Une équipe de chercheurs utilise des techniques d'analyse de réseau - popularisées par des applications de médias sociaux - pour trouver des modèles dans l'histoire naturelle de la Terre, comme détaillé dans un article publié aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ). En utilisant l'analyse de réseau pour rechercher des communautés de vie marine dans les archives fossiles de la base de données de paléobiologie, l'équipe, y compris des chercheurs de l'Institut polytechnique Rensselaer, a pu quantifier les impacts écologiques d'événements majeurs tels que les extinctions de masse et peut nous aider à anticiper les conséquences d'une "sixième extinction de masse".

"L'analyse de réseau peut transformer en une forme digeste des bases de données si énormes qu'il est impossible de regarder des portions substantielles des données dans leur ensemble, " dit Peter Fox, titulaire de la chaire Tetherless World Constellation et professeur de sciences de la terre et de l'environnement, l'informatique, et sciences cognitives à Rensselaer.

"La puissance de notre approche est que les données multidimensionnelles intégrées dans le réseau peuvent informer et découvrir des tendances dans les données, transformer une grille infinie de nombres en une image qui révèle plusieurs relations en un coup d'œil."

L'approche de l'équipe offre une nouvelle perspective sur les impacts écologiques des extinctions d'espèces actuelles, dit Drew Muscente, chercheur postdoctoral à l'Université Harvard et auteur principal de l'article. Compte tenu du taux de disparition d'espèces au cours des derniers siècles, de nombreux scientifiques soupçonnent que la Terre est au milieu de la sixième extinction de masse.

"Les archives fossiles contiennent des preuves d'extinctions massives répétées. Les données sur la façon dont les anciennes communautés d'organismes ont changé au cours de ces événements peuvent nous aider à comprendre les conséquences potentielles de la crise actuelle de la biodiversité, " a déclaré Muscente. " Notre travail montre que cette crise, peu importe comment vous l'appelez, peuvent altérer irrémédiablement les communautés d'organismes et leurs écosystèmes de manière surprenante, qui ne peut pas être prédit avec d'autres méthodes."

Une image qui se dégage de l'analyse est un classement de l'impact écologique des événements majeurs, avec le grand événement de biodiversité de l'Ordovicien ayant le plus grand effet sur l'écologie, suivi par ordre décroissant du Permien-Trias, Crétacé-Paléogène, Dévonien, et les extinctions de masse du Trias-Jurassique. L'analyse montre que l'extinction massive de l'Ordovicien a peut-être eu moins d'impact écologique que prévu, et également, l'importance de l'extinction du Dévonien peut être sous-estimée.

Les chercheurs de Fox et Rensselaer Anirudh Prabhu, Hao Zhong, et Ahmed Eleish ont rejoint l'auteur principal Muscente et Andrew Knoll de l'Université Harvard, et Michael B. Meyer et Robert Hazen de la Carnegie Institution for Science sur la recherche, qui s'étend sur une suite de travaux antérieurs appliquant l'analyse de réseau aux données de minéralogie. Leur travail est financé par une subvention de trois ans du W.M. Fondation Keck.

"Le travail révolutionnaire rapporté dans cet article illustre comment l'analyse de données de nouvelle génération créée pour un domaine peut transformer d'autres domaines d'études, " a déclaré le professeur Curt M. Breneman, doyen de la Rensselaer School of Science. "Cela donne un aperçu de l'impact de la science axée sur les données au 21e siècle."

L'analyse des réseaux sociaux peut être utilisée pour identifier des groupes d'amis, transmission de maladies, et les groupes extrémistes en identifiant les communautés de personnes - dont les attributs communs comme l'emplacement, intérêts, ou le genre révèlent leur association en l'absence d'une déclaration pure et simple - sur les réseaux sociaux. Tout comme l'analyse de réseau révèle des communautés de personnes, les chercheurs peuvent utiliser l'analyse de réseau des bases de données des sciences de la Terre et de la vie pour découvrir des associations d'organismes anciens (par exemple, espèces et genres) qui vivaient dans le passé et apprendre comment ces "paléocommunautés" ont changé au fil du temps, dit Renard.

