进化论长期以来一直认为，生命的多样化是通过快速变化期继之以缓慢阶段的过程实现的。化石为这种模式的存在提供了线索，但这项新研究是通过分析现代鸟类标本的骨骼测量数据来识别这一模式的。研究人员还发现，几次最重要的进化爆发都发生在重大气候变化时期前后。
进化的突然爆发
“这对进化论来说非常重要，因为有着追溯至100年前的悠久历史，该理论预测新类群（称为进化辐射）的出现通常与爆炸式的多样化爆发有关。进化论预测，适应性辐射可能解释了地球上生命多样性的很大一部分，”该研究的第一作者、密歇根大学环境与可持续发展学院（U-M School for Environment and Sustainability）博士后研究员Jake Berv说。
“这可能是因为新的生态机会，也可能是因为某个类群扩散到了新的大陆，导致其进化速度急剧加速。这一观点认为，随着时间的推移，随着进化的进行，机会越来越少，因此进化速度会慢下来，而且这一过程是随时间以脉冲形式发生的。这就是理论的预测，而且这似乎也是我们在数据中观察到的情况。”
这些结果是通过人工智能和一个大型统计模型得出的。研究发现发表在《自然-生态与进化》（Nature Ecology & Evolution）杂志上，主要得到了Schmidt Sciences和戴维与露西尔·帕卡德基金会（David and Lucile Packard Foundation）的支持。
AI测量数千具鸟类骨骼
为了重建雀形目鸟类的进化历史，密歇根大学团队（包括资深作者Brian Weeks）研究了2000多个物种，并收集了超过17万条个体骨骼测量数据。
能够收集如此规模的数据归功于Skelevision，这是Weeks实验室与纽约大学David Fouhey实验室合作开发的一种AI工具。
Skelevision对标本（此处为鸟类骨骼）进行拍摄，背景是一个提供一致测量比例的网格。在长达七年的合作中，Weeks和Fouhey创建了一个AI模型，能够准确测量鸟类骨骼中的12块骨头。
研究人员使用该系统扫描并测量了超过15,000件博物馆标本。大部分标本来自密歇根大学动物学博物馆（U-M Museum of Zoology）的馆藏。每件标本的扫描时间约为45秒，使研究人员能够以远超以往的效率将整个博物馆馆藏数字化。
重建4500万年的变化
Berv还创建了一种名为bifrost的新统计方法，这使得团队能够分析每个物种的完整骨骼，而不是孤立地检查单个骨骼。利用这种方法，研究人员估算了雀形目鸟类在大约4500万年的进化过程中体型是如何变化的。
“整个生物体是一个整合的、复杂的形态体，每一个单独的部分都与身体的其他部分相互关联，”Berv说，“从模型的角度来看，问题是：‘需要发生怎样的进化变化序列，才能解释我们今天看到的变异？’”
分析显示，在大约3500万年前，存在一段体型进化特别迅速的时期。这次爆发与始新世-渐新世过渡期（Eocene-Oligocene transition）重合，这是一个以全球剧烈降温为特征的时期。
统计结果还识别出在大约1500万年前有一群进化减速期，这与另一个主要的地质事件相吻合。
“我们的发现确实改变了我对世界运作方式的看法，”密歇根大学环境与可持续发展学院生态系统科学与管理副教授Weeks说，“我们发现的这种模式——罕见的进化速率大幅上升和许多小幅下降——与以下模式非常一致：谱系正在探索新的生态空间，并迅速发生变化以利用这一机会。”
气候与地理塑造进化
研究人员随后通过分析数据集中鸟类的全球分布来检验这一模式。他们发现，地理因素也有助于预测形态进化的平均速率。
在纬度更极端的地区，季节性温度变化更为剧烈，那里的鸟类群落往往包含进化速度比生活在赤道附近物种更快的物种。由于类似的模式既出现在数百万年的跨度中，也出现在现代地理区域中，这些发现表明环境变异性可能在驱动体型变化方面发挥重要作用。
“看起来纬度梯度与形态进化速率之间存在一种被低估的联系，”Weeks说，“我希望我们的发现能激发将形态变化速率整合到其他重要研究领域中，例如众所周知的生物多样性纬度梯度。”
博物馆馆藏通过AI获得新价值
这项工作也凸显了博物馆馆藏的科学重要性。据Weeks介绍，人工智能使得从保存的标本中提取信息成为可能，其规模在过去是难以想象的。
“当你想到像这样规模的分析时，投资博物馆的重要性就尤为明显；这远远超出了利用个人收藏家提供的标本所能做到的范围，”他说，“想象一下早期的收藏家会如何看待我们使用他们收集的标本也很有趣——我想，如果得知计算机已经分析了这些标本的照片，他们一定会感到震惊。这只是另一个例子，说明预见标本的全部未来价值是多么不可能。”
对现代气候变化的启示
研究人员表示，这些发现也可能有助于科学家思考物种如何应对目前正在全球范围内迅速展开的气候变化。
“此时此刻，我们正处于人类历史上全球气候变化剧烈的时期，我们甚至不知道10年后会发生什么，更不用说1000万年后的时期了，”Berv说，“要想有机会了解人类活动对地球的长期影响，我们必须研究地球历史上的事件与进化转变之间的关系。”
该研究还得到了密歇根大学社会数据与人工智能研究所、加拿大自然科学与工程研究委员会以及美国国家科学基金会的支持。