Modelo de IA treinado com quase quatro milhões de fósseis questiona a narrativa das Cinco Grandes extinções

Um retrato mais nítido das antigas perdas

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

Shuzhong Shen, paleontólogo da Universidade de Nanjing, na China, apresentou a investigação numa reunião da Geological Society of America, em Denver, no Colorado, a 12 de outubro. Os seus colegas do Zhejiang Lab, uma instituição dedicada à inteligência artificial em Hangzhou, desenvolveram o modelo com uma base de dados compilada ao longo de cerca de duas décadas de trabalho.

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 semelhante concentrada num curto período. Os cientistas precisam de distinguir estes padrões para compreender como as perturbações ambientais conduziram a extinções generalizadas.

As conclusões também se inserem num debate anterior à inteligência artificial. Uma revisão académica publicada na Cambridge Prisms: Extinction conclui que as Cinco Grandes continuam a ser os cinco maiores eventos de extinção desde o início do Ordovícico, mas fazem parte de um contínuo de intensidades de extinção, em vez de constituírem uma categoria estatisticamente distinta.

Como as rochas se tornam uma cronologia

A OneStrata utiliza a OneStratigraphy, uma coleção que reúne as profundidades registadas de milhões de espécimes fósseis em sequências rochosas de dezenas de milhares de locais em todo o mundo. Cada observação ajuda a situar um organismo na história preservada num determinado local.

As rochas sedimentares acumulam-se em camadas chamadas estratos. A posição de um fóssil nessas camadas ajuda os investigadores a determinar quando viveu um organismo em relação a outros. A combinação de muitas sequências permite estimar quando surgiram as espécies, quanto tempo persistiram e quando desapareceram.

Ao reunir estes registos locais, os investigadores deparam-se com um enorme problema de correspondência. Uma espécie encontrada em vários locais pode ajudar a ligar as respetivas sequências, mas a tarefa completa envolve dezenas de milhares de espécies e muitos trechos incompletos de rocha. Encontrar uma ordem coerente entre todas estas observações exige uma capacidade de computação considerável.

As reconstruções tradicionais simplificam a tarefa agrupando os fósseis em intervalos de milhões de anos. Estes intervalos amplos facilitam as comparações globais, mas comprimem as alterações mais curtas num período muito maior. Assim, pode ser difícil distinguir um pulso breve de extinção de um declínio prolongado.

O que o modelo de IA faz de diferente

Os investigadores do Zhejiang Lab treinaram o modelo para reconhecer padrões estatísticos nos registos fósseis. A abordagem tem algumas semelhanças gerais com a forma como um modelo de linguagem de grande escala aprende padrões no texto, embora a sua tarefa diga respeito a observações geológicas, e não a frases.

Um modelo de linguagem usa relações aprendidas para prever a palavra seguinte mais provável. A OneStrata usa padrões dos dados de treino para prever quando é mais provável que um determinado fóssil tenha sido depositado. Estas estimativas permitem 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 no estudo da estratigrafia e das mudanças na diversidade do passado

Os criadores do modelo afirmam que a sua reconstrução sugere que três das Cinco Grandes foram declínios graduais da biodiversidade. A descrição da investigação não identifica quais foram os três eventos nem indica as durações estimadas. Esses pormenores são essenciais para comparar os resultados com provas de locais fósseis específicos.

A principal promessa prática da OneStrata é a escala. Anteriormente, os investigadores chegavam a um ponto em que acrescentar mais espécies e encurtar os intervalos entre estimativas exigia uma quantidade de computação impraticável. Aprender padrões a partir de uma grande base de dados oferece outra forma de contornar essa limitação.

O avanço anterior que esteve na origem da OneStrata

Shen e os seus colegas já tinham demonstrado, em 2020, o valor da combinação de grandes conjuntos de dados fósseis. A sua reconstrução recorreu a um supercomputador e a um algoritmo para estimar o aparecimento e a extinção de cerca de 11 000 espécies marinhas ao longo de aproximadamente 300 milhões de anos, com uma resolução temporal de cerca de 26 000 anos.

