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近日，Science Advances在線發(fā)表上海交通大學(xué)海洋學(xué)院/海底科學(xué)與劃界全國重點實驗室海底微生物與環(huán)境演化團(tuán)隊研究論文 “Machine learning-based paleobathymetric reconstructions using archaeal lipid biomarkers”。論文第一作者為海洋學(xué)院博士生周佳鳴，通訊作者為董良副研究員，合作者為海洋學(xué)院康杜娟副教授與碩士生陳詩潔。該研究綜合利用機器學(xué)習(xí)與古菌脂類生物標(biāo)志物（GDGT），構(gòu)建了海洋古水深定量重建新指標(biāo)/新模型，為海底動力過程及構(gòu)造—海洋—氣候耦合研究提供了新方法。

古海洋水深重建是揭示構(gòu)造運動、海平面波動與氣候系統(tǒng)演變的重要基礎(chǔ)，但長期以來缺乏穩(wěn)定、可靠的水深定量代用指標(biāo)。甘油二烷基甘油四醚（GDGT）作為典型古菌脂類生物標(biāo)志物，已廣泛用于古海水溫度重建。近年來研究提示 GDGT 組成亦受水深影響，為開發(fā)新的古水深代用指標(biāo)提供了重要線索。

本研究基于全球海洋表層沉積物中的類異戊二烯 GDGT（isoGDGT）與羥基 GDGT（OH-GDGT）數(shù)據(jù)，系統(tǒng)解析了 GDGT 組成隨水深變化的規(guī)律，并引入隨機森林等機器學(xué)習(xí)方法建立古水深定量預(yù)測模型。結(jié)果表明，聯(lián)合使用 isoGDGT 與 OH-GDGT 的模型預(yù)測性能最佳（模型解釋度 R2 可達(dá) 0.85，均方根誤差 RMSE 為 646 m），實現(xiàn)了全球尺度上可量化、可推廣的古水深預(yù)測框架（圖1）。在機制解釋方面，研究進(jìn)一步結(jié)合 SHAP 等可解釋機器學(xué)習(xí)分析發(fā)現(xiàn)：隨水深增加，GDGT 環(huán)化程度整體呈降低趨勢；泉古菌醇及其異構(gòu)體的豐度變化可能反映了古菌對高壓深水環(huán)境的膜適應(yīng)機制，從而在分子層面建立了微生物響應(yīng)與水體深度之間的潛在聯(lián)系。

圖1. 研究所涉及 GDGT 分子結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)集特征與模型性能。（A）isoGDGT 與 OH-GDGT 的化學(xué)結(jié)構(gòu)；（B）全球海洋表層沉積物 GDGT 數(shù)據(jù)集的主成分分析（PCA）分布（不含 GDGT-0）；（C、D）隨機森林模型水深預(yù)測的 R2 與 RMSE。

為驗證模型的地質(zhì)應(yīng)用價值，研究團(tuán)隊將該模型應(yīng)用于澳大利亞西北大陸架大洋鉆探（IODP）U1461 鉆孔，重建了該區(qū)域過去約 600 萬年的水深演變歷史（圖2）。重建結(jié)果與傳統(tǒng)有孔蟲指標(biāo)所揭示的構(gòu)造演化趨勢一致，并進(jìn)一步提出該區(qū)域古水深變化可能通過影響南極中層水入侵過程，進(jìn)而調(diào)控包括利文洋流在內(nèi)的暖流系統(tǒng)強度演變，為理解構(gòu)造—海洋—氣候耦合機制提供了新的視角。

圖2. U1461 站位過去約 600 萬年古水深重建結(jié)果。（A）基于 isoGDGT 模型的重建；（B）基于 OH-GDGT 模型的重建；（C）基于 isoGDGT + OH-GDGT 聯(lián)合模型的重建；淺藍(lán)色陰影表示各模型的不確定度（RMSE）。

該研究融合機器學(xué)習(xí)與脂類地球化學(xué)，構(gòu)建了基于古菌脂類生物標(biāo)志物的古水深定量重建新框架，拓展了脂類生物標(biāo)志物在古環(huán)境研究中的應(yīng)用維度。這一進(jìn)展不僅推動了古海洋學(xué)方法體系的發(fā)展，也為在微生物生理機制與宏觀地質(zhì)過程之間建立可量化聯(lián)系提供了新思路。

本研究得到國家重點研發(fā)計劃（2022YFC2805403）、國家自然科學(xué)基金（42472370、W2511038）、上海交通大學(xué)2030計劃（WH510244001）、海底科學(xué)與劃界全國重點實驗室自主課題（SGLabZZKT2025-09）以及“海洋負(fù)碳排放（ONCE）”項目支持。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz3284

來源：上海交通大學(xué)海洋學(xué)院

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