Ett team av forskare använder nätverksanalystekniker - populariserade genom sociala medier - för att hitta mönster i jordens naturhistoria, som beskrivs i ett papper publicerat idag i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). Genom att använda nätverksanalys för att söka efter gemenskaper i marint liv i fossilregistren i Paleobiology Database, laget, inklusive forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute, kunde kvantifiera de ekologiska effekterna av stora händelser som massutrotningar och kan hjälpa oss att förutse konsekvenserna av en "sjätte massutrotning".

"Nätverksanalys kan förvandlas till en lättsmält databas så stor att det är omöjligt att titta på stora delar av data helt och hållet, sa Peter Fox, en Tetherless World Constellation-stol och professor i jord- och miljövetenskap, datavetenskap, och kognitionsvetenskap vid Rensselaer.

"Kraften i vårt tillvägagångssätt är att flerdimensionella data inbäddade i nätverket kan informera och upptäcka trender i data, förvandla ett oändligt rutnät av siffror till en bild som avslöjar flera relationer på ett ögonkast."

Teamets tillvägagångssätt ger ett nytt perspektiv på de ekologiska effekterna av dagens utrotning av arter, sa Drew Muscente, en postdoktor vid Harvard University och huvudförfattare på tidningen. Med tanke på hur många arter som har försvunnit under de senaste århundradena, många forskare misstänker att jorden är mitt uppe i den sjätte massutrotningen.

"Fossilregistret innehåller bevis på upprepade massutrotningar. Data om hur forntida samhällen av organismer förändrades under dessa händelser kan hjälpa oss att förstå de potentiella konsekvenserna av den nuvarande biologiska mångfaldskrisen, " sade Muscente. "Vårt arbete visar att denna kris, oavsett vad du kallar det, kan irreparabelt förändra samhällen av organismer och deras ekosystem på några överraskande sätt, som inte kan förutsägas med andra metoder."

En bild som framkommer från analysen är en rangordning av de ekologiska effekterna av stora evenemang, med den stora biodiversifieringshändelsen i ordovicium som har den största effekten på ekologi, följt i fallande ordning av perm-trias, Krita-paleogen, Devon, och trias-jura massutrotningar. Analysen visar att den ordoviciska massutrotningen kan ha haft mindre ekologisk påverkan än tidigare uppskattat, och likaså, betydelsen av utrotningen av Devon kan vara underskattad.

Fox och Rensselaers forskare Anirudh Prabhu, Hao Zhong, och Ahmed Eleish gick med huvudförfattaren Muscente och Andrew Knoll från Harvard University, och Michael B. Meyer och Robert Hazen från Carnegie Institution for Science om forskningen, som expanderar på en svit av tidigare arbete som tillämpar nätverksanalys på mineralogidata. Deras arbete finansieras med ett treårigt bidrag från W.M. Keck Foundation.

"Det banbrytande arbetet som rapporteras i den här artikeln illustrerar hur nästa generations dataanalys som skapats för en domän kan omvandla andra studieområden, sade professor Curt M. Breneman, dekanus vid Rensselaer School of Science. "Detta ger en blick framåt i effekterna av datadriven vetenskap på 2000-talet."

Analys av sociala nätverk kan användas för att identifiera grupper av vänner, överföring av sjukdomar, och extremistgrupper genom att identifiera grupper av människor - vars gemensamma egenskaper som plats, intressen, eller kön avslöjar sin förening utan en direkt förklaring - på sociala medier. Precis som nätverksanalys avslöjar gemenskaper av människor, forskare kan använda nätverksanalys av jord- och biovetenskapliga databaser för att upptäcka associationer av forntida organismer (t.ex. arter och släkten) som levde i det förflutna och lär sig något om hur dessa "paleogemenskaper" förändrades över tiden, sa Fox.

