KI-Modell, trainiert mit fast vier Millionen Fossilien, stellt die Geschichte der Big Five der Massenaussterben infrage

Ein genaueres Bild urzeitlicher Verluste

Ein Modell der künstlichen Intelligenz, das mit fast vier Millionen Fossilien trainiert wurde, legt nahe, dass drei der fünf bekanntesten Massenaussterben der Erde ein allmählicher Rückgang der Biodiversität waren und keine plötzlichen Zusammenbrüche. Die Rekonstruktion mit dem Namen OneStrata bringt eine riesige Sammlung von Fossilbeobachtungen in die Debatte darüber ein, wie schnell das Leben während der größten biologischen Krisen des Planeten verschwand.

Shuzhong Shen, Paläontologe an der Universität Nanjing in China, stellte die Forschung am 12. Oktober bei einer Tagung der Geological Society of America in Denver, Colorado, vor. Seine Kollegen am Zhejiang Lab, einer auf künstliche Intelligenz spezialisierten Einrichtung in Hangzhou, entwickelten das Modell anhand einer Datenbank, die über rund zwei Jahrzehnte hinweg zusammengestellt wurde.

Im Zentrum steht die Frage nach dem zeitlichen Verlauf. Ein großer Artenverlust, der sich über Hunderttausende Jahre erstreckt, erzählt eine andere Geschichte als ein vergleichbarer Verlust, der sich in kurzer Zeit abspielt. Um zu verstehen, wie Umweltstörungen zu weitreichendem Aussterben führten, müssen Wissenschaftler diese Muster unterscheiden.

Die Ergebnisse fließen auch in eine Debatte ein, die älter ist als die künstliche Intelligenz. Eine in Cambridge Prisms: Extinction veröffentlichte wissenschaftliche Übersichtsarbeit kommt zu dem Schluss, dass die Big Five weiterhin die fünf größten Aussterbeereignisse seit dem frühen Ordovizium sind. Sie liegen jedoch innerhalb eines kontinuierlichen Spektrums von Aussterbeintensitäten und bilden keine statistisch klar abgegrenzte Kategorie.

Wie Gestein zur Zeitleiste wird

OneStrata basiert auf OneStratigraphy, einer Sammlung, die die dokumentierten Tiefen von Millionen Fossilien in Gesteinsabfolgen aus Zehntausenden Fundorten weltweit erfasst. Jede Beobachtung trägt dazu bei, einen Organismus in der an einem bestimmten Ort überlieferten Erdgeschichte einzuordnen.

Sedimentgestein lagert sich in Schichten ab, die Strata genannt werden. Die Position eines Fossils in diesen Schichten hilft Forschenden zu ermitteln, wann ein Organismus im Verhältnis zu anderen lebte. Durch die Zusammenführung vieler Abfolgen lässt sich abschätzen, wann Arten auftraten, wie lange sie überdauerten und wann sie verschwanden.

Wenn Forschende diese lokalen Aufzeichnungen zusammenführen, stehen sie vor einer gewaltigen Aufgabe, passende Einträge einander zuzuordnen. Eine Art, die an mehreren Fundorten nachgewiesen wurde, kann helfen, deren Gesteinsabfolgen miteinander zu verbinden. Insgesamt umfasst die Aufgabe jedoch Zehntausende Arten und viele unvollständige Gesteinsabschnitte. Aus all diesen Beobachtungen eine schlüssige Reihenfolge zu ermitteln, erfordert erhebliche Rechenleistung.

Herkömmliche Rekonstruktionen vereinfachen die Aufgabe, indem sie Fossilien zu Zeitabschnitten von mehreren Millionen Jahren zusammenfassen. Diese groben Zeitabschnitte ermöglichen globale Vergleiche, fassen aber kürzere Veränderungen zu längeren Zeitspannen zusammen. Ein kurzer Aussterbeschub und ein lang anhaltender Rückgang lassen sich dadurch nur schwer auseinanderhalten.

Was das KI-Modell anders macht

Die Forschenden am Zhejiang Lab trainierten ihr Modell darauf, statistische Muster in Fossilaufzeichnungen zu erkennen. Der Ansatz ähnelt in groben Zügen der Art und Weise, wie ein großes Sprachmodell Textmuster erlernt, auch wenn es hier um geologische Beobachtungen statt um Sätze geht.

