Un modèle d’IA entraîné sur près de quatre millions de fossiles remet en question le récit des cinq grandes extinctions

Une image plus précise des extinctions anciennes

Un modèle d’intelligence artificielle entraîné sur près de quatre millions de fossiles suggère que trois des cinq extinctions massives les plus célèbres de l’histoire de la Terre se sont déroulées sous la forme de déclins graduels de la biodiversité, plutôt que d’effondrements soudains. Cette reconstitution, baptisée OneStrata, mobilise une vaste collection d’observations fossiles dans le débat sur la vitesse à laquelle la vie a disparu lors des plus grandes crises biologiques de la planète.

Shuzhong Shen, paléontologue à l’université de Nankin, en Chine, a présenté ces travaux lors d’une réunion de la Geological Society of America, à Denver, dans le Colorado, le 12 octobre. Ses collègues du Zhejiang Lab, un institut spécialisé dans l’intelligence artificielle à Hangzhou, ont mis au point le modèle à partir d’une base de données constituée au fil d’environ deux décennies de recherches.

La question centrale est celle du calendrier. Une forte perte d’espèces répartie sur des centaines de milliers d’années ne raconte pas la même histoire qu’une perte comparable concentrée sur une courte période. Les scientifiques doivent distinguer ces deux scénarios pour comprendre comment des perturbations environnementales ont provoqué des extinctions à grande échelle.

Ces résultats s’inscrivent aussi dans un débat antérieur à l’intelligence artificielle. Une synthèse publiée dans Cambridge Prisms: Extinction conclut que les cinq grandes extinctions restent les cinq événements les plus importants depuis le début de l’Ordovicien, mais qu’elles appartiennent à un continuum d’intensité des extinctions, plutôt qu’à une catégorie statistiquement distincte.

Comment les roches deviennent une chronologie

OneStrata s’appuie sur OneStratigraphy, une collection qui recense la profondeur à laquelle des millions de spécimens fossiles ont été découverts dans des séquences rocheuses provenant de dizaines de milliers de sites à travers le monde. Chaque observation contribue à situer un organisme dans l’histoire conservée en un lieu donné.

Les roches sédimentaires s’accumulent en couches appelées strates. La position d’un fossile dans ces couches aide les chercheurs à déterminer à quel moment un organisme a vécu par rapport à d’autres. Le rapprochement de nombreuses séquences leur permet d’estimer quand les espèces sont apparues, combien de temps elles ont subsisté et quand elles ont disparu.

Le rapprochement de ces données locales pose un immense problème de mise en correspondance. La présence d’une espèce dans plusieurs sites peut aider à relier leurs séquences, mais l’ensemble du travail porte sur des dizaines de milliers d’espèces et de nombreuses portions de roches incomplètes. Reconstituer un ordre cohérent à partir de toutes ces observations nécessite une importante puissance de calcul.

Les reconstitutions traditionnelles simplifient la tâche en regroupant les fossiles par intervalles de plusieurs millions d’années. Ces larges intervalles facilitent les comparaisons à l’échelle mondiale, mais compriment les changements plus brefs sur une période bien plus longue. Il devient alors difficile de distinguer une brève vague d’extinction d’un déclin prolongé.

Ce que le modèle d’IA fait différemment

Les chercheurs du Zhejiang Lab ont entraîné leur modèle à reconnaître des régularités statistiques dans les archives fossiles. L’approche présente des similitudes générales avec la façon dont un grand modèle de langage apprend les régularités d’un texte, même si elle porte sur des observations géologiques plutôt que sur des phrases.

Un modèle de langage s’appuie sur les relations apprises pour prédire le mot suivant le plus probable. OneStrata utilise les régularités de ses données d’entraînement pour prédire à quel moment un fossile donné a probablement été déposé. Ces estimations permettent de reconstituer l’évolution de la biodiversité au fil des temps géologiques.

Shen a décrit cette approche comme une avancée majeure pour l’étude des couches rocheuses et de l’évolution de la diversité :

une véritable révolution pour l’étude de la stratigraphie et de l’évolution passée de la diversité

Selon les concepteurs du modèle, sa reconstitution suggère que trois des cinq grandes extinctions correspondent à des déclins graduels de la biodiversité. La présentation des travaux ne précise pas de quels événements il s’agit ni quelle durée leur est estimée. Ces informations sont essentielles pour comparer les résultats aux données de sites fossilifères précis.

La promesse concrète de OneStrata tient à son échelle. Jusqu’ici, les chercheurs atteignaient un seuil au-delà duquel l’ajout d’espèces et le raccourcissement des intervalles entre les estimations exigeaient une quantité de calcul irréalisable. L’apprentissage de régularités à partir d’une vaste base de données offre une autre façon de surmonter cette contrainte.

