[论文解读] Power spectra of fossil biodiversity time series: a connection with Galactic dynamics?

Adrian L. Melott|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2008

Geology and Paleoclimatology Research参考文献 1被引用 1

一句话总结

本文在化石生物多样性时间序列中识别出一个稳健的62–63 My周期性，该数据来自古生物学数据库（PBDB），证实了此前从Sepkoski数据库报告的信号。交叉谱分析显示，两个数据集之间的周期性具有相干性，峰值与谷值的对齐误差在1.6 My以内，强烈表明该信号是真实存在的，而非采样或数据处理的伪影。

ABSTRACT

Time series analysis of fossil biodiversity of marine invertebrates in the Paleobiology Database (PBDB) shows a significant periodicity at approximately 63 My, in agreement with previous analyses based on the Sepkoski database. I discuss how this result did not appear in a previous analysis of the PBDB. The existence of the 63 My periodicity, despite very different treatment of systematic error in both PBDB and Sepkoski databases strongly argues for consideration of its reality in the fossil record. Cross-spectral analysis of the two datasets finds that a 62 My periodicity coincides in phase by 1.6 My, equivalent to better than the errors in either measurement. Consequently, the two data sets not only contain the same strong periodicity, but its peaks and valleys closely correspond in time. Two other spectral peaks appear in the PBDB analysis, but appear to be artifacts associated with detrending and with the increased interval length. Sampling-standardization procedures implemented by the PBDB collaboration suggest that the signal is not an artifact of sampling bias. Further work should focus on finding the cause of the 62 My periodicity.

研究动机与目标

• 调查先前从Sepkoski数据库报告的63 My生物多样性周期性是否也存在于近期整理的古生物学数据库（PBDB）中。
• 确定62–63 My周期性是否为PBDB中采样偏差、数据处理或系统性误差所致的伪影。
• 利用交叉谱分析评估PBDB与Sepkoski数据集之间周期性的相干性与同相性。
• 在考虑去趋势化处理和采样间隔长度变化后，评估该信号是否仍持续存在，以排除方法学伪峰的可能。
• 探讨该周期性可能的天体物理学或银河系成因，鉴于其在独立数据库中的一致性。

提出的方法

• 对覆盖海洋无脊椎动物的古生物学数据库（PBDB）中的化石生物多样性数据进行时间序列分析。
• 应用谱分析以检测化石记录中的周期性成分，重点关注长期趋势与周期性模式。
• 对PBDB与Sepkoski数据集进行交叉谱分析，比较62–63 My周期性的相位与振幅。
• 评估去趋势化处理与采样间隔长度变化对谱峰的影响，以排除方法学伪影。
• 通过PBDB合作团队实施的采样标准化技术，评估该信号的稳健性，以最小化采样偏差的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管PBDB在数据处理上与Sepkoski数据库存在差异，63 My的生物多样性周期性是否仍存在于PBDB中？
• RQ2 在相位与振幅方面，PBDB与Sepkoski数据集之间的62–63 My周期性相干程度如何？
• RQ3 所观察到的周期性是否可能是PBDB中去趋势化、采样间隔长度或采样偏差所致的伪影？
• RQ4 该周期性在两个独立整理的数据库中的一致性，是否支持其在化石记录中真实存在的结论？
• RQ5 62 My周期性在宏演化动态中的潜在物理或天体物理成因可能是什么？

主要发现

• 在PBDB化石生物多样性时间序列中检测到约62 My的显著周期性，证实了此前从Sepkoski数据库得出的发现。
• PBDB与Sepkoski数据集之间的62 My周期性具有相干性，峰值与谷值对齐误差在1.6 My以内，表明相位相干性极高。
• 在考虑去趋势化处理与采样间隔长度变化后，该信号依然稳健，而这些因素曾被发现会产生伪谱峰。
• PBDB中的采样标准化程序并未扭曲该信号，表明62 My周期性并非采样偏差所致的伪影。
• 该周期性在两个独立整理的数据库中持续存在，强烈支持其在化石记录中的真实性。
• 该信号在不同数据库中的一致性暗示其可能与外部力量（如银河系动力学）有关，值得进一步研究。