Ein Sprachmodell nutzt gelernte Zusammenhänge, um das wahrscheinlich nächste Wort vorherzusagen. OneStrata verwendet Muster aus seinen Trainingsdaten, um vorherzusagen, wann ein bestimmtes Fossil wahrscheinlich abgelagert wurde. Diese Schätzungen bilden die Grundlage für eine Rekonstruktion der Biodiversität im Verlauf der Erdgeschichte.

Shen bezeichnete den Ansatz als bedeutenden Fortschritt für die Erforschung von Gesteinsschichten und dem Wandel der Vielfalt:

eine echte Revolution für die Erforschung der Stratigrafie und des Wandels früherer Biodiversität

Den Entwicklern zufolge legt die Rekonstruktion des Modells nahe, dass drei der Big Five allmähliche Rückgänge der Biodiversität waren. In der Beschreibung der Forschung werden weder die drei Ereignisse genannt noch ihre geschätzte Dauer angegeben. Diese Angaben sind entscheidend, um die Ergebnisse mit Befunden einzelner Fossilienfundorte zu vergleichen.

Die praktische Stärke von OneStrata ist seine Skalierbarkeit. Forschende stießen bisher an einen Punkt, an dem es einen unverhältnismäßig hohen Rechenaufwand erforderte, weitere Arten einzubeziehen und die Zeitabstände zwischen den Schätzungen zu verkürzen. Aus einer umfangreichen Datenbank gelernte Muster bieten eine weitere Möglichkeit, diese Einschränkung anzugehen.

Der frühere Durchbruch hinter OneStrata

Shen und seine Kollegen hatten bereits 2020 gezeigt, welchen Nutzen die Zusammenführung großer Fossildatensätze hat. Ihre Rekonstruktion nutzte einen Supercomputer und einen Algorithmus, um das Auftreten und Aussterben von rund 11.000 Meeresarten über etwa 300 Millionen Jahre hinweg abzuschätzen. Die zeitliche Auflösung lag bei rund 26.000 Jahren.

Die Übersichtsarbeit in Cambridge Prisms beschreibt die chinesische Analyse genauer: 3.112 untersuchte Gesteinsprofile, 11.268 Arten und eine Auflösung von 0,026 Millionen Jahren bei einer angegebenen Streuung von 0,0149 Millionen Jahren. Die als CONOP bekannte Methode sucht nach einer Reihenfolge des Auftretens und Verschwindens von Fossilien, die am besten zu den Beobachtungen in den verschiedenen Profilen passt.

Die Entwicklung dieser Rekonstruktionen umfasst mehrere wichtige Etappen:

• 1982: David Raup und Jack Sepkoski identifizierten die Big Five anhand einer statistischen Analyse von Fossildaten zu Meerestieren.
• 2020: Shen und Kollegen rekonstruierten rund 300 Millionen Jahre mariner Biodiversität mithilfe Tausender Gesteinsabfolgen und eines Supercomputers.
• 12. Oktober: Shen stellte die neuere OneStrata-Forschung bei der Tagung der Geological Society of America in Denver vor.

Die Verbesserung der zeitlichen Auflösung ist beträchtlich. In der ursprünglichen Analyse von 1982 wurden geologische Stufen verwendet, die durchschnittlich 7,4 Millionen Jahre umfassten. Teilt man 7,4 Millionen durch 26.000, ergibt sich ungefähr 285. Das zeigt, wie viel kürzer die Zeitabschnitte in der Rekonstruktion von 2020 waren. Eine derart hohe Auflösung auf größere Datensätze anzuwenden, ist die Herausforderung, der sich OneStrata widmet.

Warum die bekannte Zahl fünf lautet

Die Big Five sind das Aussterben am Ende des Ordoviziums, im späten Devon, am Ende des Perms, am Ende der Trias und am Ende der Kreidezeit. Ihre bekannte Zusammenfassung spiegelt ihre Größe im Fossilbericht der Meerestiere und die statistischen Methoden wider, mit denen sie untersucht wurden.

Die Übersichtsarbeit zu Massenaussterben in Cambridge Prisms: Extinction erläutert, dass spätere Forschung die ursprüngliche Deutung überarbeitet hat. Die fünf Ereignisse bleiben die größten seit dem frühen Ordovizium, auch in Analysen, die Lücken im Fossil- und Gesteinsbericht berücksichtigen. Die Aussterbeintensität bildet jedoch ein Kontinuum, das von kleineren Verlusten bis zu den größten Krisen reicht.