Dans des travaux antérieurs, l'équipe a appliqué l'analyse de réseau à une base de données minéralogique. Chaque minéral enregistré a été défini par pas moins de 17 attributs - des aspects comme la composition chimique, mode de formation, emplacement - et les résultats, tel que publié dans American Mineralogist, prédit l'existence de 1, 500 minéraux non encore découverts, dont au moins 14 ont été retrouvés depuis. Des travaux récents sur l'analyse de réseau de données minéralogiques ont également été publiés dans American Mineralogist et International Journal of Geo-Information.

Dans l'article du PNAS, intitulé "Quantification de l'impact écologique des extinctions de masse avec analyse en réseau des communautés fossiles, " l'équipe s'est attaquée à la base de données de paléobiologie, un "non gouvernemental, ressource publique à but non lucratif de données paléontologiques." La base de données contient des données sur les emplacements, âge, environnements, et les affinités des fossiles, représentant plus de 350, 000 taxons anciens conservés à plus de 190, 000 points d'échantillonnage de collection de fossiles à travers le monde au cours des 600 derniers millions d'années de l'histoire de la Terre. L'équipe a limité son ensemble de données aux occurrences de fossiles d'animaux marins qui vivaient dans l'éon phanérozoïque, l'intervalle de temps qui a commencé avec l'explosion de la vie animale il y a 541 millions d'années et se poursuit jusqu'à nos jours.

Dans les réseaux d'auteurs, chaque taxon fossile (par exemple, ordre, famille, ou genre) devient un "nœud, " qui peut être visualisé dans les graphes de réseau sous la forme d'un point. Les nœuds sont connectés les uns aux autres si ces organismes vivaient ensemble et ont été fossilisés sur les mêmes sites dans le passé. Cette approche aboutit à l'organisation des nœuds en clusters, qui représentent d'anciennes communautés d'animaux marins et peuvent être identifiés à l'aide de méthodes informatiques et statistiques. Parce que les taxons (et les communautés) naissent et disparaissent au fil du temps, l'âge géologique se manifeste comme un aspect implicite de la structure du réseau. Dans les graphiques, les taxons et les communautés qui ont vécu à différentes époques de l'histoire de la Terre sont répartis dans les réseaux, les distances entre les nœuds étant directement liées à l'intervalle de temps séparant leurs âges. Globalement, le diagramme de réseau résultant décrit des aspects tels que la densité du réseau à différentes périodes, le degré de centralité des nœuds et des groupes de nœuds, le nombre de connexions entre les nœuds, et plus. Pour représenter encore plus d'attributs, l'équipe passe à la représentation en trois dimensions et en réalité virtuelle. Le résultat, dit Renard, est "une fraction très substantielle de la base de données de paléobiologie dans un seul graphique."

L'approche se prête à de nouvelles découvertes, pas seulement sur les fossiles eux-mêmes, mais "sur la correspondance entre les fossiles et l'environnement dans lequel ils vivaient, " a déclaré Fox. Dans le résultat PNAS, les chercheurs utilisent les archives fossiles pour quantifier les impacts des extinctions, mais en combinant les données des archives fossiles avec les informations des archives minérales, les chercheurs espèrent que l'analyse du réseau pourrait conduire à d'autres informations sur l'évolution du système Terre, par exemple, comment la vie et les environnements ont changé en réponse à l'oxygénation atmosphérique ou au passage de conditions riches en azote à des conditions pauvres en azote.

"Quand nous combinons ce travail, nous aurons un réseau multicouche où nous pourrons regarder la correspondance entre le réseau fossile et le réseau minéral, " a déclaré Fox. "Et cela n'a jamais été fait auparavant."

La recherche sur l'analyse de réseau des bases de données des sciences de la Terre et de la vie remplit le New Polytechnic, un paradigme émergent pour l'enseignement supérieur qui reconnaît que les défis et les opportunités mondiaux sont si grands qu'ils ne peuvent pas être traités de manière adéquate même par la personne la plus talentueuse travaillant seule. Rensselaer sert de carrefour pour la collaboration—travaillant avec des partenaires de toutes les disciplines, secteurs, et les régions géographiques—pour relever des défis mondiaux complexes, en utilisant les outils et technologies les plus avancés, dont beaucoup sont développés à Rensselaer. La recherche à Rensselaer aborde certains des défis technologiques les plus urgents au monde, de la sécurité énergétique et du développement durable à la biotechnologie et à la santé humaine. Le New Polytechnic est transformateur dans l'impact mondial de la recherche, dans sa pédagogie innovante, et dans la vie des étudiants de Rensselaer.