Máy tính có tư duy tự do đã thiết kế ngược dữ liệu hóa thạch để xác định nguyên nhân gây ra thảm họa.

Để giải quyết cuộc tranh luận lâu dài về việc liệu một vụ va chạm lớn với tiểu hành tinh hay hoạt động của núi lửa đã gây ra sự tuyệt chủng của khủng long và nhiều sinh vật khác. Phân loại 66 triệu năm trước, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Dartmouth đã thực hiện một cách tiếp cận sáng tạo, loại các nhà khoa học ra khỏi cuộc tranh luận và để máy tính quyết định.

Các nhà nghiên cứu báo cáo trên tạp chí Khoa học Một phương pháp lập mô hình mới được hỗ trợ bởi các bộ xử lý được kết nối với nhau, có thể hoạt động thông qua các bộ dữ liệu địa chất và khí hậu mà không cần sự can thiệp của con người. Họ đã ủy quyền cho khoảng 130 bộ xử lý phân tích ngược hồ sơ hóa thạch để xác định các sự kiện và điều kiện dẫn đến điều này. kỷ Bạch phấn– Sự kiện tuyệt chủng Paleogen (K–Pg) đã mở đường cho sự phát triển của các loài động vật có vú, bao gồm cả loài linh trưởng đã hình thành nên loài người đầu tiên.

Một góc nhìn mới về các sự kiện lịch sử

Alex Cox, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là sinh viên tốt nghiệp tại Khoa Khoa học Địa chất của Dartmouth cho biết: “Một phần động lực của chúng tôi là đánh giá câu hỏi này mà không có giả thuyết hoặc sai lệch được xác định trước”. “Hầu hết các mô hình đều đi theo hướng thuận. Chúng tôi đã điều chỉnh mô hình chu trình carbon để hoạt động theo hướng khác, sử dụng biện pháp cưỡng bức để tìm ra nguyên nhân thông qua số liệu thống kê và chỉ cung cấp cho mô hình thông tin trước tối thiểu khi nó hoạt động hướng tới một kết quả cụ thể.”

Ông nói: “Cuối cùng, điều chúng ta nghĩ hay điều chúng ta đã nghĩ trước đây không quan trọng – mô hình cho chúng ta thấy làm thế nào chúng ta đạt được những gì chúng ta thấy trong hồ sơ địa chất”.

Mô hình này đã phân tích hơn 300.000 kịch bản có thể xảy ra về lượng khí thải carbon dioxide, sản xuất sulfur dioxide và năng suất sinh học trong một triệu năm trước và sau sự tuyệt chủng của K-Pg. Thông qua loại Học máy Được biết đến như chuỗi Markov Monte Carlo — không khác gì cách điện thoại thông minh dự đoán nội dung bạn sẽ nhập tiếp theo — các bộ xử lý làm việc độc lập với nhau để so sánh, sửa đổi và tính toán lại kết luận của chúng cho đến khi chúng đưa ra một kịch bản khớp với kết quả được lưu trong hồ sơ hóa thạch.

Đi tìm nguyên nhân tuyệt chủng

Những tàn tích địa hóa và hữu cơ trong hồ sơ hóa thạch cho thấy rõ ràng những điều kiện thảm khốc xảy ra trong đợt tuyệt chủng K-Pg, được đặt tên theo các thời kỳ địa chất ở hai bên của thảm họa kéo dài hàng nghìn năm. Động vật và thực vật trên khắp thế giới đã phải chịu cái chết hàng loạt khi mạng lưới thức ăn sụp đổ do bầu không khí không ổn định – chứa đầy lưu huỳnh gây ô nhiễm ánh nắng mặt trời, kim loại trong không khí và carbon dioxide giữ nhiệt – biến đổi dữ dội từ điều kiện đóng băng sang điều kiện thiêu đốt.

Trong khi ảnh hưởng đã rõ ràng thì nguyên nhân dẫn đến sự tuyệt chủng vẫn chưa được giải quyết. Các lý thuyết ban đầu cho rằng sự kiện này là do phun trào núi lửa đã bị lu mờ bởi việc phát hiện ra một miệng hố va chạm ở Mexico có tên là Chicxulub, được tạo ra bởi một tiểu hành tinh rộng hàng dặm, giờ đây được cho là nguyên nhân chính gây ra sự kiện tuyệt chủng. Tuy nhiên, các lý thuyết đang bắt đầu hội tụ, vì bằng chứng hóa thạch cho thấy một cú đấm không giống bất cứ thứ gì trong lịch sử Trái đất: tiểu hành tinh có thể đã va chạm với một hành tinh vốn đã phải hứng chịu những vụ phun trào núi lửa cực kỳ dữ dội ở Deccan Traps ở phía tây Ấn Độ.

Nhưng các nhà khoa học vẫn không biết – và không đồng ý – mỗi sự kiện góp phần vào sự tuyệt chủng hàng loạt đến mức nào. Vì vậy, Cox và cố vấn Brenhen Keller, trợ lý giáo sư khoa học địa chất tại Dartmouth và đồng tác giả của nghiên cứu, đã quyết định “xem bạn nhận được gì nếu để mã quyết định”.

Kết quả mô hình hóa và cưỡng bức núi lửa

Mô hình của họ cho thấy rằng chỉ riêng luồng khí biến đổi khí hậu từ Bẫy Deccan cũng có thể đủ để gây ra sự tuyệt chủng toàn cầu. Các bẫy phát nổ khoảng 300.000 năm trước tiểu hành tinh Chicxulub. Trong khoảng 1 triệu năm phun trào, người ta ước tính Bẫy Deccan đã bơm tới 10,4 nghìn tỷ tấn carbon dioxide và 9,3 nghìn tỷ tấn lưu huỳnh vào khí quyển.