Die Übersichtsarbeit benennt außerdem Abschnitte im Kambrium und frühen Ordovizium, in denen die Aussterberaten höher waren als bei den Big Five. Genau fünf Ereignisse hervorzuheben, bedeutet daher auch, auszuwählen, welcher Teil der Erdgeschichte verglichen und wie der Verlust gemessen werden soll.

Einige Ereignisse verliefen vergleichsweise plötzlich, andere erstreckten sich der Übersichtsarbeit zufolge über Hunderttausende Jahre oder länger. OneStrata ergänzt die bestehende wissenschaftliche Diskussion um eine neue Rekonstruktion dazu, wie unterschiedlich diese Krisen abliefen.

Warum die Dauer eines Aussterbens wichtig ist

Das Aussterben am Ende der Trias zeigt, wie stark die gewählte Zeitskala die scheinbare Geschwindigkeit einer Krise beeinflussen kann. Die Übersichtsarbeit in Cambridge Prisms weist darauf hin, dass die letzte Stufe der Trias bis zu sieben Millionen Jahre gedauert haben könnte. In der Arbeit zitierte Forschung datiert eine damit verbundene Krise des Sauerstoffgehalts im Ozean auf etwa 50.000 Jahre, also weniger als ein Prozent dieses Zeitraums.

Die Krise stand mit der Zentralatlantischen Magmatischen Provinz in Verbindung, einer gewaltigen Phase vulkanischer Aktivität. Als anoxisch bezeichnete Gewässer enthalten wenig oder keinen Sauerstoff. Das schafft gefährliche Bedingungen für Tiere, die auf im Meerwasser gelösten Sauerstoff angewiesen sind.

Werden die Verluste über eine gesamte geologische Stufe verteilt, ergibt sich eine deutlich niedrigere berechnete Aussterberate, als wenn sie auf die kürzere Krise konzentriert werden. Die Übersichtsarbeit schätzt, dass die tatsächliche Rate etwa 100-mal so hoch gewesen sein könnte wie die aus den breiteren globalen Zeitabschnitten abgeleitete Rate.

Fehlende Fossilien erschweren die Arbeit zusätzlich. Das zuletzt gefundene Fossil einer Art kann aus einer Zeit vor ihrem tatsächlichen Aussterben stammen, weil spätere Überreste nie erhalten blieben, freigelegt oder gesammelt wurden. Über viele Arten hinweg können solche Lücken die scheinbaren Zeitpunkte des Verschwindens nach hinten verschieben und ein konzentriertes Ereignis allmählicher erscheinen lassen. Paläontologen nennen das den Signor-Lipps-Effekt.

Matthew Clapham, Paläontologe an der University of California, Santa Cruz, bewertete das Potenzial von OneStrata zurückhaltend und verwies auf die detaillierten Rekonstruktionen, die für bestimmte Orte bereits vorliegen:

Damit ließen sich zusätzliche Dinge untersuchen, aber ich weiß nicht, ob das bahnbrechend wäre.

Lokale Gesteinsprofile und globale Modelle beantworten verwandte Fragen auf unterschiedlichen Maßstabsebenen. Einzelne Fundorte können detaillierte Informationen über eine Krise bewahren, während eine globale Rekonstruktion nach einem einheitlichen Muster über viele Orte hinweg sucht. Der Vergleich beider Ansätze ist entscheidend, um zu verstehen, ob ein allmählicher Rückgang die biologische Geschichte, Erhaltungslücken oder die Art der Zusammenführung von Aufzeichnungen widerspiegelt.

Auch die gezählten Verluste verändern das Bild

Das Aussterben am Ende des Perms zeigt, warum neben der Zeitskala auch die gezählte Einheit eine Rolle spielt. Die Übersichtsarbeit in Cambridge Prisms nennt je nach Analyse geschätzte Verluste von 56 bis 69 Prozent auf Gattungsebene. Eine Gattung ist eine Gruppe verwandter Arten. Der Verlust einer Gattung und der Verlust einer Art entsprechen daher unterschiedlichen Ausmaßen biologischer Vielfalt.

Paläontologen zählen häufig Gattungen, weil Fossilien nur einen Teil der Anatomie eines Organismus erhalten und Arten dadurch schwerer einheitlich zu bestimmen sind. Eine Gattung kann überleben, auch wenn mehrere ihrer Arten verschwinden, sofern mindestens eine Art bestehen bleibt.

