研究消除了人类对恐龙灭亡的偏见

为了帮助解决关于它是一颗巨大的小行星还是火山喷发在6600万年前消灭了恐龙和大多数其他物种的科学争论，达特茅斯学院的研究人员尝试了一种新方法——他们将科学家从辩论中移除，让计算机决定。

研究生Alex Cox，Guarini和他的顾问Brenhin Keller在《科学》杂志上报告了一种由互连处理器驱动的新建模方法，该方法可以在没有人工输入的情况下处理大量地质和气候数据。他们要求近130名处理者反向分析化石记录，以确定导致白垩纪 – 古近纪（又名K-Pg）灭绝事件的事件和条件，为哺乳动物的崛起扫清了道路，包括将导致早期人类的灵长类动物。

“我们的部分动机是在没有预先确定的假设或偏见的情况下评估这个问题，”该研究的第一作者，地球科学系研究生考克斯说。“大多数模型都朝着前进的方向发展。我们调整了一个碳循环模型，以另一种方式运行，利用这种效应通过统计数据找到原因，在它朝着特定结果工作时，只给它最低限度的先验信息。

“最后，我们的想法或我们以前的想法并不重要 – 模型向我们展示了我们如何达到我们在地质记录中看到的东西，”他说。

该模型分析了K-Pg灭绝前后100万年中超过30万种可能的二氧化碳排放，二氧化硫输出和生物生产力情景。通过一种称为马尔可夫链蒙特卡洛的机器学习 – 这与智能手机预测你接下来要输入的内容的方式没有什么不同 – 处理器独立地一起工作，比较，修改和重新计算他们的结论，直到他们达到与化石记录中保存的结果相匹配的场景。

化石记录中的地球化学和有机残留物清楚地捕捉了K-Pg灭绝期间的灾难性条件，因此以千年大灾变两侧的地质时期命名。全世界的动植物遭受了大规模的死亡，因为食物网在不稳定的大气层下崩溃，充满了遮阳的硫磺、空气中的矿物质和吸热的二氧化碳，从寒冷到灼热的条件下疯狂摆动。

自由思考的计算机对化石记录进行逆向工程，以找到大灾变的原因。

亚历克斯·考克斯，瓜里尼地球科学研究生

虽然效果很明显，但灭绝的原因尚未解决。将这一事件归因于火山爆发的早期理论已经被墨西哥发现的一个名为希克苏鲁伯的撞击坑所掩盖，该撞击坑是由一颗数英里宽的小行星引起的，现在被认为是灭绝事件的主要原因。然而，这些理论已经开始趋同，因为化石证据表明，地球历史上的任何事情都不同：这颗小行星可能已经撞上了一颗已经从印度西部德干陷阱大规模、极其猛烈的火山喷发中挣扎出来的行星。

但科学家们仍然不知道 – 也不同意 – 每个事件在多大程度上导致了大规模灭绝。因此，地球科学助理教授考克斯和凯勒决定“看看如果你让代码决定你会得到什么”。

他们的模型表明，仅从德干陷阱中喷出的改变气候变化的气体就足以引发全球灭绝。陷阱在希克苏鲁伯小行星出现之前已经喷发了大约30万年。在近100万年的喷发中，德干陷阱估计向大气中排放了高达10.4万亿吨二氧化碳和9.3万亿吨硫。

“我们历史上已经知道火山会导致大规模灭绝，但这是第一次从其环境影响的证据中独立估计挥发性排放，”凯勒说，他去年发表了一篇论文，将地球五次大规模灭绝中的四次与火山活动联系起来。

“我们的模型独立地通过数据工作，没有人为偏见，以确定产生我们在地质记录中看到的气候和碳循环破坏所需的二氧化碳和二氧化硫的数量。事实证明，这些数量与我们期望在德干陷阱的排放中看到的一致，“凯勒说，他广泛研究了德干火山活动与K-Pg灭绝之间的联系。

该模型确实揭示了希克苏鲁伯撞击前后深海中有机碳积累的急剧下降，这可能是由于小行星导致许多动植物物种的死亡造成的。该记录包含温度下降的痕迹，大约在同一时间，这可能是由大量硫引起的 – 一种短期冷却剂 – 当猛犸象陨石与地球上富含硫的表面相撞时，它会喷射到空气中。

小行星撞击也可能同时排放碳和二氧化硫。然而，该模型发现当时这两种气体的排放量都没有激增，这表明小行星对灭绝的贡献并不取决于气体排放。

考克斯说，在现代背景下，从2000年到2023年，化石燃料的燃烧每年向大气中排放约160亿吨二氧化碳。这比科学家预测的德干陷阱的最高年排放率高出100倍。考克斯说，虽然它本身令人震惊，但目前的二氧化碳排放量仍然需要几千年才能与古代火山喷出的总量相匹配。

“最令人振奋的是，我们取得的结果在物理上大致合理，这令人印象深刻，因为该模型在技术上可以在没有更强的先验约束的情况下完全疯狂运行，”他说。

Cox说，互连处理器将模型分析如此庞大的数据集所需的时间从几个月或几年缩短到几小时。他和凯勒的方法可以用来反转其他地球系统模型 – 例如气候或碳循环模型 – 以评估地质事件，这些事件的结果是众所周知的，但不是导致那里的因素。

“这种类型的并行反演以前在地球科学模型中没有做过。我们的方法可以扩展到包括数千个处理器，这为我们提供了更广泛的解决方案空间来探索，并且它非常能抵抗人类的偏见，“Cox说。

“到目前为止，我们领域的人们对这种方法的新颖性比我们得出的结论更着迷，”他说。“任何我们知道其影响但不知道原因的地球系统都已经成熟，可以反转。我们对输出了解得越多，我们就越能更好地表征导致它的输入。