約400万点の化石で学習したAIモデル、「ビッグファイブ」の大量絶滅像に一石

古代の絶滅をより鮮明に描く

約400万点の化石で学習した人工知能モデルは、地球で最もよく知られる5回の大量絶滅のうち3回が、突然の崩壊ではなく、生物多様性が徐々に減少する形で進んだことを示唆している。OneStrataと呼ばれるこの復元手法は、地球史上最大の生物学的危機で生命がどれほど急速に失われたのかをめぐる議論に、膨大な化石観察データをもたらす。

中国の南京大学の古生物学者、沈樹忠氏は10月12日、コロラド州デンバーで開かれた米国地質学会の会合で研究を発表した。人工知能に重点を置く杭州の研究機関、浙江ラボの同僚らが、約20年にわたる作業で構築されたデータベースを使ってモデルを開発した。

中心となる論点は、絶滅の時期である。数十万年にわたって広がる大規模な種の喪失と、同程度の喪失が短期間に集中する場合とでは、そこから読み取れる歴史は異なる。環境の変化がどのように広範な絶滅につながったのかを理解するには、こうしたパターンを見分ける必要がある。

この研究結果は、人工知能の登場以前から続く議論にも加わる。学術誌『Cambridge Prisms: Extinction』に掲載されたレビューは、ビッグファイブは前期オルドビス紀以降で最大の5回の絶滅事象である一方、統計的に明確に区別されるカテゴリーではなく、絶滅の強さが連続する範囲の中に位置すると結論づけている。

岩石から年表を作る

OneStrataは、世界各地の数万カ所の岩石層から採集された、数百万点の化石標本の深度記録を収録するOneStratigraphyを基盤としている。それぞれの記録は、特定の場所に残された歴史の中で生物がいつ存在したかを特定する手がかりとなる。

堆積岩は「地層」と呼ばれる層を成して積み重なる。化石が地層のどこにあるかを調べることで、研究者は他の生物との相対的な生息時期を推定できる。多数の地層記録を組み合わせれば、種がいつ出現し、どのくらい存続し、いつ姿を消したかを推定できる。

こうした地域ごとの記録を統合する際、研究者は膨大な照合作業に直面する。複数の地点で見つかる種は、それぞれの地層記録をつなぐ手がかりになるが、作業全体では数万種と、多くの不完全な岩石記録を扱う。すべての観察結果から一貫した順序を見いだすには、大きな計算能力が必要となる。

従来の復元では、化石を数百万年単位の期間にまとめることで作業を簡略化してきた。こうした大まかな期間設定によって地球規模の比較が可能になる一方、短期間の変化は、より長い時間幅の中に埋もれてしまう。短い絶滅の急増と長期にわたる減少を区別しにくくなるのだ。

AIモデルの新たな手法

浙江ラボの研究者らは、化石記録に見られる統計的パターンを認識するようモデルを学習させた。この手法は、大規模言語モデルが文章のパターンを学ぶ仕組みと広い意味で共通するが、対象は文ではなく地質学的な観察データだ。

言語モデルは、学習した関係性を使って次に来る可能性の高い単語を予測する。OneStrataは、学習データに見られるパターンから、特定の化石がいつ堆積した可能性が最も高いかを予測する。その推定をもとに、地質時代を通じた生物多様性を復元する。

沈氏は、この手法が地層と多様性の変化を研究するうえで大きな進歩だと説明した。

層序学と過去の多様性の変化を研究するうえで、まさに革命的だ

開発者らによると、モデルの復元結果は、ビッグファイブのうち3回が生物多様性の緩やかな減少だったことを示唆している。研究の説明では、どの3回に当たるのか、また推定期間がどれほどかは明らかにされていない。個々の化石産地の証拠と結果を比較するうえで、こうした情報は欠かせない。

OneStrataの実用面での強みは、その規模にある。従来の研究では、種を増やし、推定間隔を短くしようとすると、計算量が実用的でないほど大きくなる限界に達していた。大規模データベースからパターンを学習することで、この制約に対処する別の方法が得られる。

