Modelo de IA treinado com quase quatro milhões de fósseis questiona a história das cinco grandes extinções

Um retrato mais preciso das perdas antigas

Um modelo de inteligência artificial treinado com quase quatro milhões de fósseis sugere que três das cinco extinções em massa mais conhecidas da Terra ocorreram como declínios graduais da biodiversidade, e não como colapsos repentinos. A reconstrução, chamada OneStrata, reúne uma vasta coleção de observações fósseis para contribuir com o debate sobre a velocidade com que a vida desapareceu durante as maiores crises biológicas do planeta.

Shuzhong Shen, paleontólogo da Universidade de Nanjing, na China, apresentou a pesquisa em 12 de outubro, durante um encontro da Geological Society of America em Denver, no Colorado. Seus colegas do Zhejiang Lab, instituição voltada à inteligência artificial em Hangzhou, desenvolveram o modelo com base em um banco de dados compilado ao longo de cerca de duas décadas.

A questão central é o tempo. Uma grande perda de espécies distribuída por centenas de milhares de anos conta uma história diferente de uma perda comparável concentrada em um curto período. Os cientistas precisam distinguir esses padrões para entender como perturbações ambientais levaram a extinções generalizadas.

Os resultados também entram em um debate anterior à inteligência artificial. Uma revisão acadêmica publicada na Cambridge Prisms: Extinction conclui que as Big Five continuam sendo os cinco maiores eventos de extinção desde o início do Ordoviciano, mas se situam em um contínuo de intensidades de extinção, em vez de formarem uma categoria estatisticamente distinta.

Como as rochas se transformam em uma linha do tempo

O OneStrata se baseia no OneStratigraphy, uma coleção que reúne as profundidades registradas de milhões de espécimes fósseis em sequências de rochas de dezenas de milhares de locais no mundo todo. Cada observação ajuda a situar um organismo na história preservada em determinado lugar.

As rochas sedimentares se acumulam em camadas chamadas estratos. A posição de um fóssil nessas camadas ajuda os pesquisadores a determinar quando um organismo viveu em relação a outros. Ao combinar muitas sequências, é possível estimar quando as espécies surgiram, por quanto tempo persistiram e quando desapareceram.

Os pesquisadores enfrentam um enorme desafio de correspondência ao reunir esses registros locais. Uma espécie encontrada em vários locais pode ajudar a conectar suas sequências, mas o trabalho completo envolve dezenas de milhares de espécies e muitos trechos incompletos de rocha. Encontrar uma ordem coerente entre todas essas observações exige grande capacidade computacional.

As reconstruções tradicionais simplificam a tarefa agrupando fósseis em intervalos que duram milhões de anos. Esses intervalos amplos facilitam as comparações globais, mas comprimem mudanças mais curtas em períodos muito maiores. Assim, pode ser difícil distinguir um episódio breve de extinção de um declínio prolongado.

O que o modelo de IA faz de diferente

Os pesquisadores do Zhejiang Lab treinaram o modelo para reconhecer padrões estatísticos nos registros fósseis. A abordagem tem uma semelhança geral com a maneira como um grande modelo de linguagem aprende padrões em textos, embora sua tarefa envolva observações geológicas, e não frases.

Um modelo de linguagem usa relações aprendidas para prever a próxima palavra mais provável. O OneStrata usa padrões dos dados de treinamento para prever quando determinado fóssil provavelmente foi depositado. Essas estimativas ajudam a reconstruir a biodiversidade ao longo do tempo geológico.

Shen descreveu a abordagem como um grande avanço no estudo das camadas rochosas e das mudanças na diversidade:

uma verdadeira revolução para estudar a estratigrafia e as mudanças na diversidade do passado

Os desenvolvedores do modelo afirmam que sua reconstrução sugere que três das Big Five foram declínios graduais da biodiversidade. A descrição da pesquisa não identifica quais foram esses três eventos nem informa suas durações estimadas. Esses detalhes são essenciais para comparar os resultados com evidências de sítios fósseis específicos.

A principal promessa prática do OneStrata está na escala. Antes, os pesquisadores chegavam a um ponto em que acrescentar mais espécies e encurtar os intervalos entre as estimativas exigia uma quantidade inviável de computação. Aprender padrões a partir de um grande banco de dados oferece outra maneira de enfrentar essa limitação.

