Un equipo de investigadores está utilizando técnicas de análisis de redes, popularizadas a través de aplicaciones de redes sociales, para encontrar patrones en la historia natural de la Tierra. como se detalla en un artículo publicado hoy en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ). Al utilizar el análisis de red para buscar comunidades de vida marina en los registros fósiles de la base de datos de paleobiología, el equipo, incluidos investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer, pudo cuantificar los impactos ecológicos de eventos importantes como las extinciones masivas y puede ayudarnos a anticipar las consecuencias de una "sexta extinción masiva".

"El análisis de red puede transformarse en bases de datos de formato digerible tan grandes que es imposible examinar porciones sustanciales de los datos en su totalidad, "dijo Peter Fox, una Cátedra de Constelaciones Mundiales Tetherless y profesora de ciencias de la tierra y el medio ambiente, Ciencias de la Computación, y ciencia cognitiva en Rensselaer.

"El poder de nuestro enfoque es que los datos multidimensionales integrados en la red pueden informar y descubrir tendencias en los datos, convirtiendo una interminable cuadrícula de números en una imagen que revela múltiples relaciones de un vistazo ".

El enfoque del equipo ofrece una nueva perspectiva sobre los impactos ecológicos de las extinciones de especies actuales, dijo Drew Muscente, investigador postdoctoral en la Universidad de Harvard y autor principal del artículo. Dada la tasa de desaparición de especies durante los últimos siglos, muchos científicos sospechan que la Tierra se encuentra en medio de la sexta extinción masiva.

"El registro fósil contiene evidencia de extinciones masivas repetidas. Los datos sobre cómo las comunidades antiguas de organismos cambiaron durante estos eventos pueden ayudarnos a comprender las posibles consecuencias de la actual crisis de la biodiversidad". ", dijo Muscente." Nuestro trabajo muestra que esta crisis, sin importar como lo llames, puede alterar irreparablemente comunidades de organismos y sus ecosistemas de formas sorprendentes, que no se puede predecir con otros métodos ".

Una imagen que surge del análisis es una clasificación del impacto ecológico de eventos importantes, con el Gran Evento de Biodiversificación del Ordovícico teniendo el mayor efecto en la ecología, seguido en orden descendente por el Pérmico-Triásico, Cretácico-Paleógeno, Devoniano, y extinciones masivas Triásico-Jurásico. El análisis muestra que la extinción masiva del Ordovícico pudo haber tenido menos impacto ecológico de lo estimado previamente, y de la misma manera, la importancia de la extinción del Devónico puede ser subestimada.

Los investigadores de Fox y Rensselaer, Anirudh Prabhu, Hao Zhong, y Ahmed Eleish se unieron al autor principal Muscente y Andrew Knoll de la Universidad de Harvard, y Michael B. Meyer y Robert Hazen del Carnegie Institution for Science sobre la investigación, que amplía un conjunto de trabajos anteriores que aplican el análisis de redes a los datos de mineralogía. Su trabajo está financiado con una subvención de tres años de W.M. Fundación Keck.

"El trabajo pionero del que se informa en este artículo ilustra cómo el análisis de datos de próxima generación creado para un dominio puede transformar otros campos de estudio, "dijo el profesor Curt M. Breneman, decano de la Escuela de Ciencias Rensselaer. "Esto proporciona una mirada hacia el futuro del impacto de la ciencia basada en datos en el siglo XXI".

El análisis de redes sociales se puede utilizar para identificar grupos de amigos, transmisión de enfermedades, y grupos extremistas mediante la identificación de comunidades de personas, cuyos atributos comunes como la ubicación, intereses, o el género revelan su asociación sin una declaración directa, en las redes sociales. Así como el análisis de redes revela comunidades de personas, Los investigadores pueden utilizar el análisis de redes de bases de datos de ciencias de la vida y la Tierra para descubrir asociaciones de organismos antiguos (por ejemplo, especies y géneros) que vivieron en el pasado y aprender algo sobre cómo esas "paleocomunidades" cambiaron con el tiempo, dijo Fox.