I tidigare arbeten, teamet tillämpade nätverksanalys på en mineralogisk databas. Varje inspelat mineral definierades av så många som 17 attribut - aspekter som kemisk sammansättning, form av bildning, plats - och resultaten, som publicerats i American Mineralogist, förutspådde förekomsten av 1, 500 ännu oupptäckta mineraler, av vilka minst 14 har hittats sedan dess. Det senaste arbetet med nätverksanalys av mineralogiska data har också publicerats i American Mineralogist och International Journal of Geo-Information.

I PNAS-tidningen, med titeln "Kvantifiera ekologisk påverkan av massutrotningar med nätverksanalys av fossila samhällen, "teamet tog itu med paleobiologidatabasen, en "icke-statlig, ideell offentlig resurs för paleontologiska data. "Databasen innehåller data om platserna, åldrar, miljöer, och fossilers affinitet, representerar mer än 350, 000 gamla taxa bevarade på mer än 190, 000 provtagningsplatser för fossil insamling runt om i världen under de senaste 600 miljoner åren av jordens historia. Teamet begränsade sin datauppsättning till förekomster av fossiler av marina djur som levde i Phanerozoic Eon, tidsintervallet som började med explosionen av djurlivet för 541 miljoner år sedan och fortsätter till våra dagar.

I författarnas nätverk, varje fossil taxon (t.ex. beställa, familj, eller genus) blir en "nod, " som kan visualiseras i nätverksgrafer som en prick. Noderna är kopplade till varandra om dessa organismer levde tillsammans och fossiliserades på samma platser tidigare. Detta tillvägagångssätt resulterar i att noder organiseras i kluster, som representerar forntida samhällen av marina djur och kan identifieras med hjälp av beräknings- och statistiska metoder. Eftersom taxa (och samhällen) uppstår och dör ut med tiden, geologisk ålder manifesterar sig som en implicit aspekt av nätverksstruktur. I graferna, taxa och samhällen som levde vid olika tidpunkter i jordens historia är fördelade över nätverken, där avstånden mellan noderna är direkt relaterade till tidsintervallet som skiljer deras åldrar åt. Övergripande, det resulterande nätverksdiagrammet visar aspekter som nätverkets täthet vid olika tidsperioder, graden av centralitet för noder och grupper av noder, antalet anslutningar mellan noder, och mer. För att representera ännu fler attribut, teamet går in i representation i tredimensioner och virtuell verklighet. Resultatet, sa Fox, är "en mycket betydande del av paleobiologidatabasen i en enda graf."

Tillvägagångssättet lämpar sig för nya upptäckter, inte bara om själva fossilerna, men "om överensstämmelsen mellan fossilerna och miljön de levde i, " sa Fox. I PNAS-resultatet, forskare använder fossilregistret för att kvantifiera effekterna av utrotningar, men genom att kombinera data från fossilregistret med information från mineralregistret, forskarna hoppas att nätverksanalys kan leda till andra insikter om utvecklingen av jordsystemet, till exempel, hur liv och miljö förändrades som svar på atmosfärisk syresättning eller förändringen från kväverika till kvävefattiga förhållanden.

"När vi kombinerar detta arbete, vi har ett nät med flera lager där vi kan titta på korrespondensen mellan det fossila nätverket och mineralnätet, "sa Fox." Och det har aldrig gjorts tidigare. "

Forskning om nätverksanalys av jord- och biovetenskapliga databaser uppfyller The New Polytechnic, ett framväxande paradigm för högre utbildning som inser att globala utmaningar och möjligheter är så stora att de inte kan hanteras på ett adekvat sätt av ens den mest begåvade personen som arbetar ensam. Rensselaer fungerar som ett vägskäl för samarbete – att arbeta med partners över discipliner, sektorer, och geografiska regioner – för att hantera komplexa globala utmaningar, använda de mest avancerade verktygen och teknikerna, många av dem är utvecklade på Rensselaer. Forskningen vid Rensselaer tar upp några av världens mest pressande tekniska utmaningar – från energisäkerhet och hållbar utveckling till bioteknik och människors hälsa. Den nya yrkeshögskolan är transformerande i den globala inverkan av forskning, i sin innovativa pedagogik, och i livet för studenter på Rensselaer.