OneStrataにつながる先行研究

沈氏らは2020年にも、膨大な化石データを組み合わせる有効性を示していた。スーパーコンピューターとアルゴリズムを用いたこの復元では、約3億年間にわたる約1万1000種の海洋生物について、出現と絶滅の時期を推定し、約2万6000年の時間分解能を実現した。

『Cambridge Prisms』のレビューは、中国の研究をより詳しく説明している。対象は測定済みの岩石断面3112件、1万1268種で、分解能は2600万年ではなく2600万年の1000分の1に当たる0.026百万年、報告された変動幅は0.0149百万年だった。CONOPとして知られるこの手法は、異なる断面の観察結果に最もよく合う化石の出現・消失順序を探る。

こうした復元手法の発展には、いくつもの節目がある。

• 1982年：デビッド・ラウプ氏とジャック・セプコスキ氏が、海洋化石データの統計分析を通じてビッグファイブを特定。
• 2020年：沈氏らが、数千の地層記録とスーパーコンピューターを用いて、約3億年間の海洋生物多様性を復元。
• 10月12日：沈氏がデンバーで開かれた米国地質学会の会合で、新たなOneStrata研究を発表。

時間分解能の向上は大きい。1982年の初期分析で使われた地質年代区分の平均は740万年だった。740万年を2万6000年で割ると約285となり、2020年の復元で期間がどれほど細かくなったかが分かる。より大規模なデータセット全体にこうした高い分解能を適用することが、OneStrataの取り組む課題だ。

なぜ「5回」が定着したのか

ビッグファイブとは、オルドビス紀末、デボン紀後期、ペルム紀末、三畳紀末、白亜紀末の絶滅を指す。この分類が広く定着したのは、海洋動物の化石記録で規模が大きかったことと、その研究に用いられた統計手法による。

『Cambridge Prisms: Extinction』の大量絶滅に関するレビューは、その後の研究によって当初の解釈が見直されてきたと説明している。化石記録や岩石記録の欠落を補正する分析でも、5回の事象は前期オルドビス紀以降で最大の絶滅として位置づけられる。しかし、絶滅の強さは、小規模な喪失から最大級の危機に至るまで連続している。

同レビューは、カンブリア紀や前期オルドビス紀に、ビッグファイブを上回る絶滅率を示した期間も挙げている。したがって、事象を5回とするには、地質史のどの時期を比較対象とするか、また喪失をどう測るかを選ぶ必要がある。

同レビューによると、比較的短期間に起きた事象もあれば、数十万年以上続いた事象もある。OneStrataは、危機ごとに進み方がどう異なったのかをめぐる、既存の科学的議論に新たな復元結果を加える。

絶滅にかかった時間が重要な理由

三畳紀末の絶滅は、時間尺度の選び方によって危機の見かけ上の速さが変わり得ることを示している。『Cambridge Prisms』のレビューによると、三畳紀の最終期は最長で700万年続いた可能性がある。レビューが引用する研究では、関連する海洋の酸素危機は約5万年続いたとされ、その期間の1%未満に当たる。

この危機は、広大な火山活動の時期である中央大西洋マグマ区に関連していた。無酸素状態とされる水域には酸素がほとんどないか、まったくなく、海水に溶けた酸素に依存する動物にとって危険な環境となる。

喪失を地質年代の全期間にわたって分散させると、短い危機に集中させた場合より、算出される絶滅率は大幅に低くなる。同レビューは、実際の率が、広域の時間区分から導かれる率の約100倍に達した可能性があると推定している。

化石の欠落も別の難題を生む。ある種について最後に見つかった化石は、後の化石が保存されなかったり、露出しなかったり、採集されなかったりしたために、実際の絶滅より前のものとなる場合がある。多数の種でこうした欠落があると、見かけ上の消失時期が過去へとずれ、集中した事象がより緩やかに見えることがある。古生物学者はこれをシニョール・リップス効果と呼ぶ。

カリフォルニア大学サンタクルーズ校の古生物学者、マシュー・クラファム氏は、特定の場所からすでに詳細な復元結果が得られていることを挙げ、OneStrataの可能性について慎重な見方を示した。

