斯說:「當我們把這項工作結合起來的時候，我們會有一個多層的網路，我們可以看到化石網路和礦物網路之間的對應關係。」「以前從來沒有這樣做過。」

對地球和生命科學資料庫的網路分析的研究實現了新的職業技術，這是一種新興的高等教育範式，它認識到全球的挑戰和機遇是如此巨大，即使是最有才華的人也無法完全解決這些問題。Rensselaer是一個合作的十字路口，它與各個學科、部門和地理區域的合作夥伴合作，使用最先進的工具和技術來解決複雜的全球挑戰，其中許多工具和技術都是在倫斯勒開發的。Rensselaer的研究解決了世界上一些最緊迫的技術挑戰——從能源安全和可持續發展到生物技術和人類健康。新的理工學院在全球研究的影響，創新的教學方法，以及在倫斯勒的學生的生活中都具有變革作用。

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