Nejstarší chemické důkazy života na Zemi
Fosilizované zbytky starověkého uhlíku z nitra provincií Mpumalanga v Jižní Africe právě přinesly nejranější chemické důkazy života na Zemi.
Podle nové analýzy pomocí strojového učení fragmentární stopy uhlíku z Josefsdal Chert, datované na 3,33 miliardy let, představují nejstarší a nejspolehlivější detekci biotické chemie, jaká byla na Zemi dosud nalezena. Navíc tým také identifikoval nejstarší důkazy fotosyntézy v horninách starých 2,52 a 2,3 miliardy let, pocházejících z Jižní Afriky a Kanady, což posunulo zdokumentovaný časový rámec tohoto procesu o více než 800 milionů let zpět.
„Naše výsledky ukazují, že starověký život zanechává za sebou více než fosilie; zanechává chemické ‚ozvěny‘,“ říká mineralog a astrobiolog Robert Hazen z Carnegie Institution for Science v USA. „Pomocí strojového učení nyní můžeme tyto ozvěny spolehlivě interpretovat poprvé.“
Čas, rozpad a geologie se k stopám, které život zanechává, chovají krutě – a čím déle uplynul čas, tím více příležitostí pro degradaci existuje. První život, který se na Zemi objevil, byl pravděpodobně mikroskopických rozměrů, což znamená, že fyzické zbytky těchto prvotních organismů se v průběhu miliard let dramaticky změnily.
To ale neznamená, že by nezanechali žádné stopy. Na základě jejich fyzické struktury jsou útvary jako stromatolity interpretovány jako pozůstatky mikrobiálních vrstev, obrovské komunity mikrobů, které byly tak početné, že zanechaly vrstvy v pradávné hornině. Existují také černé cherty a břidlice, stejně jako uhličitanové útvary, v nichž byly uchovány starověké, fragmentární stopy fosilizovaného uhlíku po eony.
Je však obtížné s jistotou určit, zda tyto zmutované zbytky silně pozměněného uhlíku byly produkovány biologickými nebo nebiologickými procesy. Nyní tým vedený Hazenem vyvinul způsob, jak pozitivně identifikovat starověký uhlík produkovaný životem.
Nejprve identifikovali specifické, subtilní vzory unikátní pro biologii, které zanechaly biologické molekuly, jak lze vidět v mladších vzorcích. Poté trénovali algoritmus strojového učení, aby tyto vzory identifikoval pod prahem lidského vnímání. „Představte si to jako ukazování tisíců dílků skládačky počítači a ptaní se, zda původní scéna byla květina nebo meteorit,“ říká Hazen. „Místo zaměření na jednotlivé molekuly jsme hledali chemické vzory, a tyto vzory by mohly být pravdivé i jinde ve vesmíru.“
Nakonec výzkumníci shromáždili 406 vzorků jak moderních organismů, tak starověkých fosilií, které sahaly od stromatolitů po stopy uhlíku v silikátových matricích, a podrobili je technice zvané pyrolýza-gasová chromatografie-hmotnostní spektrometrie (Py-GC-MS). Py-GC-MS zahrnuje zahřívání vzorku k rozbití jeho organického materiálu na fragmenty, separaci těchto fragmentů a měření jejich hmotnostních signatur.
Model strojového učení poté procházel daty a hledal biotické vzory, přičemž dosáhl přesnosti více než 90 procent. „Tyto vzorky a jejich spektrální signatury byly studovány po desetiletí, ale umělá inteligence nabízí mocný nový úhel pohledu, který nám umožňuje extrahovat klíčové informace a lépe pochopit jejich povahu,“ vysvětluje Prabhu, expert na strojové učení.
„I když degradace ztěžuje nalezení známek života, naše modely strojového učení mohou stále detekovat subtilní stopy zanechané starověkými biologickými procesy.“ Vzorky byly odhadovány na stáří od dneška až po přibližně 3,8 miliardy let zpět, včetně uhlíku z Grónska z doby před 3,7 miliardy let a 3,5 miliardy let starých stromatolitů z australské pouště.
Novější vzorky – cokoliv mladšího než asi 500 milionů let – vykazovaly silné a jasné biologické signatury. Ale jak vzorky stárly, biotické signály slábly, protože geologické procesy odstraňovaly chemické detaily. Nejstarší vzorek, který poskytnul pozitivní identifikaci, pocházel z Josefsdal Chert a byl starý 3,33 miliardy let.
To neznamená, že starší vzorky nejsou biologické. Tyto vzorky by mohly být tak degradované, že vzor již není rozpoznatelný, dokonce ani algoritmem. Ale nyní vědci věří, že můžeme s jistotou říci, že život na Zemi se objevil a šířil podle 3,33 miliardy let zpět, s možností, že se tak stalo ještě dříve.
„Tato studie představuje velký pokrok v naší schopnosti dekódovat nejstarší biologické signatury Země,“ říká Hazen. „S kombinací výkonné chemické analýzy a strojového učení máme způsob, jak číst molekulární ‚fantomy‘, které zanechal raný život a které nám i po miliardách let šeptají svá tajemství. Nejstarší horniny Země mají příběhy, které vyprávějí, a teprve začínáme je slyšet.“
