Uso de ARS para clasificar impacto de extinciones

Aplicación del análisis de red a la historia natural: la técnica popularizada a través de las redes sociales clasifica el impacto de las extinciones

Phys.org
por el Instituto Politécnico Rensselaer



El análisis de la red de registros fósiles marinos en los últimos 541 millones de años reveló el impacto ecológico de las extinciones en masa y puede ayudarnos a anticipar las consecuencias de una 'sexta extinción en masa'. Crédito: Instituto Politécnico Rensselaer

Un equipo de investigadores está utilizando técnicas de análisis de redes, popularizadas a través de aplicaciones de redes sociales, para encontrar patrones en la historia natural de la Tierra, como se detalla en un documento publicado hoy en las Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Al utilizar el análisis de red para buscar comunidades de vida marina en los registros fósiles de la Base de datos de Paleobiología, el equipo, incluidos los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer, pudo cuantificar los impactos ecológicos de eventos importantes como las extinciones en masa y puede ayudarnos a anticipar las consecuencias de una "sexta extinción masiva".

"El análisis de red puede transformarse en una base de datos de forma digerible tan grande que es imposible ver porciones sustanciales de los datos por completo", dijo Peter Fox, presidente de Tetherless World Constellation y profesor de ciencias de la tierra y el medio ambiente, ciencias de la computación y ciencias cognitivas en Rensselaer.

"El poder de nuestro enfoque es que los datos multidimensionales integrados en la red pueden informar y descubrir tendencias en los datos, convirtiendo una cuadrícula interminable de números en una imagen que revela múltiples relaciones de un vistazo".

El enfoque del equipo ofrece una nueva perspectiva sobre los impactos ecológicos de las extinciones de especies actuales, dijo Drew Muscente, investigador postdoctoral en la Universidad de Harvard y autor principal del artículo. Dada la tasa de desapariciones de especies en los últimos siglos, muchos científicos sospechan que la Tierra está en medio de la sexta extinción masiva.

"El registro fósil contiene evidencia de extinciones masivas repetidas. Los datos sobre cómo las antiguas comunidades de organismos cambiaron durante estos eventos pueden ayudarnos a comprender las posibles consecuencias de la actual crisis de biodiversidad", dijo Muscente. "Nuestro trabajo muestra que esta crisis, independientemente de cómo la llames, puede alterar irreparablemente las comunidades de organismos y sus ecosistemas de maneras sorprendentes, que no se pueden predecir con otros métodos".

Una imagen que emerge del análisis es una clasificación del impacto ecológico de los principales eventos, con el Gran Evento de Biodiversificación Ordovícico que tiene el mayor efecto en la ecología, seguido en orden descendente por el Pérmico-Triásico, el Cretáceo-Paleógeno, el Devónico y el Triásico. Jurassic extinciones masivas. El análisis muestra que la extinción masiva de Ordovícico puede haber tenido menos impacto ecológico que lo estimado previamente, y de la misma manera, la importancia de la extinción del Devónico puede ser subestimada.

Los investigadores de Fox y Rensselaer, Anirudh Prabhu, Hao Zhong y Ahmed Eleish, se unieron al autor principal, Muscente y Andrew Knoll, de la Universidad de Harvard, y a Michael B. Meyer y Robert Hazen, de la Carnegie Institution for Science, sobre la investigación, que amplía una serie de trabajos anteriores. aplicando análisis de red a datos de mineralogía. Su trabajo está financiado con una subvención de tres años de W.M. Fundación Keck.

"El trabajo innovador informado en este artículo ilustra cómo el análisis de datos de próxima generación creado para un dominio puede transformar otros campos de estudio", dijo el profesor Curt M. Breneman, decano de la Rensselaer School of Science. "Esto proporciona una mirada hacia el impacto de la ciencia basada en datos en el siglo XXI".

El análisis de redes sociales se puede utilizar para identificar grupos de amigos, transmisión de enfermedades y grupos extremistas mediante la identificación de comunidades de personas, cuyos atributos comunes como ubicación, intereses o género revelan su asociación en ausencia de una declaración directa, en las redes sociales. Así como el análisis de redes revela comunidades de personas, los investigadores pueden usar el análisis de redes de bases de datos de ciencias de la Tierra y de la vida para descubrir asociaciones de organismos antiguos (por ejemplo, especies y géneros) que vivieron en el pasado y aprender algo sobre cómo esas "paleocomunidades" cambiaron con el tiempo , dijo Fox.

