Cientistas da Universidade de Michigan usaram inteligência artificial para descobrir um padrão fascinante na evolução dos Passeriformes, o grande grupo de aves que inclui principalmente pássaros canoros. A sua análise sugere que estas aves não evoluíram a um ritmo constante. Em vez disso, grandes mudanças ocorrem frequentemente em explosões rápidas que se alinham com as mudanças no clima da Terra.
A teoria evolucionista há muito propõe que a vida diverge através de fases lentas seguidas por fases de mudanças rápidas. Os fósseis sugeriram que este padrão existia, mas o novo estudo identificou-o através da análise de medidas esqueléticas de espécimes de aves modernas. Os investigadores também descobriram que várias explosões evolutivas importantes ocorreram durante períodos de grandes alterações climáticas.
Evolução em explosões repentinas
“Isto é realmente importante para a teoria evolutiva porque há uma longa história, que remonta a 100 anos, de previsão do surgimento de novos grupos conhecidos como radiações evolutivas, que muitas vezes envolvem uma explosão explosiva de diversidade. A teoria evolutiva prevê que as radiações adaptativas podem ser responsáveis por uma grande parte da diversidade da vida na Terra”, disseram os autores de Zaev. Pós-doutorando na Escola de Ambiente e Sustentabilidade da UM.
“Pode ser por causa de uma nova oportunidade ambiental, ou pode ser porque um grupo se espalha para um novo continente, fazendo com que a sua taxa de evolução acelere dramaticamente. A ideia é que, ao longo do tempo, há menos oportunidades à medida que a evolução avança, e por isso abranda e acontece em pulsos ao longo do tempo. Isso é o que vemos na teoria e o que vemos como dados anteriores sobre essa teoria.”
Os resultados foram produzidos com a ajuda de inteligência artificial e um grande modelo estatístico. Os resultados são publicados Ecologia e Evolução da Natureza e foi inicialmente apoiado pela Schmidt Sciences e pela David and Lucille Packard Foundation.
IA mede milhares de esqueletos de pássaros
Para reconstruir a história evolutiva dos passeriformes, a equipe da Universidade de Michigan, incluindo o autor sênior Brian Weeks, estudou mais de 2.000 espécies e combinou mais de 170.000 medidas esqueléticas individuais.
A coleta de dados nessa escala foi possível graças ao ScaleVision, uma ferramenta de IA desenvolvida pelo Laboratório Weeks em colaboração com o laboratório de David Fuhey na Universidade de Nova York.
Fotografias de espécimes esqueléticos, que neste caso eram esqueletos de aves, são colocadas em frente a uma grade que fornece uma escala de medição consistente. Durante uma colaboração de sete anos, Weeks e Fuhe desenvolveram um modelo de IA capaz de medir com precisão 12 ossos no esqueleto de um pássaro.
Os pesquisadores usaram o sistema para digitalizar e medir mais de 15.000 espécimes de museus. A maioria pertence à coleção do Museu de Zoologia da UM. Cada espécime pode ser digitalizado em cerca de 45 segundos, permitindo aos pesquisadores digitalizar coleções inteiras do museu com muito mais eficiência do que seria possível de outra forma.
Reconstruindo 45 milhões de anos de mudança
Berv também fez um Um novo método estatístico chamado BiFrostIsso permitiu à equipe analisar todo o esqueleto de cada espécie, em vez de examinar ossos individuais isoladamente. Usando este método, os investigadores estimaram como a forma do corpo dos passeriformes mudou ao longo de cerca de 45 milhões de anos de evolução.
“Todo o organismo é uma morfologia integrada e complexa, e cada peça individual está relacionada com cada parte do corpo”, disse Burve. “A questão do ponto de vista do modelo é: ‘Qual é a sequência de mudanças evolutivas que explica a diversidade que vemos hoje?'”
A análise revelou um período de evolução particularmente rápida da forma corporal, há cerca de 35 milhões de anos. Esta explosão coincide com a transição Eoceno-Oligoceno, período marcado por intenso resfriamento global.
Os resultados estatísticos também identificaram um conjunto de desacelerações evolutivas há cerca de 15 milhões de anos, que coincidiu com outro grande evento geológico.
“Nossas descobertas definitivamente mudaram a maneira como penso sobre como o mundo funciona”, disse Weeks, professor associado de ciência e gestão de ecossistemas na Escola de Meio Ambiente e Sustentabilidade da UM. “Este padrão que encontramos de aumentos raros e grandes na taxa evolutiva e diminuições muito menores na taxa evolutiva é realmente consistente com um padrão onde as linhagens estão explorando novos nichos ecológicos e mudando rapidamente para aproveitar essa oportunidade”.
Evolução do clima e do relevo
Os investigadores examinaram então o padrão analisando a distribuição global das aves no seu conjunto de dados. Eles descobriram que a geografia também ajuda a prever as taxas médias de evolução morfológica.
As comunidades de aves em latitudes mais extremas, onde as temperaturas sazonais variam mais acentuadamente, incluem espécies que evoluem mais rapidamente do que aquelas que vivem mais perto do equador. Como padrões semelhantes apareceram ao longo de milhões de anos e em regiões geográficas modernas, os resultados sugerem que a variabilidade ambiental pode desempenhar um papel importante na condução de mudanças na forma corporal.
“Parece que há uma ligação entre gradientes latitudinais e taxas de evolução morfológica que tem sido subestimada”, disse Weeks. “Espero que os nossos resultados inspirem uma nova integração das taxas de mudança morfológica noutras grandes áreas de interesse, como o muito conhecido gradiente latitudinal na biodiversidade.”
Coleções de museus ganham novo valor por meio da IA
A obra também destaca a importância científica dos acervos museológicos. Segundo Weeks, a inteligência artificial está possibilitando extrair informações de amostras preservadas em uma escala que antigamente era difícil de imaginar.
“É especialmente claro o quão importante é investir em museus quando se pensa na escala deste tipo de análise; está além do escopo do que pode ser feito usando espécimes cedidos por um colecionador individual”, disse ele. “Também é interessante imaginar como os primeiros colecionadores estão usando os espécimes que coletam – imagino que ficariam surpresos ao saber que um computador analisou uma fotografia deste espécime. É outro exemplo de como é impossível prever o valor futuro absoluto de um espécime.”
Lições das mudanças climáticas modernas
Os investigadores dizem que as descobertas também podem ajudar os cientistas a pensar sobre como as espécies poderão responder às rápidas alterações climáticas em todo o mundo neste momento.
“Neste momento, estamos neste ponto da história humana em que há mudanças climáticas globais dramáticas, e não sabemos o que vai acontecer num período de 10 anos, mesmo num período de 10 milhões de anos”, disse Burve. “Para compreender os efeitos a longo prazo das atividades humanas na Terra, precisamos de estudar a relação entre os eventos e as mudanças evolutivas na história da Terra”.
A pesquisa foi apoiada pelo Instituto de Dados e IA na Sociedade de Michigan, pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá e pela National Science Foundation.
