Vulkanen of asteroïden? AI rondt de discussie af over het uitsterven van dinosauriërs

Met behulp van een innovatief computermodel suggereren wetenschappers uit Dartmouth dat vulkanische activiteit, en niet een inslag van een asteroïde, de voornaamste oorzaak was van de massale uitsterving die een einde maakte aan het tijdperk van de dinosauriërs. Deze baanbrekende aanpak opent nieuwe manieren om andere geologische verschijnselen te onderzoeken.

Vrijdenkende computers hebben het fossielenbestand reverse-engineered om de oorzaken van een ramp te identificeren.

Om het al lang bestaande debat te beslechten over de vraag of een enorme asteroïde-inslag of vulkanische activiteit het uitsterven van de dinosauriërs heeft veroorzaakt en meer soort 66 miljoen jaar geleden koos een team van Dartmouth College voor een innovatieve aanpak: ze verwijderden wetenschappers uit het debat en lieten computers beslissen.

Onderzoekers rapporteren in het tijdschrift Wetenschap Een nieuwe modelleringsmethode, mogelijk gemaakt door onderling verbonden processors die zonder menselijke inbreng door enorme hoeveelheden geografische en klimaatgegevens kunnen werken. Ze gebruikten ongeveer 130 processors om het fossielenbestand omgekeerd te analyseren om gebeurtenissen en omstandigheden te identificeren. Krijt-Paleogene (K-Pg) uitstervingsgebeurtenis, die de weg vrijmaakte voor de opkomst van zoogdieren, waaronder zoogdieren, wat leidde tot de vroege mens.

Een nieuwe kijk op historische gebeurtenissen

“Een deel van onze motivatie was om deze vraag te beoordelen zonder vooropgezette hypothesen of vooroordelen”, zegt Alex Cox, de eerste auteur van het onderzoek en een afgestudeerde student aan de afdeling Aardwetenschappen van Dartmouth. “De meeste modellen gaan vooruit. We hebben een koolstofcyclusmodel aangepast om de andere kant op te werken, waarbij we effecten gebruiken om via statistieken de oorzaak te vinden, en slechts minimale voorafgaande informatie verschaffen bij het werken aan een bepaald resultaat.

“Uiteindelijk maakt het niet uit wat we denken of wat we eerder dachten: het model laat ons zien wat we in het geologische record zien”, zei hij.

Het model analyseerde meer dan 300.000 mogelijke scenario’s van kooldioxide-emissies, zwaveldioxide-emissies en biologische productiviteit gedurende de 1 miljoen jaar vóór en na het uitsterven van K-Pg. Per categorie Machinaal leren Bekend als de Markov-keten Monte Carlo – het is niet zo dat een smartphone voorspelt wat je vervolgens gaat typen – werkten processors onafhankelijk samen om hun resultaten te vergelijken, herhalen en herberekenen totdat ze een scenario bereikten dat overeenkwam met de resultaten die in het fossielenbestand waren bewaard. .

Het identificeren van de oorzaken van vernietiging

De geochemische en organische overblijfselen in het fossielenbestand geven duidelijk de catastrofale omstandigheden weer tijdens het uitsterven van K-Pg. Dieren en planten over de hele wereld leden massale uitstervingen toen voedselwebben instortten onder een onstabiele atmosfeer – rijk aan zonzuigende zwavel, mineralen in de lucht en hitteblokkerende kooldioxide – en massaal verschoof van ijskoude omstandigheden naar verzengende omstandigheden.

Hoewel het effect duidelijk is, is de oorzaak van de vernietiging niet opgelost. Vroege theorieën over de oorzaak van vulkaanuitbarstingen werden overschaduwd door de ontdekking van een inslagkrater in Mexico genaamd Chicxulub, veroorzaakt door een mijl brede asteroïde waarvan nu wordt aangenomen dat deze de belangrijkste oorzaak van het uitsterven is. De theorieën beginnen zich echter te verenigen nu fossiel bewijsmateriaal wijst op een een-tweetje dat nog niet eerder in de geschiedenis van de aarde is waargenomen: een asteroïde is mogelijk ingeslagen op een planeet die al aan het wankelen was door enorme, zeer gewelddadige uitbarstingen van vulkanen in de Deccan Traps in West-India.

Maar wetenschappers weten nog steeds niet – of zijn het er niet over eens – in welke mate elke gebeurtenis heeft bijgedragen aan de massale uitsterving. Dus besloten Cox en zijn adviseur, Brenn Keller, een assistent-professor in de geowetenschappen uit Dartmouth en co-auteur van het onderzoek, “te kijken wat je krijgt als je de code laat beslissen.”