L’avancée antérieure à l’origine de OneStrata

Shen et ses collègues avaient déjà démontré en 2020 l’intérêt de combiner de grands ensembles de données fossiles. Leur reconstitution, réalisée à l’aide d’un superordinateur et d’un algorithme, estimait les apparitions et les extinctions d’environ 11 000 espèces marines sur près de 300 millions d’années, avec une résolution temporelle d’environ 26 000 ans.

La synthèse de Cambridge décrit l’analyse chinoise plus précisément : 3 112 coupes rocheuses mesurées, 11 268 espèces et une résolution de 0,026 million d’années, avec une variation indiquée de 0,0149 million d’années. La méthode, appelée CONOP, cherche à déterminer l’ordre des apparitions et des disparitions fossiles qui correspond le mieux aux observations dans différentes coupes.

Le développement de ces reconstitutions s’est déroulé en plusieurs étapes :

• 1982 : David Raup et Jack Sepkoski identifient les cinq grandes extinctions à l’aide d’une analyse statistique de données sur les fossiles marins.
• 2020 : Shen et ses collègues reconstituent environ 300 millions d’années de diversité marine à partir de milliers de séquences rocheuses et à l’aide d’un superordinateur.
• 12 octobre : Shen présente les nouveaux travaux sur OneStrata lors de la réunion de la Geological Society of America à Denver.

Le gain de résolution est considérable. L’analyse initiale de 1982 utilisait des étages géologiques d’une durée moyenne de 7,4 millions d’années. Diviser 7,4 millions par 26 000 donne environ 285, ce qui illustre la réduction de la durée des intervalles dans la reconstitution de 2020. Appliquer une résolution aussi fine à des ensembles de données plus vastes est le défi que OneStrata cherche à relever.

Pourquoi le chiffre de cinq s’est imposé

Les cinq grandes extinctions sont celles de la fin de l’Ordovicien, du Dévonien supérieur, de la fin du Permien, de la fin du Trias et de la fin du Crétacé. Leur regroupement bien connu reflète leur ampleur dans les archives fossiles des animaux marins et les méthodes statistiques utilisées pour les étudier.

La synthèse sur les extinctions massives publiée dans Cambridge Prisms: Extinction explique que les recherches ultérieures ont révisé l’interprétation initiale. Ces cinq événements restent les plus importants depuis le début de l’Ordovicien, y compris dans les analyses qui tiennent compte des lacunes des archives fossiles et géologiques. Toutefois, l’intensité des extinctions s’inscrit dans un continuum, des pertes les plus modestes aux crises les plus graves.

La synthèse relève également des périodes du Cambrien et du début de l’Ordovicien où les taux d’extinction étaient supérieurs à ceux des cinq grandes extinctions. En retenir précisément cinq dépend donc du segment de l’histoire géologique que l’on choisit de comparer et de la manière dont on mesure les pertes.

Selon la synthèse, certains événements se sont produits relativement soudainement, tandis que d’autres se sont étalés sur des centaines de milliers d’années, voire davantage. OneStrata apporte une nouvelle reconstitution à un débat scientifique déjà engagé sur la diversité des trajectoires de ces crises.

Pourquoi la durée d’une extinction compte

La crise de la fin du Trias illustre la manière dont l’échelle de temps choisie peut modifier la vitesse apparente d’une crise. La synthèse de Cambridge indique que le dernier étage du Trias pourrait avoir duré jusqu’à sept millions d’années. Selon des travaux cités dans la synthèse, une crise de l’oxygène océanique associée aurait duré environ 50 000 ans, soit moins de 1 % de cette période.

Cette crise était liée à la province magmatique de l’Atlantique central, un épisode volcanique de grande ampleur. Les eaux dites anoxiques contiennent peu ou pas d’oxygène, ce qui crée des conditions dangereuses pour les animaux qui dépendent de l’oxygène dissous dans l’eau de mer.

Répartir les pertes sur l’ensemble d’un étage géologique aboutit à un taux d’extinction calculé bien inférieur à celui obtenu en les concentrant sur la crise, beaucoup plus brève. La synthèse estime que le taux réel pourrait avoir été environ 100 fois supérieur à celui calculé à partir d’intervalles mondiaux plus larges.

Les fossiles manquants compliquent aussi les estimations. Le dernier fossile découvert d’une espèce peut être antérieur à son extinction réelle, car des restes ultérieurs n’ont jamais été préservés, mis au jour ou collectés. Pour de nombreuses espèces, ces lacunes peuvent faire remonter dans le temps les dates apparentes de disparition et donner l’impression qu’un événement concentré a été plus graduel. Les paléontologues appellent ce phénomène l’effet Signor-Lipps.