A revisão da Cambridge descreve a análise chinesa com maior precisão: 3 112 secções rochosas medidas, 11 268 espécies e uma resolução de 0,026 milhões de anos, com uma variação indicada de 0,0149 milhões de anos. O método, conhecido como CONOP, procura a ordem de aparecimento e desaparecimento dos fósseis que melhor se ajusta às observações em diferentes secções.

O desenvolvimento destas reconstruções abrange vários marcos:

• 1982: David Raup e Jack Sepkoski identificaram as Cinco Grandes através de uma análise estatística de dados de fósseis marinhos.
• 2020: Shen e os colegas reconstruíram cerca de 300 milhões de anos de diversidade marinha com recurso a milhares de sequências rochosas e a um supercomputador.
• 12 de outubro: Shen apresentou a investigação mais recente sobre a OneStrata na reunião da Geological Society of America, em Denver.

A melhoria da resolução é substancial. A análise original de 1982 utilizou andares geológicos com uma duração média de 7,4 milhões de anos. Dividir 7,4 milhões por 26 000 dá cerca de 285, o que ilustra a redução da duração dos intervalos na reconstrução de 2020. Aplicar uma resolução tão fina a conjuntos de dados maiores é o desafio que a OneStrata procura resolver.

Porque é que o número cinco se tornou tão conhecido

As Cinco Grandes são as extinções do final do Ordovícico, do Devónico Superior, do final do Pérmico, do final do Triásico e do final do Cretácico. A sua classificação conjunta reflete a dimensão que tiveram no registo fóssil dos animais marinhos e os métodos estatísticos usados para as estudar.

A revisão sobre extinções em massa da Cambridge Prisms: Extinction explica que a investigação posterior reviu a interpretação original. Os cinco eventos continuam a ser os maiores desde o início do Ordovícico, incluindo nas análises que têm em conta as lacunas nos registos fósseis e rochosos. No entanto, a intensidade das extinções distribui-se num contínuo, desde perdas menores até às maiores crises.

A revisão também identifica intervalos no Câmbrico e no início do Ordovícico com taxas de extinção superiores às das Cinco Grandes. Destacar exatamente cinco eventos implica, por isso, uma escolha sobre que período da história geológica comparar e como medir as perdas.

Segundo a revisão, alguns eventos ocorreram de forma relativamente súbita, enquanto outros se prolongaram por centenas de milhares de anos ou mais. A OneStrata acrescenta uma nova reconstrução a um debate científico já em curso sobre as diferenças na evolução destas crises.

Porque importa a duração de uma extinção

A extinção do final do Triásico mostra como a escala temporal escolhida pode alterar a rapidez aparente de uma crise. A revisão da Cambridge refere que a fase final do Triásico poderá ter durado até sete milhões de anos. A investigação citada na revisão situa uma crise de oxigénio oceânico associada a esse período em cerca de 50 000 anos, menos de 1% dessa duração.

Essa crise esteve ligada à Província Magmática do Atlântico Central, um vasto episódio de atividade vulcânica. As águas designadas anóxicas têm pouco ou nenhum oxigénio, criando condições perigosas para os animais que dependem do oxigénio dissolvido na água do mar.

Distribuir as perdas por toda uma etapa geológica produz uma taxa de extinção calculada muito inferior à que se obtém ao concentrá-las na crise mais curta. A revisão estima que a taxa real poderá ter sido cerca de 100 vezes superior à calculada a partir dos intervalos globais mais amplos.

A falta de fósseis cria outra dificuldade. O último fóssil encontrado de uma espécie pode ser anterior à sua extinção efetiva, porque os vestígios posteriores nunca foram preservados, expostos ou recolhidos. Em muitas espécies, estas lacunas podem fazer recuar no tempo os desaparecimentos aparentes, levando a que um evento concentrado pareça mais gradual. Os paleontólogos chamam a este fenómeno efeito de Signor–Lipps.

Matthew Clapham, paleontólogo da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, fez uma avaliação ponderada do potencial da OneStrata e apontou para as reconstruções pormenorizadas já disponíveis para locais específicos:

Poderíamos fazer algumas coisas adicionais com ela, mas não sei se seria revolucionária

As secções rochosas locais e os modelos globais respondem a questões relacionadas, mas a escalas diferentes. Os locais individuais podem preservar pormenores finos de uma crise, enquanto uma reconstrução global procura um padrão coerente em muitos lugares. Comparar as duas abordagens é essencial para perceber se um declínio gradual reflete a história biológica, lacunas na preservação ou a forma como os registos são combinados.