En trabajos anteriores, el equipo aplicó el análisis de red a una base de datos mineralógica. Cada mineral registrado se definió con hasta 17 atributos (aspectos como composición química, modo de formación, ubicación) y los resultados, según lo publicado en American Mineralogist, predijeron la existencia de 1,500 minerales aún no descubiertos, de los cuales al menos 14 han ha sido encontrado El trabajo reciente sobre el análisis de redes de datos mineralógicos también se ha publicado en American Mineralogist y el International Journal of Geo-Information.

En el documento de PNAS, titulado "Cuantificación del impacto ecológico de las extinciones masivas con análisis de redes de comunidades fósiles", el equipo abordó la Base de datos de Paleobiología, un "recurso público no gubernamental, sin fines de lucro de datos paleontológicos". La base de datos contiene datos sobre las ubicaciones, edades, entornos y afinidades de los fósiles, que representan más de 350,000 taxones antiguos preservados en más de 190,000 puntos de muestreo de recolección de fósiles en todo el mundo durante los últimos 600 millones de años de la historia de la Tierra. El equipo restringió su conjunto de datos a las ocurrencias de fósiles de animales marinos que vivieron en el Eón Fanerozoico, el intervalo de tiempo que comenzó con la explosión de la vida animal hace 541 millones de años y continúa hasta nuestros días.

En las redes de los autores, cada taxón fósil (por ejemplo, orden, familia o género) se convierte en un "nodo", que se puede visualizar en los gráficos de red como un punto. Los nodos están conectados entre sí si esos organismos vivieron juntos y fueron fosilizados en los mismos sitios en el pasado. Este enfoque da como resultado la organización de nodos en grupos, que representan comunidades antiguas de animales marinos y pueden identificarse utilizando métodos computacionales y estadísticos. Debido a que los taxones (y las comunidades) se originan y se extinguen con el tiempo, la edad geológica se manifiesta como un aspecto implícito de la estructura de la red. En los gráficos, los taxones y las comunidades que vivieron en diferentes momentos de la historia de la Tierra se distribuyen a través de las redes, y las distancias entre los nodos están directamente relacionadas con el intervalo de tiempo que separa sus edades. En general, el diagrama de red resultante muestra aspectos como la densidad de la red en diferentes períodos de tiempo, el grado de centralidad de los nodos y grupos de nodos, el número de conexiones entre nodos y más. Para representar aún más atributos, el equipo se está moviendo hacia la representación en tres dimensiones y realidad virtual. El resultado, dijo Fox, es "una fracción muy sustancial de la Base de datos de Paleobiología en un solo gráfico".

El enfoque se presta a nuevos descubrimientos, no solo sobre los fósiles en sí, sino "sobre la correspondencia entre los fósiles y el medio ambiente en el que vivían", dijo Fox. En el resultado del PNAS, los investigadores usan el registro fósil para cuantificar los impactos de las extinciones, pero al combinar datos del registro fósil con información del registro mineral, los investigadores esperan que el análisis de la red pueda conducir a otras ideas sobre la evolución del sistema de la Tierra , por ejemplo, cómo cambiaron la vida y los ambientes en respuesta a la oxigenación atmosférica o el cambio de condiciones ricas en nitrógeno a pobres en nitrógeno.

"Cuando combinemos este trabajo, tendremos una red de múltiples capas donde podremos ver la correspondencia entre la red fósil y la red mineral", dijo Fox. "Y eso nunca se había hecho antes".

La investigación sobre análisis de redes de bases de datos de ciencias de la Tierra y de la vida cumple con The New Polytechnic, un paradigma emergente para la educación superior que reconoce que los desafíos y oportunidades globales son tan grandes que ni siquiera la persona más talentosa que trabaja sola. Rensselaer sirve como una encrucijada para la colaboración, trabajando con socios en disciplinas, sectores y regiones geográficas, para abordar desafíos globales complejos, utilizando las herramientas y tecnologías más avanzadas, muchas de las cuales se desarrollan en Rensselaer. La investigación en Rensselaer aborda algunos de los desafíos tecnológicos más apremiantes del mundo, desde la seguridad energética y el desarrollo sostenible hasta la biotecnología y la salud humana. El Nuevo Politécnico es transformador en el impacto global de la investigación, en su pedagogía innovadora y en la vida de los estudiantes de Rensselaer.