Die Übersichtsarbeit verweist auf eine Berechnung, der zufolge beim Ereignis am Ende des Perms 81 Prozent der Arten verschwanden. Dem steht die oft wiederholte Höchstschätzung von 96 Prozent aus einer älteren Analyse gegenüber. Beide Zahlen beschreiben einen enormen Verlust. Der Unterschied zeigt jedoch, wie sich die Methoden zur Umrechnung von Gattungsverlusten in Artenverluste auf das Endergebnis auswirken.

Auch Datenbankeinträge erfassen unterschiedliche Dinge. Zum Zeitpunkt der Übersichtsarbeit enthielt die Paleobiology Database mehr als 1,5 Millionen Nachweise aus 225.000 Fossiliensammlungen und 82.000 Veröffentlichungen. Die Millionen Fossilien in OneStratigraphy und ihre Positionen innerhalb von Gesteinsschichten liefern eine andere Art von Informationen. Wie nützlich ein Datensatz ist, hängt neben seiner Größe auch von den Beobachtungen, der Abdeckung und der Genauigkeit ab.

Was die Debatte für die heutige Biodiversitätskrise bedeutet

Die Übersichtsarbeit in Cambridge Prisms stellt einen Zusammenhang zwischen der Diskussion über urzeitliche Aussterbeereignisse und den heutigen Verlusten her. Sie beschreibt die aktuelle Aussterberate als möglicherweise zweitschnellste der vergangenen halben Milliarde Jahre, übertroffen nur vom Asteroideneinschlag am Ende der Kreidezeit. Die absolute Zahl der bisherigen Aussterbeereignisse sei im Vergleich zu den größten Krisen der Erdgeschichte jedoch relativ gering.

Rate und Gesamtverlust beschreiben unterschiedliche Aspekte des Problems. Die Rate gibt an, wie schnell Arten verschwinden. Der Gesamtverlust zeigt, wie viel Vielfalt bereits verloren gegangen ist. Eine hohe Rate kann dringendes Handeln erfordern, solange ein großer Teil der Arten noch existiert.

Die Übersichtsarbeit schlägt den Ausdruck „beginnende Massenauslöschung im Anthropozän“ als Alternative zu „sechstes Massenaussterben“ vor. „Beginnend“ bedeutet, dass sich etwas zu entwickeln anfängt. Die Formulierung bringt die Schlussfolgerung zum Ausdruck, dass die Krise bereits im Gang ist, sich aber durch Maßnahmen noch verhindern lässt, dass sie das Ausmaß der größten urzeitlichen Verluste erreicht.

OneStrata führt die Diskussion auf eine konkrete wissenschaftliche Aufgabe zurück: zu rekonstruieren, wann Organismen lebten und verschwanden, und zwar genau genug, um das Tempo der Veränderungen zu verstehen. Die veröffentlichten Ergebnisse stellen das einfache Bild von fünf plötzlichen Katastrophen infrage. Die breitere Fossilliteratur zeichnet bereits ein vielfältigeres Bild der Erdgeschichte, in der sich die Ereignisse in Geschwindigkeit, Ausmaß und betroffenen Lebensräumen unterschieden.

Wichtige Punkte

• OneStrata wurde mit fast vier Millionen Fossilien trainiert und legt nahe, dass drei der Big Five allmähliche Rückgänge der Biodiversität waren.
• Das Modell nutzt OneStratigraphy, eine Datenbank mit Angaben zur Position von Fossilien in Gesteinsabfolgen von Zehntausenden Fundorten weltweit.
• Eine Rekonstruktion aus dem Jahr 2020 erfasste rund 11.000 Meeresarten über etwa 300 Millionen Jahre hinweg und erreichte eine zeitliche Auflösung von rund 26.000 Jahren.
• Die Übersichtsarbeit in Cambridge Prisms kommt zu dem Schluss, dass die Big Five weiterhin die größten Ereignisse seit dem frühen Ordovizium sind und innerhalb eines kontinuierlichen Spektrums von Aussterbeintensitäten liegen.
• Erhaltungslücken, die verwendete Zeitskala und die gezählten biologischen Gruppen beeinflussen allesamt die Schätzungen zur Geschwindigkeit und zum Ausmaß des Aussterbens.
• Die Übersichtsarbeit beschreibt die heutige Aussterberate als außergewöhnlich hoch. Zugleich kommt sie zu dem Schluss, dass sich Verluste im Ausmaß der größten urzeitlichen Krisen noch verhindern lassen.