A contagem das perdas também altera o retrato

A extinção do final do Pérmico mostra por que razão a unidade contabilizada é tão importante como a escala temporal. A revisão da Cambridge apresenta estimativas de perdas entre 56% e 69% ao nível dos géneros, dependendo da análise. Um género é um grupo de espécies relacionadas, pelo que a perda de um género e a perda de uma espécie representam quantidades diferentes de diversidade biológica.

Os paleontólogos contam frequentemente géneros porque os fósseis preservam apenas parte da anatomia de um organismo, o que dificulta a identificação consistente das espécies. Um género pode sobreviver mesmo que várias das suas espécies desapareçam, desde que reste pelo menos uma.

A revisão cita um cálculo segundo o qual 81% das espécies desapareceram no evento do final do Pérmico, em comparação com a estimativa máxima de 96%, frequentemente repetida, de uma análise mais antiga. Ambas descrevem uma perda enorme, mas a diferença mostra como os métodos usados para converter perdas de géneros em perdas de espécies influenciam o valor final.

As entradas das bases de dados também medem coisas diferentes. À data da revisão, a Paleobiology Database continha mais de 1,5 milhões de ocorrências provenientes de 225 000 coleções fósseis e 82 000 publicações. Os milhões de espécimes da OneStratigraphy e as respetivas posições nas camadas rochosas fornecem outro tipo de informação. A utilidade de um conjunto de dados depende das suas observações, abrangência e precisão, bem como da sua dimensão.

O que significa este debate para a atual crise da biodiversidade

A revisão da Cambridge relaciona o debate sobre as extinções antigas com as perdas atuais. Descreve a taxa de extinção atual como potencialmente a segunda mais rápida dos últimos 500 milhões de anos, depois do impacto do asteroide no final do Cretácico, embora considere que o número absoluto de extinções registadas até agora é relativamente pequeno face às maiores crises antigas.

A taxa e a perda total descrevem aspetos diferentes do problema. A taxa mede a rapidez com que as espécies estão a desaparecer. A perda total mede quanta diversidade já se perdeu. Uma taxa elevada pode exigir medidas urgentes enquanto uma grande parte das espécies ainda sobrevive.

A revisão propõe a expressão «extinção em massa incipiente do Antropocénico» como alternativa a «sexta extinção em massa». Incipiente significa que está a começar a desenvolver-se. A formulação transmite a conclusão de que a crise já está em curso e de que ainda é possível evitar que atinja a dimensão das maiores perdas antigas.

A OneStrata traz o debate de volta a uma tarefa científica concreta: reconstruir quando os organismos viveram e desapareceram com precisão suficiente para compreender o ritmo das mudanças. Os resultados divulgados põem em causa uma representação simples de cinco catástrofes súbitas. A literatura fóssil mais ampla já descreve uma história mais diversificada, com eventos que diferem na rapidez, na escala e nos ambientes afetados.

Principais conclusões

• A OneStrata foi treinada com quase quatro milhões de fósseis e sugere que três das Cinco Grandes extinções foram declínios graduais da biodiversidade.
• O modelo utiliza a OneStratigraphy, que regista a posição dos fósseis em sequências rochosas de dezenas de milhares de locais em todo o mundo.
• Uma reconstrução de 2020 acompanhou cerca de 11 000 espécies marinhas ao longo de aproximadamente 300 milhões de anos, com uma resolução de cerca de 26 000 anos.
• A revisão da Cambridge conclui que as Cinco Grandes continuam a ser os maiores eventos desde o início do Ordovícico, inserindo-se num contínuo de intensidades de extinção.
• As lacunas na preservação, a escala temporal utilizada e os grupos biológicos contabilizados influenciam as estimativas da rapidez e da gravidade das extinções.
• A revisão descreve a taxa de extinção atual como excecionalmente elevada, mas conclui que ainda é possível evitar perdas da dimensão das maiores crises antigas.