Anvendelse af netværksanalyse på naturhistorie:Teknik populariseret gennem sociale medier rangerer virkningen af ​​udryddelser

Et team af forskere bruger netværksanalyseteknikker - populariseret gennem sociale medieapplikationer - til at finde mønstre i Jordens naturhistorie, som beskrevet i et papir offentliggjort i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). Ved at bruge netværksanalyse til at søge efter samfund af havliv i fossiloptegnelserne i Paleobiology Database, holdet, herunder forskere ved Rensselaer Polytekniske Institut, var i stand til at kvantificere de økologiske virkninger af store begivenheder som masseudryddelse og kan hjælpe os med at forudse konsekvenserne af en "sjette masseudryddelse."

"Netværksanalyse kan transformeres til en fordøjelig form af databaser, der er så store, at det er umuligt at se på væsentlige dele af dataene helt, "sagde Peter Fox, en Tetherless World Constellation Chair og professor i jord- og miljøvidenskab, computer videnskab, og kognitionsvidenskab på Rensselaer.

"Kraften ved vores tilgang er, at multidimensionelle data indlejret i netværket kan informere og opdage tendenser i dataene, forvandler et endeløst gitter af tal til et billede, der afslører flere forhold på et øjeblik."

Holdets tilgang giver nyt perspektiv på de økologiske virkninger af nutidens artsudryddelse, sagde Drew Muscente, en postdocstipendiat ved Harvard University og hovedforfatter på papiret. I betragtning af antallet af arter, der er forsvundet gennem de sidste par århundreder, mange videnskabsmænd har mistanke om, at Jorden er midt i den sjette masseudryddelse.

"De fossile optegnelser indeholder beviser for gentagne masseudryddelser. Data om, hvordan gamle samfund af organismer ændrede sig under disse begivenheder, kan hjælpe os med at forstå de potentielle konsekvenser af den nuværende biodiversitetskrise, " sagde Muscente. "Vores arbejde viser, at denne krise, uanset hvad du kalder det, kan uopretteligt ændre samfund af organismer og deres økosystemer på nogle overraskende måder, som ikke kan forudsiges med andre metoder."

Et billede, der fremkommer af analysen, er en rangordning af den økologiske påvirkning af større begivenheder, med den store ordoviciske biodiversifikationsbegivenhed, der har den største effekt på økologi, efterfulgt i faldende rækkefølge af Perm-Trias, Kridt-Paleogen, Devon, og Trias-Jura masseudryddelser. Analysen viser, at den ordoviciske masseudryddelse kan have haft mindre økologisk indvirkning end tidligere anslået, og ligeledes, betydningen af ​​den devonske udryddelse kan blive undervurderet.

Fox- og Rensselaer -forskere Anirudh Prabhu, Hao Zhong, og Ahmed Eleish sluttede sig til hovedforfatteren Muscente og Andrew Knoll fra Harvard University, og Michael B. Meyer og Robert Hazen fra Carnegie Institution for Science om forskningen, som udvider en række tidligere arbejde, der anvender netværksanalyse på mineralogidata. Deres arbejde er finansieret med en tre-årig bevilling fra W.M. Keck Fonden.

"Det banebrydende arbejde, der rapporteres i denne artikel, illustrerer, hvordan næste generations dataanalyse, der er oprettet for et domæne, kan transformere andre studieretninger, " sagde professor Curt M. Breneman, dekan for Rensselaer School of Science. "Dette giver et kig fremad i indvirkningen af ​​datadrevet videnskab i det 21. århundrede."

Social netværksanalyse kan bruges til at identificere grupper af venner, overførsel af sygdom, og ekstremistiske grupper ved at identificere fællesskaber af mennesker - hvis fælles egenskaber som placering, interesser, eller køn afsløre deres forening uden en direkte erklæring - på sociale medier. Ligesom netværksanalyse afslører fællesskaber af mennesker, forskere kan bruge netværksanalyse af jord- og biovidenskabelige databaser til at opdage associationer af gamle organismer (f.eks. arter og slægter), der levede i fortiden og lære noget om, hvordan disse "paleosamfund" ændrede sig over tid, sagde Fox.