Modelleringsresultaten en vulkanische impact

Hun model suggereerde dat het vrijkomen van klimaatveranderende gassen uit de Deccan-vallen alleen al voldoende zou zijn geweest om het wereldwijde uitsterven te veroorzaken. De vallen explodeerden ongeveer 300.000 jaar voordat de asteroïde Chicxulub verscheen. Tijdens de ongeveer 1 miljoen jaar van uitbarstingen hebben de Deccan-openingen naar schatting 10,4 biljoen ton kooldioxide en 9,3 biljoen ton zwavel in de atmosfeer geloosd.

“Historisch weten we dat vulkanen massavernietigingswapens veroorzaken, maar dit is de eerste onafhankelijke beoordeling van vluchtige emissies uit bronnen van hun impact op het milieu”, zegt Keller, die vorig jaar een artikel publiceerde waarin vier van de vijf massale uitstervingen op aarde met elkaar in verband werden gebracht. Vulkaan.

‘Ons model heeft de gegevens onafhankelijk en zonder menselijke vooroordelen doorgenomen om de hoeveelheid kooldioxide en zwaveldioxide te bepalen die nodig is om de verstoringen van het klimaat en de koolstofcyclus te creëren die we in het geologische record zien. Deze hoeveelheden komen overeen met wat we verwachten in de uitstoot van de aarde. Deccan-vallen”, zei Keller, eraan toevoegend dat de Deccan-vulkanische K- die uitgebreid heeft gewerkt aan het bestuderen van de relatie tussen het uitsterven van Pg.

Asteroïde-impact en de moderne omgeving

Het model onthulde een sterke daling van de accumulatie van organische koolstof in de diepe oceaan tijdens de Chicxulub-inslag, die mogelijk verantwoordelijk was voor het uitsterven van talloze dier- en plantensoorten als gevolg van de asteroïde. Het record bevat ook sporen van een temperatuurdaling op hetzelfde moment dat de gigantische meteoriet in de lucht zou zijn gegooid toen hij een oppervlak raakte dat rijk is aan zwavel – een kortlevend koelmiddel – veroorzaakt door een hoog zwavelgehalte. In dat deel van de planeet.

De inslag van de asteroïde zou zowel koolstof als zwaveldioxide hebben uitgestoten. Het model vond op dat moment echter geen piek in de uitstoot van beide gassen, wat erop wijst dat de bijdrage van de asteroïde aan het uitsterven de gasuitstoot niet onder controle had.

Conclusie: Methodologische innovatie en toekomstige toepassingen

In de moderne omgeving, zei Cox, heeft de verbranding van fossiele brandstoffen tussen 2000 en 2023 jaarlijks ongeveer 16 miljard ton kooldioxide in de atmosfeer gepompt. Dat is 100 keer hoger dan wat wetenschappers hadden voorspeld voor de hoogste jaarlijkse emissie van de Deccan Traps. Hoewel het op zichzelf alarmerend is, zei Cox dat het een paar duizend jaar zal duren voordat de huidige CO2-uitstoot gelijk zal zijn aan de totale hoeveelheid die vrijkomt uit oude vulkanen.

“Wat echt opwindend is, is dat de resultaten die we hebben bereikt in grote lijnen fysiek plausibel zijn, waardoor het interessant is dat het model technisch gezien volledig wild kan werken zonder sterke frontale barrières”, zei hij.

Door onderling verbonden processors is de tijd die nodig is om zulke grote datasets te bemonsteren en te analyseren, verkort van maanden of jaren naar uren, zei Cox. De methode van hem en Keller kan worden gebruikt om modellen van andere aardse systemen, zoals het klimaat of de koolstofcyclus, om te keren; de uitkomsten van geologische gebeurtenissen zijn welbekend, maar niet de factoren die daartoe leiden.

“Dit soort parallelle inversie is nog niet eerder gedaan in aardwetenschappelijke modellen. Onze methode kan worden geschaald om duizenden processors te omvatten, wat een veel bredere oplossingsruimte biedt om te verkennen, en beter bestand is tegen menselijke vooroordelen, ” zei Cox.

“Tot nu toe zijn mensen in ons vakgebied meer onder de indruk van de nieuwigheid van de methode dan van het resultaat dat we hebben bereikt”, lacht hij. ‘Elk systeem op aarde is rijp voor een ommekeer, ook al kennen we het effect ervan, en niet de oorzaak. Hoe beter we de output kennen, hoe beter we de input kunnen karakteriseren die deze veroorzaakte.

Opmerking: Alexander A. Cox en C. Brenhin Keller, 28 september 2023, “Bayesiaanse inversie van emissies en exportproductiviteit over de grens van het Late Krijt”. Wetenschap.
DOI: 10.1126/science.adh3875