O avanço anterior que levou ao OneStrata

Shen e seus colegas já haviam demonstrado o valor de combinar grandes conjuntos de dados fósseis em 2020. A reconstrução deles usou um supercomputador e um algoritmo para estimar o surgimento e a extinção de cerca de 11 mil espécies marinhas ao longo de aproximadamente 300 milhões de anos, com resolução temporal de cerca de 26 mil anos.

A revisão da Cambridge descreve a análise chinesa com mais precisão: 3.112 seções rochosas medidas, 11.268 espécies e resolução de 0,026 milhão de anos, com variação informada de 0,0149 milhão de anos. O método, conhecido como CONOP, busca uma ordem de surgimento e desaparecimento dos fósseis que melhor se ajuste às observações de diferentes seções.

O desenvolvimento dessas reconstruções passou por vários marcos:

• 1982: David Raup e Jack Sepkoski identificaram as Big Five por meio de uma análise estatística de dados de fósseis marinhos.
• 2020: Shen e colegas reconstruíram cerca de 300 milhões de anos de diversidade marinha usando milhares de sequências rochosas e um supercomputador.
• 12 de outubro: Shen apresentou a nova pesquisa OneStrata no encontro da Geological Society of America, em Denver.

O ganho de resolução é substancial. A análise original de 1982 usou estágios geológicos com duração média de 7,4 milhões de anos. Dividir 7,4 milhões por 26 mil resulta em cerca de 285, o que ilustra quanto menores eram os intervalos na reconstrução de 2020. Aplicar uma resolução tão detalhada a conjuntos de dados maiores é o desafio que o OneStrata pretende enfrentar.

Por que cinco se tornou o número mais conhecido

As Big Five são as extinções do fim do Ordoviciano, do Devoniano Superior, do fim do Permiano, do fim do Triássico e do fim do Cretáceo. O agrupamento consagrado reflete a magnitude desses eventos no registro fóssil de animais marinhos e os métodos estatísticos usados para estudá-los.

A revisão sobre extinções em massa da Cambridge Prisms: Extinction explica que pesquisas posteriores revisaram a interpretação original. Os cinco eventos continuam sendo os maiores desde o início do Ordoviciano, inclusive em análises que corrigem lacunas nos registros fósseis e rochosos. No entanto, a intensidade das extinções forma um contínuo, das perdas menores às maiores crises.

A revisão também identifica períodos no Cambriano e no início do Ordoviciano com taxas de extinção superiores às das Big Five. Destacar exatamente cinco eventos, portanto, envolve escolher que parte da história geológica comparar e como medir as perdas.

Segundo a revisão, alguns eventos ocorreram de forma relativamente repentina, enquanto outros se estenderam por centenas de milhares de anos ou mais. O OneStrata acrescenta uma nova reconstrução a uma discussão científica já em curso sobre as diferentes formas como essas crises se desenrolaram.

Por que a duração de uma extinção importa

A extinção do fim do Triássico mostra como a escala de tempo escolhida pode alterar a velocidade aparente de uma crise. A revisão da Cambridge observa que o estágio final do Triássico pode ter durado até sete milhões de anos. Pesquisas citadas na revisão situam uma crise de oxigenação dos oceanos associada ao evento em cerca de 50 mil anos, menos de 1% desse período.

Essa crise estava ligada à Província Magmática do Atlântico Central, um vasto episódio de atividade vulcânica. Águas descritas como anóxicas contêm pouco ou nenhum oxigênio, criando condições perigosas para os animais que dependem do oxigênio dissolvido na água do mar.

Distribuir as perdas por todo um estágio geológico produz uma taxa de extinção calculada muito menor do que concentrá-las na crise mais curta. A revisão estima que a taxa real pode ter sido cerca de 100 vezes maior do que a calculada a partir dos intervalos globais mais amplos.

Fósseis ausentes criam outra dificuldade. O fóssil mais recente encontrado de uma espécie pode ser anterior à sua extinção real, porque restos posteriores nunca foram preservados, expostos ou coletados. Em muitas espécies, essas lacunas podem fazer com que os desaparecimentos pareçam ter ocorrido antes, dando a impressão de que um evento concentrado foi mais gradual. Os paleontólogos chamam isso de efeito Signor–Lipps.