Keller, người đã công bố nghiên cứu vào năm ngoái liên kết 4/5 vụ tuyệt chủng hàng loạt trên Trái đất, cho biết: “Trong lịch sử, chúng ta đã biết rằng núi lửa có thể gây ra sự tuyệt chủng hàng loạt, nhưng đây là ước tính độc lập đầu tiên về lượng khí thải dễ bay hơi được rút ra từ bằng chứng về tác động môi trường của chúng”. Núi lửa.

“Mô hình của chúng tôi xử lý dữ liệu một cách độc lập và không có sự thiên vị của con người để xác định lượng carbon dioxide và sulfur dioxide cần thiết để tạo ra những xáo trộn về khí hậu và chu trình carbon mà chúng tôi thấy trong hồ sơ địa chất. Keller, người đã nỗ lực nghiên cứu mối quan hệ giữa hoạt động núi lửa Deccan và sự tuyệt chủng K-Pg, cho biết: “Những đại lượng này hóa ra phù hợp với những gì chúng ta mong đợi sẽ thấy trong lượng khí thải từ bẫy Deccan”.

Tác động của tiểu hành tinh và bối cảnh hiện đại

Mô hình này đã tiết lộ sự sụt giảm mạnh về khả năng tích lũy carbon hữu cơ dưới đại dương sâu trong khoảng thời gian xảy ra vụ va chạm Chicxulub, có khả năng là kết quả của việc tiểu hành tinh gây ra sự diệt vong của nhiều loài động vật và thực vật. Kỷ lục chứa dấu vết của sự giảm nhiệt độ trong cùng khoảng thời gian có thể do một lượng lớn lưu huỳnh – một chất làm mát tồn tại trong thời gian ngắn – gây ra mà thiên thạch khổng lồ sẽ ném vào không khí khi nó chạm vào bề mặt giàu lưu huỳnh. trong khu vực đó của hành tinh. .

Tác động của tiểu hành tinh cũng có thể sẽ giải phóng cả carbon dioxide và lưu huỳnh. Tuy nhiên, mô hình phát hiện ra rằng không có sự gia tăng lượng phát thải khí nào vào thời điểm đó, cho thấy rằng sự góp phần của tiểu hành tinh vào sự tuyệt chủng không phụ thuộc vào lượng khí thải.

Kết luận: Đổi mới phương pháp và ứng dụng trong tương lai

Trong bối cảnh hiện đại, Cox cho biết, việc đốt nhiên liệu hóa thạch từ năm 2000 đến năm 2023 đã thải ra khoảng 16 tỷ tấn carbon dioxide vào khí quyển mỗi năm. Con số này lớn hơn 100 lần so với tỷ lệ phát thải hàng năm cao nhất mà các nhà khoa học mong đợi từ bẫy Deccan. Cox cho biết, mặc dù bản thân nó đã đáng báo động nhưng sẽ phải mất vài nghìn năm nữa để lượng khí thải carbon dioxide hiện tại mới ngang bằng với tổng lượng khí thải từ các núi lửa cổ đại.

Ông nói: “Điều đáng khích lệ hơn nữa là kết quả của chúng tôi hợp lý về mặt vật lý ở quy mô lớn, điều này rất ấn tượng vì mô hình có thể đã chạy khá xa về mặt kỹ thuật nếu không có những ràng buộc mạnh mẽ hơn trước đó”.

Cox cho biết, việc kết nối các bộ xử lý đã rút ngắn thời gian để mô hình phân tích một tập dữ liệu khổng lồ như vậy từ hàng tháng hoặc hàng năm xuống còn hàng giờ. Phương pháp của ông và phương pháp đảo ngược các mô hình của các hệ thống Trái đất khác – chẳng hạn như khí hậu hoặc chu trình carbon – có thể được sử dụng để đánh giá các sự kiện địa chất mà kết quả của chúng đã được biết rõ, nhưng không phải là yếu tố dẫn đến những sự kiện đó.

Cox cho biết: “Loại đảo ngược song song này chưa bao giờ được thực hiện trong các mô hình khoa học Trái đất trước đây. Phương pháp của chúng tôi có thể mở rộng quy mô tới hàng nghìn bộ xử lý, mang lại cho chúng tôi không gian giải pháp rộng hơn nhiều để khám phá và hoàn toàn chống lại sự thiên vị của con người”.

Ông vừa cười vừa nói: “Cho đến nay, những người trong lĩnh vực của chúng tôi ấn tượng với tính mới của phương pháp này hơn là kết quả của chúng tôi”. “Bất kỳ hệ thống Trái đất nào có tác động chứ không phải nguyên nhân mà chúng ta biết đều sẵn sàng bị lật úp. Chúng ta càng biết rõ kết quả đầu ra thì chúng ta càng có thể mô tả chính xác hơn những yếu tố đầu vào gây ra chúng.”

Tham khảo: “Đảo ngược lượng phát thải và năng suất xuất khẩu theo kiểu Bayes qua ranh giới cuối kỷ Phấn trắng” của Alexander A. Cox và C. Brynhen Keller, ngày 28 tháng 9 năm 2023, Khoa học.
doi: 10.1126/science.adh3875