これを使っていくつか追加でできることはあるだろうが、世界を揺るがすほどの成果になるかは分からない

地域の岩石断面と地球規模のモデルは、異なる尺度で関連する問いに答える。個々の地点は危機の細部を残し得る一方、地球規模の復元では、多くの地点にまたがる一貫したパターンを探る。緩やかな減少が生物の歴史を反映しているのか、保存記録の欠落によるのか、あるいは記録の統合方法によるのかを理解するには、両者の比較が重要となる。

何を数えるかでも見え方は変わる

ペルム紀末の絶滅は、時間尺度だけでなく、何を数えるかが重要である理由を示している。『Cambridge Prisms』のレビューでは、属レベルでの喪失率は分析によって56%から69%と推定されている。属とは近縁種のグループであり、属が1つ失われる場合と種が1つ失われる場合とでは、生物多様性への影響が異なる。

化石には生物の解剖学的特徴の一部しか残らないため、種を一貫して特定するのは難しい。そこで古生物学者は属を数えることが多い。属に属する種がいくつか消えても、少なくとも1種が残れば、その属は存続する。

同レビューが引用する推計では、ペルム紀末の絶滅で種の81%が消滅したとされる。これは、以前の分析に基づき繰り返し引用されてきた上限推計の96%と比べて低い。いずれも甚大な喪失を示すが、属の喪失を種の喪失に換算する方法によって最終的な数値が変わることが分かる。

データベースの収録項目も、それぞれ異なるものを測っている。レビュー執筆時点で、古生物学データベースには、22万5000件の化石採集記録と8万2000件の出版物に由来する150万件超の産出記録が登録されていた。OneStratigraphyが収録する数百万点の標本と、岩石層内での位置は、また別種の情報をもたらす。データセットの有用性は規模だけでなく、観察内容、網羅性、精度にも左右される。

現代の生物多様性危機をめぐる議論

『Cambridge Prisms』のレビューは、古代の絶滅をめぐる議論を現在の生物喪失にも結びつけている。現在の絶滅率は、白亜紀末の小惑星衝突に次いで、過去5億年間で2番目に速い可能性がある一方、これまでに起きた絶滅の絶対数は、古代の最大級の危機に比べれば相対的に少ないと評価している。

絶滅率と喪失の総量は、問題の異なる側面を示す。絶滅率は種がどれほど速く消えているかを測り、喪失の総量は多様性がどれほど失われたかを測る。種の多くがまだ残っている段階でも、高い絶滅率は緊急の対応を求める。

同レビューは「第六の大量絶滅」に代わる表現として、「人新世大量絶滅の初期段階」を提案している。「初期段階」とは、始まりつつあることを意味する。この表現には、危機はすでに進行しているものの、行動によって古代の最大級の喪失に匹敵する規模に至るのを防げるという結論が込められている。

OneStrataは、生物がいつ生き、いつ姿を消したのかを十分な精度で復元し、変化の速さを理解するという、具体的な科学的課題に議論を立ち返らせる。報告された結果は、5回の大惨事がすべて突然起きたという単純な見方に疑問を投げかける。より広範な化石研究もすでに、事象ごとに速度、規模、影響を受けた環境が異なる、より多様な歴史を描いている。

要点

• OneStrataは約400万点の化石で学習し、ビッグファイブのうち3回は生物多様性が緩やかに減少する形で進んだと示唆している。
• モデルは、世界各地の数万カ所の地層における化石の位置を記録したOneStratigraphyを利用する。
• 2020年の復元では、約1万1000種の海洋生物を約3億年間にわたって追跡し、約2万6000年の時間分解能を実現した。
• 『Cambridge Prisms』のレビューは、ビッグファイブが前期オルドビス紀以降で最大の事象である一方、絶滅の強さは連続的な範囲を成すとしている。
• 化石保存の欠落、採用する時間尺度、数える生物群のいずれも、絶滅の速さや深刻さの推定に影響する。
• 同レビューは、現在の絶滅率が例外的に高いと指摘する一方、行動によって古代の最大級の危機に匹敵する喪失を防げると結論づけている。