Matthew Clapham, paleontólogo da Universidade da Califórnia em Santa Cruz, avaliou com cautela o potencial do OneStrata e apontou as reconstruções detalhadas já disponíveis para locais específicos:

Poderíamos fazer algumas coisas a mais com ele, mas não sei se seria algo revolucionário,

Seções rochosas locais e modelos globais respondem a perguntas relacionadas em escalas diferentes. Sítios individuais podem preservar detalhes minuciosos de uma crise, enquanto uma reconstrução global busca um padrão consistente em muitos lugares. Comparar os dois é essencial para entender se um declínio gradual reflete a história biológica, lacunas de preservação ou a forma como os registros são combinados.

Contar as perdas também muda o quadro

A extinção do fim do Permiano mostra por que a unidade contabilizada importa tanto quanto a escala de tempo. A revisão da Cambridge apresenta estimativas de perdas que variam de 56% a 69% no nível dos gêneros, dependendo da análise. Um gênero é um grupo de espécies relacionadas, portanto a perda de um gênero e a perda de uma espécie representam quantidades diferentes de diversidade biológica.

Os paleontólogos frequentemente contabilizam gêneros porque os fósseis preservam apenas parte da anatomia de um organismo, o que dificulta identificar espécies de forma consistente. Um gênero pode sobreviver mesmo que várias de suas espécies desapareçam, desde que reste ao menos uma.

A revisão cita um cálculo segundo o qual 81% das espécies desapareceram no evento do fim do Permiano, em comparação com a estimativa máxima de 96%, frequentemente repetida, de uma análise mais antiga. Ambos os números descrevem uma perda enorme, mas a diferença mostra como os métodos usados para converter perdas de gêneros em perdas de espécies afetam o resultado final.

Os registros dos bancos de dados também medem coisas diferentes. Na época da revisão, o Paleobiology Database continha mais de 1,5 milhão de ocorrências provenientes de 225 mil coleções de fósseis e 82 mil publicações. Os milhões de espécimes do OneStratigraphy e suas posições nas camadas rochosas oferecem outro tipo de informação. A utilidade de um conjunto de dados depende das observações, da cobertura e da precisão, além de seu tamanho.

O que o debate significa para a crise atual da biodiversidade

A revisão da Cambridge relaciona o debate sobre extinções antigas às perdas atuais. Ela descreve a taxa de extinção atual como potencialmente a segunda mais rápida nos últimos 500 milhões de anos, atrás apenas do impacto do asteroide no fim do Cretáceo, embora considere relativamente pequeno, até agora, o número absoluto de extinções em comparação com as maiores crises antigas.

Taxa e perda total descrevem aspectos diferentes do problema. A taxa mede a rapidez com que as espécies estão desaparecendo. A perda total mede quanta diversidade já se perdeu. Uma taxa acelerada pode exigir ação urgente enquanto uma grande parcela das espécies ainda sobrevive.

A revisão propõe a expressão "extinção em massa incipiente do Antropoceno" como alternativa a "sexta extinção em massa". Incipiente significa que está começando a se desenvolver. A expressão transmite a conclusão de que a crise está em andamento e que ainda é possível agir para impedir que alcance a escala das maiores perdas antigas.

O OneStrata traz a discussão de volta a uma tarefa científica concreta: reconstruir quando os organismos viveram e desapareceram com precisão suficiente para entender o ritmo das mudanças. Os resultados divulgados contestam uma visão simplificada de cinco catástrofes repentinas. A literatura mais ampla sobre fósseis já descreve uma história mais variada, com eventos diferentes em velocidade, escala e ambientes afetados.

Principais pontos

• O OneStrata foi treinado com quase quatro milhões de fósseis e sugere que três das Big Five foram declínios graduais da biodiversidade.
• O modelo usa o OneStratigraphy, que registra a posição de fósseis em sequências rochosas de dezenas de milhares de locais no mundo todo.
• Uma reconstrução de 2020 acompanhou cerca de 11 mil espécies marinhas ao longo de aproximadamente 300 milhões de anos, com resolução de cerca de 26 mil anos.
• A revisão da Cambridge conclui que as Big Five continuam sendo os maiores eventos desde o início do Ordoviciano, dentro de um contínuo de intensidades de extinção.
• Lacunas de preservação, a escala de tempo utilizada e os grupos biológicos contabilizados afetam as estimativas da velocidade e da gravidade das extinções.
• A revisão descreve a taxa de extinção atual como excepcionalmente alta, mas conclui que ainda é possível agir para evitar perdas da escala das maiores crises antigas.