Нашій планеті мільярди років, і протягом цього часу вона була свідком зародження та еволюції життя. Проте сліди найдавніших життєвих форм – надзвичайно крихкі й невловимі. Мільйони років ці скам’янілі залишки, від мікроскопічних клітин до цілих мікробних матів, піддавалися впливу нещадних геологічних процесів: їх ховало під шарами порід, стискало, нагрівало та руйнувало тектонічними зсувами земної кори. У результаті більшість інформації про те, як життя виникло і розвивалося, була стерта, лишивши науковців із вкрай обмеженими даними.
Для вивчення найдавнішого життя на Землі палеобіологи – вчені, що досліджують історію життя на основі викопних решток – здебільшого покладаються на скам’янілості. Це можуть бути мізерні залишки одноклітинних організмів та нитчастих структур, а також мінералізовані сліди мікробних матів та шаруватих строматолітів. Строматоліти – це унікальні шаруваті карбонатні споруди, що утворюються внаслідок діяльності колоній ціанобактерій та інших мікроорганізмів, які є одними з найстаріших відомих форм життя на Землі, що свідчать про існування життя щонайменше 3,5 мільярда років тому. Однак таких скам’янілостей вкрай мало. Науковці також шукають давні біомолекули в гірських породах. Деякі з найстійкіших молекул здатні виживати до 1,7 мільярда років, а ізотопи в старіших породах припускають існування життя вже 3,5 мільярда років тому. Проте більшість давніх порід втратили ці свідчення; тепло та тиск роздробили ці молекули на крихітні, неінформативні фрагменти.
Революція у палеобіології: Штучний інтелект розшифровує хімічні “відлуння”
Однак зараз, завдяки передовим досягненням хімії та штучного інтелекту, команда дослідників з Інституту Карнегі здійснила прорив. Вони виявили нові хімічні сліди найдавнішого життя Землі у породах віком 3,3 мільярда років. Дослідження, опубліковане у виданні «Праці Національної академії наук» (Proceedings of the National Academy of Sciences), також надає докази того, що кисневий фотосинтез – процес, за допомогою якого організми перетворюють світлову енергію на хімічну, виділяючи кисень, – зародився на 800 мільйонів років раніше, ніж вважалося.
Це новаторське дослідження ґрунтується на ідеї, що життя вибирає молекули для виконання конкретних функцій, на відміну від того, що ми спостерігаємо в метеоритах чи іншій неживій хімії. Живі клітини виробляють певні молекули у великих кількостях, кожна з яких відіграє свою роль. Нова робота демонструє, що навіть коли давні біомолекули зникають, структура їхніх фрагментів у старих породах все ще може розкривати підказки про минуле життя.
Методика дослідження та масштабний аналіз
Команда проаналізувала 406 зразків з органічними молекулами, використовуючи піролізну газову хроматографію та мас-спектрометрію. Серед них було 141 давня осадова порода (віком від 3,8 мільярда до 10 мільйонів років), 65 зразків, багатих на скам’янілості, такі як вугілля та нафтовий сланець, а також 123 сучасні рослини, тварини та гриби. Дослідники також вивчили 42 метеорити та 35 органічних сумішей, створених у лабораторії, щоб порівняти живі та неживі джерела.
Із 406 зразків 272 були розподілені за дев’ятьма категоріями для машинного навчання: сучасні тварини – від нещодавно померлих безхребетних та хребетних; сучасні рослини (нефотосинтезуючі тканини) – такі як коріння або квіти; сучасні рослини (листя) – зелене листя та інші фотосинтезуючі тканини; осадові породи зі скам’янілими ціанобактеріями/водоростями, скам’яніла деревина – включаючи вугілля; викопні тварини – включаючи риб та білки черевоногих; сучасні гриби – деревні гриби та дріжджі; метеорити – переважно хондрити; та синтетичні зразки – 35 органічних сумішей, створених у лабораторії.
Дослідники застосували «випадковий ліс» – модель машинного навчання, яка будує сотні дерев рішень для класифікації даних та виявлення прихованих біологічних закономірностей. Цей підхід є першим випадком використання керованого машинного навчання для виявлення біосигнатур у породах, яким мільярди років. Модель змогла розрізнити живу органічну матерію від неживих джерел з точністю до 98%. Вона ідентифікувала ознаки фотосинтезу з точністю 93% і відокремила життя на рослинній основі від життя на тваринній основі з точністю 95%. Класифікувати давні породи складніше, оскільки навчальний набір містить мало тваринних скам’янілостей.
«Ці зразки та спектральні сигнатури, які вони виробляють, вивчалися десятиліттями, але штучний інтелект пропонує потужний новий об’єктив, який дозволяє нам видобувати критично важливу інформацію та краще зрозуміти їхню природу», – зазначає перший автор дослідження Аніруд Прабху. «Навіть коли деградація ускладнює виявлення ознак життя, наші моделі машинного навчання все ще можуть виявляти тонкі сліди, залишені давніми біологічними процесами».
Приголомшливі відкриття та їхнє значення
Замість того, щоб просто позначати зразки як «життя» або «не життя», модель надавала оцінки ймовірності. Будь-яка оцінка вище 60% вважалася потужною ознакою життя. Цей підхід додає нюансів – наприклад, вугілля, нагріте вище 400 °C, може втратити свої біологічні сигнали та потрапити в «невизначений» діапазон. Водночас добре збережені давні зразки все ще чітко потрапляли в «біотичну» зону.
З дослідження випливають три суттєві відкриття. Перше – датування органічних молекул фотосинтетичного походження у породах віком 2,52 мільярда років з Південної Африки. Ця дата на 800 мільйонів років раніша, ніж будь-яка попередня, що кардинально змінює наше розуміння еволюції фотосинтезу та, відповідно, атмосфери Землі. Південна Африка відома своїми унікальними геологічними формаціями, зокрема поясом зеленокамінних порід Барбертон, які є одними з найдавніших та найкраще збережених ділянок земної кори.
Другий результат – відстеження біологічного походження органічних молекул у породах віком 3,51 мільярда років з Індії. Геологічні утворення Індії, такі як кратон Дхарвар, також містять надзвичайно старі породи, що надають безцінні дані про ранню історію Землі. І нарешті, третій – відстеження нефотосинтетичного походження органічних молекул у породах віком 3,5 мільярда років з Південної Африки.
Ще одним визначальним результатом є те, що кероване машинне навчання може розкривати біохімічні підказки у палеоархейських зразках – породах такого віку та настільки змінених, що в них не залишилося цілих біомолекул. Палеоархейський еон – це період в історії Землі, що тривав приблизно від 3,6 до 3,2 мільярда років тому, і він є одним із найменш вивчених через екстремальну давність і метаморфізм порід.
«Це дослідження є значним кроком вперед у нашій здатності розшифровувати найдавніші біологічні сигнатури Землі», – заявляє Роберт Гейзен з Інституту Карнегі, провідної дослідницької установи, відомої своїми фундаментальними науковими відкриттями. «Поєднуючи потужний хімічний аналіз з машинним навчанням, ми можемо «читати» молекулярні «привиди», залишені раннім життям, які все ще шепочуть свої секрети після мільярдів років. Найдавніші породи Землі мають історії, які треба розповісти, і ми тільки починаємо їх чути». «Наші результати показують, що давнє життя залишає за собою більше, ніж просто скам’янілості; воно залишає хімічні «відлуння». Використовуючи машинне навчання, ми тепер можемо надійно інтерпретувати ці відлуння вперше».