Matthew Clapham, paléontologue à l’université de Californie à Santa Cruz, a évalué avec prudence le potentiel de OneStrata, en soulignant que des reconstitutions détaillées existent déjà pour certains lieux :

Nous pourrions en tirer quelques éléments supplémentaires, mais je ne sais pas si cela bouleverserait notre compréhension des choses.

Les coupes rocheuses locales et les modèles mondiaux répondent à des questions apparentées, mais à des échelles différentes. Certains sites conservent des informations détaillées sur une crise, tandis qu’une reconstitution mondiale cherche à dégager une tendance cohérente dans de nombreux lieux. Leur comparaison est essentielle pour déterminer si un déclin graduel reflète l’histoire biologique, les lacunes de la préservation ou la manière dont les archives sont combinées.

Le décompte des pertes modifie aussi le tableau

L’extinction de la fin du Permien montre pourquoi l’unité de mesure compte autant que l’échelle de temps. La synthèse de Cambridge fait état d’estimations des pertes comprises entre 56 % et 69 % au niveau des genres, selon les analyses. Un genre est un groupe d’espèces apparentées : la disparition d’un genre et celle d’une espèce ne représentent donc pas la même perte de diversité biologique.

Les paléontologues comptent souvent les genres, car les fossiles ne préservent qu’une partie de l’anatomie d’un organisme, ce qui rend l’identification des espèces plus difficile à uniformiser. Un genre peut subsister même si plusieurs de ses espèces disparaissent, à condition qu’il en reste au moins une.

La synthèse cite un calcul estimant que 81 % des espèces ont disparu lors de l’extinction de la fin du Permien, contre l’estimation haute, souvent répétée, de 96 % issue d’une analyse plus ancienne. Les deux chiffres décrivent une perte considérable, mais leur écart montre que les méthodes de conversion des pertes de genres en pertes d’espèces influent sur le résultat final.

Les entrées des bases de données ne mesurent pas toutes la même chose. À la date de publication de la synthèse, la Paleobiology Database comptait plus de 1,5 million d’occurrences issues de 225 000 collections de fossiles et de 82 000 publications. Les millions de spécimens de OneStratigraphy et leur position dans les couches rocheuses apportent un autre type d’information. L’utilité d’un ensemble de données dépend de ses observations, de sa couverture et de sa précision, autant que de sa taille.

Ce que ce débat implique pour la crise actuelle de la biodiversité

La synthèse de Cambridge fait le lien entre les extinctions anciennes et les pertes actuelles. Elle décrit le taux d’extinction actuel comme potentiellement le deuxième plus rapide du dernier demi-milliard d’années, derrière l’impact de l’astéroïde à la fin du Crétacé, tout en estimant que le nombre absolu d’extinctions à ce jour reste relativement faible par rapport à celui des plus grandes crises anciennes.

Le taux et le total des pertes décrivent des aspects différents du problème. Le taux mesure la vitesse à laquelle les espèces disparaissent. Le total mesure la part de diversité déjà perdue. Un taux rapide peut justifier une action urgente alors même qu’une grande partie des espèces subsiste.

La synthèse propose l’expression « extinction massive naissante de l’Anthropocène » comme une alternative à « sixième extinction de masse ». Le terme « naissante » indique qu’elle commence à se développer. Cette formulation traduit la conclusion des auteurs : la crise est en cours, mais une action reste possible pour l’empêcher d’atteindre l’ampleur des plus grandes extinctions anciennes.

OneStrata ramène le débat à une tâche scientifique concrète : reconstituer avec suffisamment de précision le moment où les organismes ont vécu et disparu afin de comprendre le rythme des changements. Les résultats annoncés remettent en question l’image simpliste de cinq catastrophes soudaines. Les travaux sur les fossiles décrivent déjà une histoire plus diverse, où les événements diffèrent par leur vitesse, leur ampleur et les milieux touchés.

Points clés

• OneStrata a été entraîné sur près de quatre millions de fossiles et suggère que trois des cinq grandes extinctions correspondent à des déclins graduels de la biodiversité.
• Le modèle utilise OneStratigraphy, qui recense la position des fossiles dans des séquences rocheuses provenant de dizaines de milliers de sites à travers le monde.
• Une reconstitution publiée en 2020 a suivi environ 11 000 espèces marines sur près de 300 millions d’années, avec une résolution d’environ 26 000 ans.
• Selon la synthèse de Cambridge, les cinq grandes extinctions restent les événements les plus importants depuis le début de l’Ordovicien, au sein d’un continuum d’intensité des extinctions.
• Les lacunes de la préservation, l’échelle de temps utilisée et les groupes biologiques comptabilisés influent sur les estimations de la vitesse et de la gravité des extinctions.
• La synthèse décrit le taux d’extinction actuel comme exceptionnellement élevé, tout en concluant qu’une action peut encore empêcher des pertes comparables à celles des plus grandes crises anciennes.