Un team di ricercatori sta utilizzando tecniche di analisi di rete, rese popolari dalle applicazioni dei social media, per trovare modelli nella storia naturale della Terra, come dettagliato in un documento pubblicato oggi nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ). Utilizzando l'analisi di rete per cercare comunità di vita marina nei reperti fossili del database Paleobiology, Il gruppo, compresi i ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute, è stato in grado di quantificare gli impatti ecologici di eventi importanti come le estinzioni di massa e può aiutarci ad anticipare le conseguenze di una "sesta estinzione di massa".

"L'analisi della rete può trasformarsi in una forma digeribile di database così grandi che è impossibile esaminare del tutto porzioni sostanziali dei dati, " ha detto Peter Fox, un Tetherless World Constellation Chair e professore di scienze della terra e dell'ambiente, informatica, e scienze cognitive a Rensselaer.

"Il potere del nostro approccio è che i dati multidimensionali incorporati nella rete possono informare e scoprire tendenze nei dati, trasformando una griglia infinita di numeri in un'immagine che rivela molteplici relazioni a colpo d'occhio."

L'approccio del team offre una nuova prospettiva sugli impatti ecologici delle attuali estinzioni delle specie, disse Drew Muscente, un ricercatore post-dottorato presso l'Università di Harvard e autore principale del documento. Dato il tasso di scomparsa delle specie negli ultimi secoli, molti scienziati sospettano che la Terra sia nel mezzo della sesta estinzione di massa.

"I reperti fossili contengono prove di ripetute estinzioni di massa. I dati su come le antiche comunità di organismi sono cambiate durante questi eventi possono aiutarci a comprendere le potenziali conseguenze dell'attuale crisi della biodiversità, " ha detto Muscente. "Il nostro lavoro mostra che questa crisi, indipendentemente da come lo chiami, possono alterare irreparabilmente le comunità di organismi e i loro ecosistemi in modi sorprendenti, che non può essere previsto con altri metodi."

Un quadro che emerge dall'analisi è una classifica dell'impatto ecologico dei grandi eventi, con il Grande Evento di Biodiversificazione Ordoviciano che ha avuto il maggiore effetto sull'ecologia, seguito in ordine decrescente dal Permiano-Triassico, Cretaceo-Paleogene, Devoniano, e le estinzioni di massa del Triassico-Giurassico. L'analisi mostra che l'estinzione di massa dell'Ordoviciano potrebbe aver avuto un impatto ecologico minore di quanto precedentemente stimato, e allo stesso modo, il significato dell'estinzione del Devoniano potrebbe essere sottovalutato.

I ricercatori Fox e Rensselaer Anirudh Prabhu, Hao Zhong, e Ahmed Eleish si sono uniti all'autore principale Muscente e Andrew Knoll dell'Università di Harvard, e Michael B. Meyer e Robert Hazen della Carnegie Institution for Science sulla ricerca, che si espande su una serie di lavori precedenti che applicano l'analisi di rete ai dati di mineralogia. Il loro lavoro è finanziato con una borsa di studio triennale del W.M. Fondazione Keck.

"Il lavoro innovativo riportato in questo articolo illustra come l'analisi dei dati di nuova generazione creata per un dominio può trasformare altri campi di studio, " ha detto il professor Curt M. Breneman, preside della Rensselaer School of Science. "Questo fornisce uno sguardo avanti sull'impatto della scienza basata sui dati nel 21° secolo".

L'analisi dei social network può essere utilizzata per identificare gruppi di amici, trasmissione di malattie, ed estremisti identificando comunità di persone - i cui attributi comuni come la posizione, interessi, o genere rivelano la loro associazione in assenza di una dichiarazione esplicita - sui social media. Proprio come l'analisi della rete rivela comunità di persone, i ricercatori possono utilizzare l'analisi di rete dei database delle scienze della Terra e della vita per scoprire associazioni di organismi antichi (ad es. specie e generi) vissuti nel passato e imparano qualcosa su come quelle “paleocomunità” sono cambiate nel tempo, disse Volpe.

