Uma equipe de pesquisadores está usando técnicas de análise de rede - popularizadas por meio de aplicativos de mídia social - para encontrar padrões na história natural da Terra, conforme detalhado em um artigo publicado hoje no Anais da Academia Nacional de Ciências ( PNAS ) Ao usar a análise de rede para pesquisar comunidades de vida marinha nos registros fósseis do Banco de Dados de Paleobiologia, O time, incluindo pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute, foi capaz de quantificar os impactos ecológicos de grandes eventos, como extinções em massa, e pode nos ajudar a antecipar as consequências de uma "sexta extinção em massa".

"A análise de rede pode se transformar em um formulário digerível de bancos de dados tão grandes que é impossível olhar porções substanciais dos dados de uma vez, "disse Peter Fox, um Tetherless World Constellation Chair e professor de ciências da terra e ambientais, Ciência da Computação, e ciências cognitivas em Rensselaer.

"O poder da nossa abordagem é que os dados multidimensionais incorporados na rede podem informar e descobrir tendências nos dados, transformando uma grade infinita de números em uma imagem que revela vários relacionamentos à primeira vista. "

A abordagem da equipe oferece uma nova perspectiva sobre os impactos ecológicos das extinções de espécies atuais, disse Drew Muscente, um pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Harvard e autor principal do artigo. Dada a taxa de desaparecimento de espécies nos últimos séculos, muitos cientistas suspeitam que a Terra está no meio da sexta extinção em massa.

"O registro fóssil contém evidências de extinções em massa repetidas. Dados sobre como as comunidades antigas de organismos mudaram durante esses eventos podem nos ajudar a entender as consequências potenciais da atual crise de biodiversidade, "disse Muscente." Nosso trabalho mostra que esta crise, independente de como você o chame, pode alterar irremediavelmente as comunidades de organismos e seus ecossistemas de algumas maneiras surpreendentes, que não pode ser previsto com outros métodos. "

Uma imagem que emerge da análise é uma classificação do impacto ecológico de grandes eventos, com o Grande Evento de Biodiversificação Ordoviciano tendo o maior efeito na ecologia, seguido em ordem decrescente pelo Permiano-Triássico, Cretáceo-Paleógeno, Devoniano, e extinções em massa do Triássico-Jurássico. A análise mostra que a extinção em massa do Ordoviciano pode ter tido menos impacto ecológico do que o estimado anteriormente, e da mesma forma, o significado da extinção Devoniana pode ser subestimado.

Os pesquisadores da Fox e Rensselaer, Anirudh Prabhu, Hao Zhong, e Ahmed Eleish se juntou ao autor principal Muscente e Andrew Knoll da Universidade de Harvard, e Michael B. Meyer e Robert Hazen do Carnegie Institution for Science sobre a pesquisa, que expande um conjunto de trabalhos anteriores aplicando análise de rede a dados de mineralogia. Seu trabalho é financiado com uma bolsa de três anos da W.M. Fundação Keck.

"O trabalho inovador relatado neste artigo ilustra como a análise de dados de última geração criada para um domínio pode transformar outros campos de estudo, "disse o professor Curt M. Breneman, reitor da Escola de Ciências Rensselaer. "Isso fornece uma visão sobre o impacto da ciência baseada em dados no século 21."

A análise de redes sociais pode ser usada para identificar grupos de amigos, transmissão de doenças, e grupos extremistas, identificando comunidades de pessoas - cujos atributos comuns, como localização, interesses, ou sexo revelam sua associação na ausência de uma declaração direta - nas redes sociais. Assim como a análise de rede revela comunidades de pessoas, pesquisadores podem usar a análise de rede de bancos de dados de ciências da vida e da Terra para descobrir associações de organismos antigos (por exemplo, espécies e gêneros) que viveram no passado e aprendem algo sobre como essas "paleocomunidades" mudaram ao longo do tempo, disse Fox.

