Een team van onderzoekers gebruikt netwerkanalysetechnieken - gepopulariseerd via sociale-mediatoepassingen - om patronen in de natuurlijke geschiedenis van de aarde te vinden, zoals gedetailleerd in een artikel dat vandaag is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ). Door netwerkanalyse te gebruiken om te zoeken naar gemeenschappen van zeeleven in de fossielen van de Paleobiology Database, het team, waaronder onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute, was in staat om de ecologische effecten van grote gebeurtenissen zoals massale uitstervingen te kwantificeren en kan ons helpen anticiperen op de gevolgen van een 'zesde massale uitsterving'.

"Netwerkanalyse kan transformeren in een verteerbare vorm van databases die zo groot zijn dat het onmogelijk is om naar substantiële delen van de gegevens te kijken, " zei Peter Vos, een Tetherless World Constellation Chair en hoogleraar aard- en milieuwetenschappen, computertechnologie, en cognitieve wetenschappen bij Rensselaer.

"De kracht van onze aanpak is dat multidimensionale gegevens die in het netwerk zijn ingebed, trends in de gegevens kunnen informeren en ontdekken, het veranderen van een eindeloos raster van getallen in een afbeelding die meerdere relaties in één oogopslag onthult."

De benadering van het team biedt een nieuw perspectief op de ecologische effecten van het uitsterven van soorten, zei Drew Muscente, een postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard University en hoofdauteur van het papier. Gezien de snelheid waarmee soorten de afgelopen eeuwen zijn verdwenen, veel wetenschappers vermoeden dat de aarde midden in de zesde massa-extinctie zit.

"Het fossielenbestand bevat bewijs van herhaalde massale uitstervingen. Gegevens over hoe oude gemeenschappen van organismen tijdens deze gebeurtenissen veranderden, kunnen ons helpen de mogelijke gevolgen van de huidige biodiversiteitscrisis te begrijpen, " zei Muscente. "Ons werk toont aan dat deze crisis, hoe je het ook noemt, kan gemeenschappen van organismen en hun ecosystemen op verrassende manieren onherstelbaar veranderen, die niet kan worden voorspeld met andere methoden."

Een beeld dat uit de analyse naar voren komt, is een rangschikking van de ecologische impact van grote gebeurtenissen, met het Great Ordovician Biodiversification Event met het grootste effect op de ecologie, in aflopende volgorde gevolgd door het Perm-Trias, Krijt-Paleogeen, Devoon, en Trias-Jura massale uitstervingen. De analyse toont aan dat het massale uitsterven van Ordovicium mogelijk minder ecologische impact heeft gehad dan eerder werd geschat, en evenzo, de betekenis van het uitsterven van het Devoon kan ondergewaardeerd worden.

Fox en Rensselaer-onderzoekers Anirudh Prabhu, Hao Zhong, en Ahmed Eleish voegden zich bij hoofdauteur Muscente en Andrew Knoll van Harvard University, en Michael B. Meyer en Robert Hazen van de Carnegie Institution for Science over het onderzoek, die voortbouwt op een reeks eerder werk dat netwerkanalyse toepast op mineralogiegegevens. Hun werk wordt gefinancierd met een driejarige beurs van de W.M. Stichting Keck.

"Het baanbrekende werk dat in dit artikel wordt gerapporteerd, illustreert hoe de volgende generatie data-analyse die voor één domein is gemaakt, andere vakgebieden kan transformeren, " zei professor Curt M. Breneman, decaan van de Rensselaer School of Science. "Dit geeft een vooruitblik op de impact van datagedreven wetenschap in de 21e eeuw."

Analyse van sociale netwerken kan worden gebruikt om groepen vrienden, overdracht van ziekten, en extremistische groepen door gemeenschappen van mensen te identificeren - wier gemeenschappelijke kenmerken zoals locatie, interesses, of geslacht onthullen hun associatie zonder een regelrechte verklaring - op sociale media. Net zoals netwerkanalyse gemeenschappen van mensen onthult, onderzoekers kunnen netwerkanalyse van aard- en levenswetenschappelijke databases gebruiken om associaties van oude organismen te ontdekken (bijv. soorten en geslachten) die in het verleden leefden en iets leren over hoe die "paleogemeenschappen" in de loop van de tijd veranderden, zei Vos.

In eerder werk, het team paste netwerkanalyse toe op een mineralogische database. Elk geregistreerd mineraal werd gedefinieerd door maar liefst 17 attributen - aspecten zoals chemische samenstelling, wijze van vorming, locatie - en de resultaten, zoals gepubliceerd in de Amerikaanse mineraloog, voorspelde het bestaan ​​van 1, 500 nog onontdekte mineralen, waarvan er inmiddels minstens 14 zijn gevonden. Recent werk over netwerkanalyse van mineralogische gegevens is ook gepubliceerd in American Mineralogist en het International Journal of Geo-Information.