I tidligere arbejde, holdet anvendte netværksanalyse på en mineralogisk database. Hvert mineral registreret blev defineret af så mange som 17 attributter - aspekter som kemisk sammensætning, dannelsesmåde, placering - og resultaterne, som offentliggjort i American Mineralogist, forudsagde eksistensen af ​​1, 500 endnu uopdagede mineraler, mindst 14 af dem er siden fundet. Nyligt arbejde med netværksanalyse af mineralogiske data er også blevet offentliggjort i American Mineralogist og International Journal of Geo-Information.

I PNAS-avisen, med titlen "Kvantificering af den økologiske virkning af masseudryddelser med netværksanalyse af fossile samfund, "holdet tog fat på Paleobiology Database, en "ikke-statslig, nonprofit offentlig ressource for paleontologiske data. "Databasen indeholder data om lokaliteterne, aldre, miljøer, og tilhørsforhold til fossiler, repræsenterer mere end 350, 000 gamle taxaer bevaret på mere end 190, 000 prøvetagningssteder for fossil indsamling rundt om i verden i løbet af de sidste 600 millioner år af jordens historie. Holdet begrænsede deres datasæt til forekomster af fossiler af havdyr, der levede i Phanerozoic Eon, tidsintervallet, der begyndte med eksplosionen af ​​dyreliv for 541 millioner år siden og fortsætter til i dag.

I forfatternes netværk, hver fossil taxon (f.eks. bestille, familie, eller slægt) bliver en "node, " som kan visualiseres i netværksgrafer som en prik. Noderne er forbundet med hinanden, hvis disse organismer levede sammen og blev fossileret på de samme steder i fortiden. Denne tilgang resulterer i organisering af noder i klynger, som repræsenterer gamle samfund af havdyr og kan identificeres ved hjælp af beregningsmæssige og statistiske metoder. Fordi taxa (og samfund) opstår og uddør over tid, geologisk alder manifesterer sig som et implicit aspekt af netværksstruktur. I graferne, taxa og samfund, der levede på forskellige tidspunkter i Jordens historie, er fordelt på tværs af netværkene, med afstandene mellem noder, der er direkte relateret til tidsrummet, der adskiller deres alder. Samlet set, det resulterende netværksdiagram viser aspekter som tætheden af ​​netværket i forskellige tidsperioder, graden af ​​centralitet af noder og grupper af noder, antallet af forbindelser mellem noder, og mere. For at repræsentere endnu flere egenskaber, holdet bevæger sig ind i repræsentation i tre-dimensioner og virtual reality. Resultatet, sagde Fox, er "en meget væsentlig brøkdel af Paleobiology Database i en enkelt graf."

Tilgangen egner sig til nye opdagelser, ikke kun om fossilerne selv, men "om overensstemmelsen mellem fossilerne og det miljø, de levede i, " sagde Fox. I PNAS-resultatet, forskere bruger fossiler til at kvantificere virkningerne af udryddelser, men ved at kombinere data fra fossilrekorden med oplysninger fra mineralregistreringen, forskerne håber, at netværksanalyse kan føre til anden indsigt i udviklingen af ​​Jordsystemet, for eksempel, hvordan liv og miljøer ændrede sig som reaktion på atmosfærisk iltning eller ændringen fra nitrogenrige til nitrogenfattige forhold.

"Når vi kombinerer dette arbejde, vi har et flerlagsnetværk, hvor vi kan se på korrespondancen mellem det fossile netværk og mineralnetværket, sagde Fox. Og det er aldrig blevet gjort før.

Forskning i netværksanalyse af jord- og biovidenskabelige databaser opfylder The New Polytechnic, et spirende paradigme for videregående uddannelse, som anerkender, at globale udfordringer og muligheder er så store, at de ikke kan løses tilstrækkeligt af selv den mest talentfulde person, der arbejder alene. Rensselaer fungerer som en korsvej for samarbejde - arbejder med partnere på tværs af discipliner, sektorer, og geografiske regioner - for at løse komplekse globale udfordringer, ved at bruge de mest avancerede værktøjer og teknologier, hvoraf mange er udviklet hos Rensselaer. Forskning hos Rensselaer adresserer nogle af verdens mest presserende teknologiske udfordringer - fra energisikkerhed og bæredygtig udvikling til bioteknologi og menneskers sundhed. The New Polytechnic er transformerende i den globale virkning af forskning, i sin innovative pædagogik, og i livet for studerende på Rensselaer.