Свободно мыслящие компьютеры провели реверсивный анализ ископаемых, чтобы определить причины катаклизма.
Чтобы решить давние споры о том, что стало причиной вымирания динозавров и множества других видов 66 миллионов лет назад – мощный удар астероида или вулканическая активность, – команда из Дартмутского колледжа применила инновационный подход: они отстранили людей-ученых от участия в дебатах и позволили компьютерам принять решение.
Содержание
Исследователи сообщают в журнале Science о новом методе моделирования с помощью взаимосвязанных процессоров, которые могут работать с массивами геологических и климатических данных без участия человека. Они поручили почти 130 процессорам проанализировать историю ископаемых в обратном порядке, чтобы точно определить события и условия, которые привели к мел-палеогеновому (K-Pg) вымиранию, расчистившему путь для появления млекопитающих, в том числе приматов, которые привели к появлению первых людей.
Новый взгляд на исторические события
“Частью нашей мотивации было стремление оценить этот вопрос без заранее определенных гипотез или предубеждений”, – говорит Алекс Кокс, первый автор исследования и аспирант Дартмутского факультета наук о Земле. “Большинство моделей движутся вперед. Мы адаптировали модель углеродного цикла, чтобы она двигалась в обратном направлении, используя эффект для поиска причины с помощью статистики, предоставляя ей лишь минимум предварительной информации, пока она работает над конкретным результатом”.
“В конце концов, неважно, что мы думаем или что мы думали раньше – 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, сернистого газа и биологической продуктивности за 1 миллион лет до и после вымирания K-Pg. Благодаря типу машинного обучения, известному как Марковская цепь Монте-Карло (который мало чем отличается от того, как смартфон предсказывает, что вы наберете дальше), процессоры работали независимо друг от друга, сравнивая, пересматривая и пересчитывая свои выводы, пока не пришли к сценарию, который соответствует результатам, сохранившимся в ископаемом материале.
Раскрытие причин вымирания
Геохимические и органические остатки в окаменелостях четко отражают катастрофические условия во время мел-палеогенового вымирания, названного так по геологическим периодам по обе стороны от тысячелетнего катаклизма. Животные и растения по всему миру массово вымирали, так как пищевые сети разрушались под воздействием нестабильной атмосферы, которая, наполненная солнечной серой, минералами в воздухе и улавливающим тепло углекислым газом, дико колебалась от холодных до палящих условий.
Эффект очевиден, но причина вымирания остается нерешенной. Ранние теории, приписывающие это событие вулканическим извержениям, были отброшены после открытия ударного кратера в Мексике, известного как Чиксулуб, который был образован после падения астероида диаметром в несколько километров, который теперь считается главным виновником вымирания. Однако теории начали сближаться, поскольку ископаемые свидетельства указывают на то, что это был удар, не похожий ни на что в истории Земли: поскольку окаменелости предполагают один-два удара, не похожих ни на что в истории Земли: астероид, возможно, врезался в планету, уже шатающуюся от массивных, чрезвычайно сильных извержений вулканов в Деканских ловушках на западе Индии.
Но ученые до сих пор не знают – и не согласны с тем, – в какой степени каждое из этих событий способствовало массовому вымиранию. Поэтому Кокс и его консультант Бренхин Келлер, доцент кафедры наук о Земле в Дартмуте и соавтор исследования, решили “посмотреть, что получится, если позволить всё решать компьютерному коду”.
Результаты моделирования и влияние вулканов
Согласно их модели, одного лишь выброса газов, изменяющих климат, из Деканских ловушек могло быть достаточно, чтобы спровоцировать глобальное вымирание. Ловушки извергались примерно 300 000 лет еще 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.
“Мы знаем, что вулканы могут вызывать массовые вымирания, но это первая независимая оценка выбросов летучих веществ, основанная на данных об их воздействии на окружающую среду”, – говорит Келлер, который в прошлом году опубликовал работу, связывающую четыре из пяти массовых вымираний на Земле с вулканизмом.
“Наша модель проанализировала данные независимо и непредвзято, чтобы определить количество диоксида углерода и диоксида серы, необходимое для возникновения климатических нарушений и нарушений углеродного цикла, которые мы наблюдаем в геологической летописи. Оказалось, что эти объемы соответствуют тому, что мы ожидали увидеть в выбросах из Деканских ловушек”, – говорит Келлер, который много работал над изучением связи между вулканизмом Декана и вымиранием K-Pg.
Удар астероида и современный контекст
Модель показала резкое падение накопления органического углерода в глубоких слоях океана примерно во время удара Чиксулуба, что, вероятно, стало результатом гибели многочисленных видов животных и растений от астероида. В записях есть следы снижения температуры примерно в то же время, которое было вызвано большим количеством серы – кратковременного охлаждающего агента, – выброшенного в воздух огромным астероидом при столкновении с богатой серой поверхностью в этом районе планеты.
При столкновении с астероидом в воздух, скорее всего, попали бы углекислый и сернистый газы. Однако модель показала, что в то время не было скачка выбросов ни одного из этих газов, что говорит о том, что вклад астероида в вымирание не зависел от выбросов газов.
Заключение: Методические инновации и будущие приложения
В современном контексте, по словам Кокса, сжигание ископаемого топлива в период с 2000 по 2023 год ежегодно выбрасывает в атмосферу около 16 миллиардов тонн углекислого газа. Это в 100 раз больше, чем самый высокий годовой уровень выбросов, который ученые прогнозируют из Деканских ловушек. По словам Кокса, хотя это само по себе вызывает тревогу, потребуется несколько тысяч лет, чтобы нынешние выбросы углекислого газа сравнялись с общим количеством, извергнутым древними вулканами.
“Больше всего радует то, что полученные нами результаты в целом физически правдоподобны, что впечатляет, если учесть, что модель могла бы в техническом плане совершенно произвольно работать без более жестких предварительных ограничений”, – сказал он.
По словам Кокса, соединение процессоров позволило сократить время, необходимое модели для анализа такого огромного массива данных, с месяцев или лет до нескольких часов. Метод Кокса и Келлера может быть использован для инверсии других моделей земных систем – например, моделей климата или углеродного цикла – для оценки геологических событий, результаты которых хорошо известны, но не известны факторы, которые к ним привели.
“Такой тип параллельной инверсии ранее не применялся в моделях наук о Земле. Наш метод можно масштабировать до тысяч процессоров, что дает нам гораздо более широкое пространство для поиска решений, и он довольно устойчив к человеческим предубеждениям”, – говорит Кокс.
“Пока что людей в нашей области больше восхищает новизна метода, чем выводы, к которым мы пришли”, – смеется 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 вызвавший его фактор”.
Читайте также: Откуда берется нефть? Динозавры ни при чем