In de PNAS-paper, getiteld "De ecologische impact van massale uitstervingen kwantificeren met netwerkanalyse van fossiele gemeenschappen, " het team pakte de paleobiologiedatabase aan, een "niet-gouvernementele, non-profit openbare bron van paleontologische gegevens." De database bevat gegevens over de locaties, leeftijden, omgevingen, en verwantschappen van fossielen, die meer dan 350 vertegenwoordigen, 000 oude taxa bewaard op meer dan 190, 000 bemonsteringspunten voor fossielenverzamelingen over de hele wereld gedurende de laatste 600 miljoen jaar van de geschiedenis van de aarde. Het team beperkte hun dataset tot fossielen van zeedieren die leefden in de Phanerozoïcum Eon, het tijdsinterval dat 541 miljoen jaar geleden begon met de explosie van dierlijk leven en tot op de dag van vandaag voortduurt.

In de netwerken van de auteurs, elk fossiel taxon (bijv. volgorde, familie, of geslacht) wordt een "knooppunt, " die kan worden gevisualiseerd in netwerkgrafieken als een punt. De knooppunten zijn met elkaar verbonden als die organismen samenleefden en in het verleden op dezelfde locaties waren gefossiliseerd. Deze benadering resulteert in de organisatie van knooppunten in clusters, die oude gemeenschappen van zeedieren vertegenwoordigen en kunnen worden geïdentificeerd met behulp van computationele en statistische methoden. Omdat taxa (en gemeenschappen) ontstaan ​​en na verloop van tijd uitsterven, geologische leeftijd manifesteert zich als een impliciet aspect van de netwerkstructuur. In de grafieken, taxa en gemeenschappen die op verschillende tijdstippen in de geschiedenis van de aarde leefden, zijn verspreid over de netwerken, waarbij de afstanden tussen knooppunten direct gerelateerd zijn aan de tijdspanne die hun leeftijden scheidt. Algemeen, het resulterende netwerkdiagram toont aspecten zoals de dichtheid van het netwerk op verschillende tijdsperioden, de mate van centraliteit van knooppunten en groepen knooppunten, het aantal verbindingen tussen knooppunten, en meer. Om nog meer attributen te vertegenwoordigen, het team gaat over op representatie in drie dimensies en virtual reality. Het resultaat, zei Vos, is "een zeer substantieel deel van de paleobiologiedatabase in één enkele grafiek."

De aanpak leent zich voor nieuwe ontdekkingen, niet alleen over de fossielen zelf, maar "over de overeenkomst tussen de fossielen en de omgeving waarin ze leefden, " zei Fox. In het PNAS-resultaat, onderzoekers gebruiken fossielen om de gevolgen van uitsterven te kwantificeren, maar door gegevens uit het fossielenarchief te combineren met informatie uit het mineralenrecord, de onderzoekers hopen dat netwerkanalyse kan leiden tot andere inzichten in de evolutie van het aardsysteem, bijvoorbeeld, hoe het leven en de omgeving veranderden als reactie op atmosferische oxygenatie of de verandering van stikstofrijke naar stikstofarme omstandigheden.

"Als we dit werk combineren, we zullen een meerlagennetwerk hebben waar we de correspondentie tussen het fossielennetwerk en het mineralennetwerk kunnen bekijken, "zei Fox. "En dat is nog nooit eerder gedaan."

Onderzoek naar netwerkanalyse van aard- en levenswetenschappelijke databases voldoet aan The New Polytechnic, een opkomend paradigma voor hoger onderwijs dat erkent dat mondiale uitdagingen en kansen zo groot zijn dat ze niet adequaat kunnen worden aangepakt door zelfs de meest getalenteerde persoon die alleen werkt. Rensselaer fungeert als een kruispunt voor samenwerking:door samen te werken met partners uit verschillende disciplines, sectoren, en geografische regio's - om complexe mondiale uitdagingen aan te pakken, met behulp van de meest geavanceerde tools en technologieën, waarvan vele bij Rensselaer worden ontwikkeld. Onderzoek bij Rensselaer richt zich op enkele van 's werelds meest urgente technologische uitdagingen - van energiezekerheid en duurzame ontwikkeling tot biotechnologie en menselijke gezondheid. The New Polytechnic is transformatief in de wereldwijde impact van onderzoek, in zijn innovatieve pedagogiek, en in het leven van de studenten van Rensselaer.