大数据在化石的埋藏学和形态学领域的应用很大程度上帮助了科学家们更快更好地找寻化石并分门别类了解他们的演化历史。那些生活在遥远地质时代的生物虽然保存成了化石，但曾经也与我们一样生存在一片蓝天白云之下.......
那么如何用大数据解码他们生存的环境并将这些故事串联成册呢？
冬天刚刚过去，大家最近是不是感受到春天的温暖了呢？每年冬天，南北方的暖气之争总是绕不过的话题，没有暖气的南方朋友总是饱受寒冬的折磨。那在很久很久以前的地球上，没有暖气没有人类的时代，那些古生物们是如何度过冬天的呢？他们的冬天有多冷呢？又或许，他们真的经历过冬天吗？科学家们又是如何得知史前“冬天”的存在呢？
在距今7亿至6亿年前，当时的地球就经历了一次严重的冰河期，海洋几乎全部冻结，冰川已经蔓延到了赤道地区，全球可能都遭受了冰封，这就是所谓的“雪球地球”事件。听起来是不是很像电影《流浪地球》中的画面，这样的场景曾经是真实存在的。其实咱们现在就处在第四纪冰河期中，开始于258万年前。但全球变暖，冰川消融，海平面上升……现在的环境是不是很难让你联想到冰河时期呢？这只是因为咱们正处于1.17万年前开始的一个间冰期中。
科学家们都是怎么探测并分析出这一切的呢？除了冰碛沉积物等地质证据外，还不得不提到一个重要工具：氧同位素。
同位素（Isotope）是化学元素的不同种类，特定元素的同位素拥有同等的质子数量和不同的中子数量，但他们在元素周期表上统统占据同一格，因此命名为同位素。提起同位素，许多人脑海中冒出的关键词都是“辐射”“放射性”“有害”等等，但其实并不是所有同位素都具有放射性，在自然界广泛存在的是稳定同位素。现在地质学家常常通过分析同位素来研究古代环境。
同位素（Isotope）是某种特定化学元素之下的不同种类，同一种元素下的所有同位素都具有相同质子数目，但中子数目不同。这些同位素在化学元素周期表中占有同一个位置，因此得名。插绘：王盛宇
氧同位素中，最丰富的是18O和16O。研究表明，18O和16O比值的变化,即δ18O，可以反映周围环境的温度变化。16O比18O少了两个中子，因此16O比18O轻，更容易随水蒸气蒸发。在温度偏低时，蒸发作用没那么强烈，含有16O的水分子比含18O的水分子更容易蒸发，水体中18O和16O的比值就会升高。这就好比一杯椰果珍珠奶茶，椰果的密度要小于珍珠，吸溜奶茶的时候就更容易吸上来椰果，所以越喝珍珠剩的越多，剩下的珍珠和椰果的比例自然也就更高了。
16O和18O具有相同的质子数，但16O比18O少了两个中子，因此16O比18O轻，更容易随水蒸气蒸发。插绘：王盛宇
在地球科学的研究中，科学家们常用有孔虫、双壳类等生物中的δ18O值来分析当时的水体温度及气候变化。18O和16O在碳酸盐中的比例取决于水环境的温度，那么δ18O值的规律性变化也就反应了水体温度的季节性波动。因此，分辨贝壳中δ18O值的变化周期，就能推断出它的年龄。
以双壳动物帘蛤Mercenariastimpsoni为例，沿着贝壳的生长方向，每隔一两个毫米挖个坑采个样测量δ18O值，就能得到贝壳生长过程中δ18O值的变化趋势。每一个波动周期就代表着一次季节的更替（Kubotaetal.,2017）。认真观察壳体经历过的季节周期数，你就能知道它的年龄。仔细研究变化的规律，你还能知道它的喜好。有的贝壳喜欢春天和秋天，一到时候就可劲地长。有的贝壳讨厌冬天，一着凉就按下暂停键坐等夏天，等着“春江水暖壳先知”。
Mercenariastimpsoni的生长方式，及壳中δ18O值的规律性变化。图片更改自（Kubotaetal.,2017）
既然δ18O能测出一只贝壳经历过的季节变化，那它能不能扩大使用范围，测一测整个地球的温度变化呢？比如海洋的温度呢？
海水中的水分子同时包含了大量16O和18O。在全球变冷冰川作用增强的时候，海水中含16O的水分子更易蒸发，形成降雨后遇冷凝固在冰川中。这样冰川中16O储存的越来越多，海水中的18O也就越来越富集，海洋沉积物和海洋生物中的δ18O值也就相应升高了。
冰川作用下氧同位素的循环方式。海水中含16O的水分子更易蒸发，形成降雨后遇冷凝固在冰川中。插绘：王盛宇
如果你喝完了一杯珍珠椰果奶茶，那就知道了这杯奶茶里珍珠和椰果的比例。但如果你想知道所有珍珠椰果奶茶里珍珠和椰果的比例呢？那你就需要喝很多很多杯奶茶。同理，某个生物中的δ18O只能代表其中一个数据点，如果我们想知道某个地区或者某个时期里δ18O的整体变化趋势，那我们就需要很多很多个数据点。
来自世界各地的科学家们，测量过很多来自不同地区不同时期不同物种的δ18O数据。将这些数据整合起来，选用适当的计算方法，就能分析出整体的变化趋势，从而反映出整个地质历史时期的温度变化。随着科学技术的发展，我们能获得的数据越来越多，数据库也随之完善，分析的精度也就越来越高。例如图5展示的δ18O值变化趋势，就是在58,532个来自各个时期的海洋贝壳的数据基础上得出的（VeizerandProkoph,2015）。从图中可以看到，越往前追溯，δ18O的值相对越小，意味着早期海洋的温度越高。