Em trabalhos anteriores, a equipe aplicou a análise de rede a um banco de dados mineralógico. Cada mineral registrado foi definido por até 17 atributos - aspectos como composição química, modo de formação, localização - e os resultados, conforme publicado na American Mineralogist, previu a existência de 1, 500 minerais ainda não descobertos, pelo menos 14 dos quais já foram encontrados. Trabalhos recentes sobre análise de rede de dados mineralógicos também foram publicados no American Mineralogist e no International Journal of Geo-Information.

No artigo PNAS, intitulado "Quantificando o impacto ecológico de extinções em massa com análise de rede de comunidades fósseis, "a equipe abordou o banco de dados Paleobiologia, um "não governamental, recurso público sem fins lucrativos de dados paleontológicos. "O banco de dados contém dados sobre os locais, idades, ambientes, e afinidades de fósseis, representando mais de 350, 000 táxons antigos preservados em mais de 190, 000 pontos de coleta de fósseis de amostragem em todo o mundo durante os últimos 600 milhões de anos de história da Terra. A equipe restringiu seu conjunto de dados a ocorrências de fósseis de animais marinhos que viveram no Eon Fanerozóico, o intervalo de tempo que começou com a explosão da vida animal há 541 milhões de anos e continua até os dias atuais.

Nas redes dos autores, cada táxon fóssil (por exemplo, pedido, família, ou gênero) torna-se um "nó, "que pode ser visualizado em gráficos de rede como um ponto. Os nós estão conectados uns aos outros se esses organismos viveram juntos e foram fossilizados nos mesmos locais no passado. Esta abordagem resulta na organização dos nós em clusters, que representam comunidades antigas de animais marinhos e podem ser identificados usando métodos computacionais e estatísticos. Como os táxons (e comunidades) se originam e se extinguem com o tempo, a idade geológica se manifesta como um aspecto implícito da estrutura da rede. Nos gráficos, táxons e comunidades que viveram em diferentes épocas da história da Terra são distribuídos ao longo das redes, com as distâncias entre os nós sendo diretamente relacionadas ao intervalo de tempo que separa suas idades. Geral, o diagrama de rede resultante retrata aspectos como a densidade da rede em diferentes períodos de tempo, o grau de centralidade de nós e grupos de nós, o número de conexões entre nós, e mais. Para representar ainda mais atributos, a equipe está se movendo para a representação em três dimensões e realidade virtual. O resultado, disse Fox, é "uma fração muito substancial do Banco de Dados Paleobiologia em um único gráfico."

A abordagem se presta a novas descobertas, não apenas sobre os próprios fósseis, mas "sobre a correspondência entre os fósseis e o ambiente em que viviam, "disse Fox. No resultado do PNAS, pesquisadores usam o registro fóssil para quantificar os impactos das extinções, mas combinando dados do registro fóssil com informações do registro mineral, os pesquisadores esperam que a análise de rede possa levar a outros insights sobre a evolução do sistema terrestre, por exemplo, como a vida e os ambientes mudaram em resposta à oxigenação atmosférica ou à mudança de condições ricas em nitrogênio para pobres em nitrogênio.

“Quando combinamos este trabalho, teremos uma rede multicamadas onde podemos olhar para a correspondência entre a rede fóssil e a rede mineral, "disse Fox." E isso nunca foi feito antes. "

A pesquisa sobre análise de rede de bancos de dados de ciências da vida e da Terra cumpre o The New Polytechnic, um paradigma emergente para o ensino superior que reconhece que os desafios e oportunidades globais são tão grandes que não podem ser enfrentados de forma adequada, mesmo pela pessoa mais talentosa que trabalha sozinha. Rensselaer serve como uma encruzilhada para a colaboração, trabalhando com parceiros em todas as disciplinas, setores, e regiões geográficas - para enfrentar desafios globais complexos, usando as ferramentas e tecnologias mais avançadas, muitos dos quais são desenvolvidos em Rensselaer. A pesquisa em Rensselaer aborda alguns dos desafios tecnológicos mais urgentes do mundo - desde a segurança energética e o desenvolvimento sustentável até a biotecnologia e a saúde humana. O Novo Politécnico é transformador no impacto global da pesquisa, em sua pedagogia inovadora, e na vida dos alunos da Rensselaer.