En un trabajo anterior, el equipo aplicó el análisis de red a una base de datos mineralógica. Cada mineral registrado fue definido por hasta 17 atributos, aspectos como la composición química, modo de formación, ubicación - y los resultados, como se publicó en American Mineralogist, predijo la existencia de 1, 500 minerales aún por descubrir, al menos 14 de los cuales se han encontrado desde entonces. También se ha publicado un trabajo reciente sobre análisis de redes de datos mineralógicos en American Mineralogist y en International Journal of Geo-Information.

En el artículo de PNAS, titulado "Cuantificación del impacto ecológico de las extinciones masivas con análisis de redes de comunidades fósiles, "el equipo abordó la base de datos de paleobiología, una "no gubernamental, recurso público sin fines de lucro de datos paleontológicos. "La base de datos contiene datos sobre las ubicaciones, siglos, entornos, y afinidades de los fósiles, representando más de 350, 000 taxones antiguos conservados en más de 190, 000 puntos de muestreo de recolección de fósiles en todo el mundo durante los últimos 600 millones de años de la historia de la Tierra. El equipo restringió su conjunto de datos a las apariciones de fósiles de animales marinos que vivieron en el Eón Fanerozoico, el intervalo de tiempo que comenzó con la explosión de la vida animal hace 541 millones de años y continúa hasta nuestros días.

En las redes de autores, cada taxón fósil (p. ej., pedido, familia, o género) se convierte en un "nodo, "que se puede visualizar en gráficos de red como un punto. Los nodos están conectados entre sí si esos organismos vivieron juntos y fueron fosilizados en los mismos sitios en el pasado. Este enfoque da como resultado la organización de nodos en grupos, que representan comunidades antiguas de animales marinos y pueden identificarse mediante métodos computacionales y estadísticos. Debido a que los taxones (y las comunidades) se originan y se extinguen con el tiempo, La edad geológica se manifiesta como un aspecto implícito de la estructura de la red. En los gráficos, Los taxones y las comunidades que vivieron en diferentes épocas de la historia de la Tierra se distribuyen a lo largo de las redes, con las distancias entre los nodos directamente relacionadas con el lapso de tiempo que separa sus edades. En general, el diagrama de red resultante muestra aspectos como la densidad de la red en diferentes períodos de tiempo, el grado de centralidad de los nodos y grupos de nodos, el número de conexiones entre nodos, y más. Para representar aún más atributos, el equipo se está moviendo hacia la representación en tres dimensiones y la realidad virtual. El resultado, dijo Fox, es "una fracción muy sustancial de la base de datos de paleobiología en un solo gráfico".

El enfoque se presta a nuevos descubrimientos, no solo sobre los fósiles en sí, sino "sobre la correspondencia entre los fósiles y el entorno en el que vivían, ", dijo Fox. En el resultado de PNAS, los investigadores utilizan el registro fósil para cuantificar los impactos de las extinciones, pero al combinar datos del registro fósil con información del registro mineral, los investigadores esperan que el análisis de la red pueda conducir a otros conocimientos sobre la evolución del sistema de la Tierra, por ejemplo, cómo la vida y el medio ambiente cambiaron en respuesta a la oxigenación atmosférica o al cambio de condiciones ricas en nitrógeno a pobres en nitrógeno.

"Cuando combinamos este trabajo, tendremos una red de múltiples capas donde podemos ver la correspondencia entre la red fósil y la red mineral, ", dijo Fox." Y eso nunca se ha hecho antes ".

La investigación sobre análisis de redes de bases de datos de ciencias de la vida y la Tierra cumple con The New Polytechnic, un paradigma emergente para la educación superior que reconoce que los desafíos y oportunidades globales son tan grandes que no pueden ser abordados adecuadamente ni siquiera por la persona más talentosa que trabaja sola. Rensselaer sirve como una encrucijada para la colaboración:trabajar con socios en todas las disciplinas, sectores, y regiones geográficas:para abordar desafíos globales complejos, utilizando las herramientas y tecnologías más avanzadas, muchos de los cuales se desarrollan en Rensselaer. La investigación en Rensselaer aborda algunos de los desafíos tecnológicos más urgentes del mundo, desde la seguridad energética y el desarrollo sostenible hasta la biotecnología y la salud humana. La Nueva Politécnica es transformadora en el impacto global de la investigación, en su pedagogía innovadora, y en la vida de los estudiantes de Rensselaer.