如果哪天一只猛犸象在博物馆遇见了一只三叶虫，它大概也得感叹一句：夏虫不可语冰呀。
接下来，让我们看看大数据是如何把这些化石由“点”连成“线”的。
2020年第一版国际地质年代表。引自InternationalCommissiononStratigraphy。
20世纪60年代，在美国罗切斯特大学，一个青年在图书馆里焚膏继晷，兀兀十年。JohnSepkoski将图书馆文献中的化石记录整理汇编，画出了一条显生宙以来科一级的多样性曲线，并分析了不同地质历史时期的生物演化模式（Valentine，1973；Sepkoski，1976,1978,1979,1984）。在片段式地见过了无数恐龙、三叶虫之类的神奇生物之后，人们第一次得以见到漫长地质历史时期中物种多样性变化的大致规律。那条曲线中识别出的五次生物大灭绝事件，至今仍然在被加以统计学、同位素化学、地层学、沉积学等方法不断研究，各种理论、假说也层出不穷。
全球显生宙属级生物多样性曲线。数据来自Sepkoski（2002）
但是，这些都是最初的纸质汇编的数据，难以实现共享和补充。随着计算机时代的来临，更为高效的数据整理方式——数据库被应用到了古生物统计当中。到目前位置，包含古生物数据最多的数据库应该是北美为基地的古生物数据库PaleobiologyDatabase（简称PBDB）。PBDB包含众多的古生物学及其他地质学数据条目，如物种名称、作者和出版物、地层学、地质构造、相和沉积学等等，内部信息相互关联，易于修订。任何人都可以查询和上传自己的数据，会有专门的科学家进行核验和添加。因此它可以无限扩展，并且可以添加新的列表和分析函数。PBDB迄今已囊括了500多位科学家贡献的近150万条分类明确的化石记录。
同期各类古生物的数据库也逐渐出现，定量化研究古生物的手段蓬勃发展，不同地区或某一时段的精细化多样性研究不断发表，但是能很好地将这些散落的章节汇编成册的工作却一直没有出现。
CONOP可以有效整合不同剖面的化石记录，用数学计算得出一个所有化石出现、消失的最可能序列。在这个序列的基础上，再把各个化石类群，如门纲目科属种，累加起来就形成了多样性曲线。
这一成果只是科学家探索的一个初始。由中国科学家倡议、13个国际组织与机构共同发起了一项国际科学计划——“深时数字地球”，希望协同全球地学的科学家，整合过去数十亿年的地球演化的数据，实现全球数据共享。这一计划将搭建起全球地球科学家与数据科学家合作交流的平台，相信会有更丰富的数据量，也会有更高效的计算方法逐渐展现，更为精细的生命演化编年史的书写也将得以实现。
古生物大数据的工作对于揭示生物演化规律以探索生命的本质，从长期探索生物与环境的互动关系以为现今提供参考，建立地质年代框架以实现资源勘探都有深远意义。然而，看似寻常最奇绝，成如容易却艰辛。历经数年甚至十几年的数据搜集归纳整理结合现代科技手段定量计算，才能将这部生命编年史的残卷一点一点拼接起来。
回望地球生命演化史，这是一首岁月的长歌，也是一场生命的传奇。五亿多年前寒武纪的小虫睁开了第一双看到世界的眼睛，四亿年前泥盆系的鱼儿爬上陆地，两亿多年前三叠纪那场百万年的雨季里长出了参天大树，六千万年来哺乳动物在这颗星球上繁荣昌盛。火山与洪水，冰期与温室，曲折的演化历程亦造就了许多不朽的神话。他们就深埋在我们脚下的土地之中，等待着一次次创新、探索与诠释。
生物演化过程及部分重大事件。图片制作：南京大学杨子潇
思考与荐书：
地球历史上发生过多次重大的生物灭绝事件，这些事件其实是发生在百万年或者万年历史中。你是否想过，在这些灭绝事件期间的某一天，地球上的生灵们在经历什么呢？大家可以参考《灭绝与演化/ExtinctionandEvolution:WhatFossilsRevealabouttheHistoryofLife》思考这件事。书作者尼尔斯·艾崔奇（NilesEldredge）是著名的古生物学家，是生物演化“点断平衡”理论之父。在书中，他展示了超过200件精美的化石标本，记录了数十亿年的演化历程，并寻求一系列生命演化的启示：什么是生命的秩序？达尔文一生所求的关键化石为何始终缺失？每次生命大爆发之前，都有大规模物种灭绝降临，在生命的轮回中大灭绝究竟扮演了什么角色？
如果大胆设想，有一种灭绝的生物存活到了现代，它们怎么生活？吃什么样的食物？亿万年后，有什么样的生物在“定量”我们的世界？现在我们观察到的气候变化，在地质历史的长河上又会留下怎样的痕迹？
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南京大学生物演化与环境科教融合中心张书涵、田庆羿、王盛宇、杨子潇（排名不分先后）供稿。