Вилучення біохімічної інформації з давніх багатих на органіку відкладень, зокрема, визначення часу виникнення фотосинтезу щодо передбачуваного рівня насичення киснем атмосфери Землі, залишається складним завданням. Щоб вирішити це завдання, вчені проаналізували 406 різних стародавніх і сучасних зразків і використовували контрольоване машинне навчання для розрізнення зразків біогенного та абіогенного походження, а також фотосинтетичної та нефотосинтетичної фізіології.
Вони виявили хімічні докази наявності біогенних молекулярних комплексів у палеоархейських породах (3,51 мільярда років тому) та фотосинтетичного життя в неоархейських породах (2,52 мільярда років тому).
Результати дослідження групи опубліковані у Працях Національної академії наук.
Раннє життя Землі залишило мало молекулярних слідів. Небагато крихких залишків, таких як стародавні клітини та мікробні мати, були поховані, розчавлені, нагріті та зруйновані в неспокійній земній корі, перш ніж викинути назад на поверхню. Ці перетворення практично знищили біосигнатури, що містять важливі ключі до розгадки походження та ранньої еволюції життя.
Палеобіологи, що шукають ознаки найдавнішого життя на Землі, тривалий час покладалися головним чином на викопні організми, включаючи мікроскопічні скам'янілості окремих клітин і волокон, а також мінералізовані залишки клітинних структур, таких як мікробні мати та пагорбові строматоліти, які переконливо свідчать про існування життя ще 3,5 мільярда років тому. Однак такі останки нечисленні й трапляються вкрай рідко.
Друга група доказів заснована на збереженні діагностичних біомолекул у стародавніх породах.
Найстійкіші органічні молекули життя - ті, що утворилися з клітинних мембран або в результаті деяких метаболічних процесів - були виявлені у відкладеннях віком 1,7 мільярда років, в той час, як набагато давніші, багаті на вуглець породи зберігають ізотопні сигнатури, що вказують на бурхливий розвиток біосфери 3,5 мільярда років тому.
Однак більшість древніх порід не зберегли ні викопних клітин, ні біомолекул, що збереглися.
Переважна більшість древніх вуглецевмісних відкладень була нагріта і змінена таким чином, що кожна діагностична біомолекула розпадається на безліч дрібних фрагментів.
Ці фрагменти виявилися надто маленькими та надто загальними, щоб дати якісь підказки про стародавнє життя — досі.
«Стародавні породи сповнені цікавих загадок, які розповідають нам історію життя на Землі, але деякі фрагменти завжди відсутні», — сказала Кеті Мелоні, дослідник із Мічиганського державного університету, співавтор дослідження.
«Поєднання хімічного аналізу та машинного навчання виявило біологічні підказки про стародавнє життя, які раніше були невидимі».
Дослідники використали високоточний хімічний аналіз для розкладання органічних та неорганічних матеріалів на молекулярні фрагменти, а потім навчили систему штучного інтелекту розпізнавати хімічні відбитки, залишені життям.
Загалом вони вивчили 406 копалин, сучасних біологічних, метеоритних та синтетичних зразків.
Модель штучного інтелекту відрізняла біологічні матеріали від небіологічних з точністю більше ніж 90% і виявила ранні біомолекулярні свідчення:
- фотосинтетичного походження органічних молекул у формації Гамохан віком 2,52 млрд років, група Кемпбеллренд, Південна Африка, та група Говганда віком 2,30 млрд років, Онтаріо, Канада;
- біогенні органічні молекули, що збереглися в кратоні Сінгхбхум віком 3,51 млрд років, Індія; у сланці Йозефсдаль віком 3,33 мільярда років, розташованому в зеленокам'яному поясі Барбертон, Південна Африка; та формація Джерріна віком 2,66 млрд років, група Фортескью, кратон Пілбара, Австралія;
- нефотосинтетичного походження органічні види у формації Тіспрут віком 3,5 млрд років, зеленокам'яний пояс Барбертон, Південна Африка, та формації Дрессер віком 3,48 млрд років, кратон Пілбара, Австралія.
«Давнє життя залишає не тільки скам'янілості; вона залишає хімічні сліди», - сказав старший автор дослідження доктор Роберт Хазен, науковий співробітник Інституту Карнегі.
"Використовуючи машинне навчання, ми вперше можемо надійно інтерпретувати ці сліди".
"Ця інноваційна технологія допомагає нам по-новому читати палеонтологічний літопис глибокого часу", - додала доктор Мелоні.
"Це може допомогти в пошуку життя на інших планетах".
"Розуміння того, коли виник фотосинтез, допомагає пояснити, як атмосфера Землі стала багатою на кисень, що стало ключовим етапом, що сприяло розвитку складного життя, включаючи людину", - сказав перший автор дослідження, доктор Майкл Вонг, також з Інституту Карнегі.
"Це запалющий приклад того, як сучасні технології можуть пролити світло на найдавнішу історію планети й змінити наші підходи до пошуку стародавнього життя на Землі та інших планетах".
«У майбутньому ми плануємо протестувати такі матеріали, як аноксигенні бактерії, що фотосинтезуються, — можливі аналоги позаземних організмів. Це новий потужний інструмент для астробіології.
«Ці зразки та спектральні сигнатури, які вони створюють, вивчаються десятиліттями, але ШІ відкриває нам новий потужний погляд, що дозволяє отримувати критично важливу інформацію і краще розуміти їхню природу», — додав доктор Анірудх Прабху з Інституту Карнегі, співавтор дослідження.
«Навіть коли деградація ускладнює виявлення ознак життя, наші моделі машинного навчання все ще здатні виявляти ледь помітні сліди, залишені давніми біологічними процесами».
«Що цікаво, цей підхід не спирається на пошук відомих скам'янілостей чи неушкоджених біомолекул».
«ШІ не просто допоміг нам швидше аналізувати дані, він дозволив нам розібратися в заплутаних хімічних даних, що деградували».
«Він відкриває шлях до вивчення стародавніх та інопланетних середовищ свіжим поглядом, керуючись закономірностями, про які ми, можливо, навіть не здогадуємось».
