一项新的研究表明，海洋动物之间的进化“军备竞赛”已经彻底改变了海洋生态系统，其规模类似于全球灾难造成的大规模灭绝。瑞典朱莫大学和佛罗里达州自然历史博物馆的科学家利用古生物数据库建立了一个多层次的计算机模型，记录了过去5亿年海洋生物的历史。他们对化石记录的分析与古生物学家J.John Sepkoski在1981年的一项开创性研究密切相关，但有一个关键的区别。
塞普科斯基开创性的统计工作表明，大约在4.9亿年前和2.5亿年前，整个海洋的生物多样性发生了变异，对应着两次大灭绝。这些事件将海洋生物分为他所说的“三大进化动物群”，每一个都由一个独特的动物群控制。但第四个模型揭示了这一点。
大约2.5亿至6600万年前，捕食性海洋动物与其猎物之间为生存而展开的激烈斗争，可能是重塑海洋多样性的一股同样强大的力量，正如我们今天看到的那样。第三个大的变化要比前一个渐进得多。它是由生物体而不是外部过程驱动的。
这项研究的主要作者亚历克西斯·罗哈斯（Alexis Rojas）在佛罗里达大学获得博士学位，他说：“我们所了解到的是，并非所有动物生命的重大变化都与大灭绝有关。罗哈斯现在是乌马尔大学跨学科研究中心综合科学实验室的博士后研究员。
这份报告的合著者Michal Kowalewski说，许多科学家长期以来认为，火山活动、小行星撞击或气候变化等外部因素是地球生物圈发生重大变化的主要驱动力。Kowalewski是Rojas的博士生导师，也是佛罗里达博物馆汤普森无脊椎动物古生物学的主席。
“化石记录告诉我们，生命史上的一些关键转变是由突然的外部因素引起的快速变化。但这项研究表明，一些主要的转变是渐进的，可能是由生物体之间的生物相互作用所驱动。
塞普科斯基的工作之所以如此具有革命性，原因之一是他用数学方法解决了一个实际问题：化石记录如此庞大和复杂，人们只能通过观察标本来辨别潜在的生命模式。他在1981年对这项研究的介绍中写道：“当我们单独或以小组的形式研究它的组成部分时，它们的形式、功能、相互作用和历史复杂性往往显得不堪重负，几乎是无限的。”
他认为，将这些组件组织成系统的层次结构可以提供更完整的视图。塞普科斯基的模型将5亿年的海洋生物划分为三大朝代，每一个朝代都有大规模的灭绝，为新群体的繁荣和统治扫清了道路。在三叶虫统治之后，被称为腕足动物的动物和一些古老的珊瑚和氨化动物出现了。在二叠纪末大灭绝之后，它们被蜗牛、蛤蜊、甲壳类动物、现代珊瑚和各种多骨鱼类所取代。
科瓦列夫斯基说，塞普科斯基的假说从根本上改变了科学家对生命史的思考方式。它提供了一个有组织的方式来了解海洋生态系统的历史-总的故事情节和情节转变。科瓦列夫斯基说，但随着我们对化石记录的了解，塞普科斯基也面临着如何分析如此庞大而复杂的信息的困境。
他说：“现在有数百万的化石标本被记录在案，我们的大脑无法处理如此庞大的古生物学数据档案。”幸运的是，分析方法的不断改进为我们提供了一种更好的方法来提取和检查隐藏在这些极其复杂的数据中的信息。”
Rojas通过使用数据建模的最新发展来解决这个挑战。具体来说，他对使用复杂的网络工具来创建更好的化石记录感兴趣。与古生物学中的其他方法不同，复杂网络使用表示物理和抽象变量的节点链接结构来发现给定系统中的潜在模式。网络方法可以应用于社会现象——例如，展示Facebook用户如何与平台上的朋友互动——但也可以应用于复杂的自然系统。和塞普科斯基一样，罗哈斯也是一位受过古典训练的古生物学家，他在寻找化石记录的新视角。
“在许多尺度上，有许多过程同时发生：在你们的社区，在你们的国家，在整个地球上。现在想象一下一天、一年或500年后会发生什么。”我们所做的是试图跨时间理解所有这些事情。”
一个简单的网络可能由一个单层组成——记录所有动物的生命和它们生活的地方。但是罗哈斯和他的同事们的网络使用不同的时间间隔作为独立的层，这是以前的宏观进化研究所缺乏的特征。结果是罗哈斯描述的一个新的、抽象的化石记录，它是对博物馆所收集标本所代表的物理化石记录的补充。
“这很重要，因为我们提出的问题，我们研究的过程，发生在不同的时间和空间尺度上，”罗哈斯说我们后退了几步，所以我们可以看看整个化石记录。通过这样做，我们可以探索各种各样的问题。”
罗哈斯说：“我们的海洋生物互动地图显示了更小的动物群体以及它们在每个进化群体中的相互作用。”在最基本的层面上，这张地图显示了海洋中有特定动物的区域。我们所看到的积木是动物个体本身。”
这个复杂的网络显示了Sepkoski的模型无法捕捉到的东西：海洋生物的逐渐转变与中生代海洋革命相吻合，这场海洋革命始于大约1.5亿年前。这场革命最早出现在20世纪70年代，它是由海洋食肉动物如骨鱼、甲壳类动物和蜗牛的迅速增加引起的。从那时起，它们一直在海洋中占据主导地位。它们的繁殖使它们的猎物更加灵活，可以躲在海底，也可以通过加厚盔甲、发育脊椎或提高身体部位的再生能力来增强它们的防御能力。
塞普科斯基知道中生代的海洋革命，但他的模式受到当时方法和数据的限制，无法区分渐变前后的海洋生态系统。罗哈斯和他的同事们已经证明，物理和生物过程在塑造海洋生物的最高水平上起着关键作用。
罗哈斯说：“我们把两个假说——中生代海洋革命和三个进化动物群——整合到一个故事中。”模型显示的不是生命的三个阶段，而是四个阶段。”