In lavori precedenti, il team ha applicato l'analisi di rete a un database mineralogico. Ogni minerale registrato è stato definito da ben 17 attributi - aspetti come la composizione chimica, modalità di formazione, posizione - e i risultati, come pubblicato su American Mineralog, previsto l'esistenza di 1, 500 minerali non ancora scoperti, almeno 14 dei quali sono stati poi trovati. Un recente lavoro sull'analisi di rete di dati mineralogici è stato pubblicato anche su American Mineralogist e International Journal of Geo-Information.

Nel documento PNAS, dal titolo "Quantificazione dell'impatto ecologico delle estinzioni di massa con l'analisi della rete delle comunità fossili, " il team ha affrontato il database di paleobiologia, una "non governativa, risorsa pubblica senza scopo di lucro di dati paleontologici." Il database contiene dati sulle località, età, ambienti, e affinità dei fossili, in rappresentanza di più di 350, 000 antichi taxa conservati a più di 190, 000 punti di raccolta di fossili in tutto il mondo durante gli ultimi 600 milioni di anni della storia della Terra. Il team ha limitato il proprio set di dati alle occorrenze di fossili di animali marini che vivevano nell'Eone Fanerozoico, l'intervallo di tempo che è iniziato con l'esplosione della vita animale 541 milioni di anni fa e continua fino ai giorni nostri.

Nelle reti degli autori, ogni taxon fossile (ad es. ordine, famiglia, o genere) diventa un "nodo, " che può essere visualizzato nei grafici di rete come un punto. I nodi sono collegati tra loro se quegli organismi vivevano insieme e sono stati fossilizzati negli stessi siti in passato. Questo approccio si traduce nell'organizzazione dei nodi in cluster, che rappresentano antiche comunità di animali marini e possono essere identificati utilizzando metodi computazionali e statistici. Poiché i taxa (e le comunità) hanno origine e si estinguono nel tempo, l'età geologica si manifesta come un aspetto implicito della struttura della rete. Nei grafici, taxa e comunità vissute in momenti diversi della storia della Terra sono distribuite nelle reti, con le distanze tra i nodi direttamente correlate all'intervallo di tempo che separa le loro età. Globale, il diagramma di rete risultante ritrae aspetti come la densità della rete in diversi periodi di tempo, il grado di centralità dei nodi e dei gruppi di nodi, il numero di connessioni tra i nodi, e altro ancora. Per rappresentare ancora più attributi, il team si sta muovendo verso la rappresentazione in tre dimensioni e la realtà virtuale. Il risultato, disse Volpe, è "una frazione molto consistente del database paleobiologico in un singolo grafico".

L'approccio si presta a nuove scoperte, non solo sui fossili stessi, ma "sulla corrispondenza tra i fossili e l'ambiente in cui vivevano, " ha detto Fox. Nel risultato PNAS, i ricercatori usano i reperti fossili per quantificare gli impatti delle estinzioni, ma combinando i dati della documentazione fossile con le informazioni della documentazione mineraria, i ricercatori sperano che l'analisi di rete possa portare ad altre intuizioni sull'evoluzione del sistema Terra, ad esempio, come la vita e gli ambienti sono cambiati in risposta all'ossigenazione atmosferica o al passaggio da condizioni ricche di azoto a condizioni povere di azoto.

"Quando uniamo questo lavoro, avremo una rete multistrato in cui possiamo osservare la corrispondenza tra la rete fossile e la rete minerale, " disse Fox. "E questo non è mai stato fatto prima."

La ricerca sull'analisi di rete dei database di scienze della terra e della vita soddisfa The New Polytechnic, un paradigma emergente per l'istruzione superiore che riconosce che le sfide e le opportunità globali sono così grandi che non possono essere adeguatamente affrontate nemmeno dalla persona più talentuosa che lavora da sola. Rensselaer funge da crocevia per la collaborazione, lavorando con partner di diverse discipline, settori, e regioni geografiche, per affrontare sfide globali complesse, utilizzando gli strumenti e le tecnologie più avanzate, molti dei quali sono sviluppati a Rensselaer. La ricerca a Rensselaer affronta alcune delle sfide tecnologiche più urgenti del mondo, dalla sicurezza energetica e lo sviluppo sostenibile alla biotecnologia e alla salute umana. Il Nuovo Politecnico trasforma l'impatto globale della ricerca, nella sua pedagogia innovativa, e nella vita degli studenti di Rensselaer.