Nový výzkum odhaluje stopy primitivního života na Zemi
Nový výzkum ukazuje, že život zanechává více stop, než si kdo myslel. Slabé chemické šepoty, skryté v hlubinách 3,3 miliardy let starých skal, slyšitelné pouze pro ty, kteří je dokážou detekovat. Vědci z Carnegie Institution for Science ve Washingtonu (USA) použili novou metodu k identifikaci chemických důkazů primitivního života a také molekulárních náznaků, že fotosyntéza se prováděla již před 2,5 miliardy let, tedy více než 800 milionů let dříve, než bylo dosud zdokumentováno.
V kombinaci s pokročilými chemickými důkazy a modely umělé inteligence multidisciplinární tým z této americké instituce a několika partnerských univerzit analyzoval více než 400 vzorků, včetně starověkých sedimentů, fosilií, moderních rostlin a živočichů, a dokonce i meteoritů. Jejich výsledky byly nedávno publikovány v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) a dokazují životnost metody pro detekci biologických materiálů (včetně mikrobi, rostlin a zvířat) ve skalách, tisíce let poté, co původní biomolekuly zmizely. Tato metoda má schopnost rozlišovat je od neživých materiálů (jako je meteoritický nebo syntetický uhlík) s přesností přes 90 %.
„Tato studie představuje obrovský pokrok v naší schopnosti dešifrovat nejstarší biologické stopy na Zemi,“ říká Robert Hazen, výzkumník z Carnegie Institution a spoluautor studie. „Kombinováním těchto mocných chemických analýz s strojovým učením můžeme číst molekulární duchy, které zůstaly po prvních formách života a které nám stále šeptají své tajemství miliony let poté.“
Mezi vzorky, jejichž biotický materiál byl s jistotou potvrzen, byly sedimenty staré 3,33 miliardy let pocházející z naleziště Josefsdal v Jižní Africe. Nejdříve získané vzorky skály byly staré 1,7 miliardy let.
Vědci také našli molekulární důkazy, že fotosyntéza (používaná rostlinami, řasami a mnoha mikroorganismy) existovala již před minimálně 2,5 miliardy let, podle objevů ve vzorcích z geologického útvaru Gamohaan, také v Jižní Africe. Autoři zdůrazňují, že pochopení času vzniku tohoto procesu je klíčové pro vysvětlení, jak se atmosféra Země obohatila o kyslík, což je rozhodující milník ve vývoji složitých forem života, včetně lidí.
Dochovalo se k nám jen málo molekulárních zbytků nejprimitivnějších forem života na naší planetě. A ty, které byly detekovány, jsou křehké; zbytky, které zůstaly zakopané a často spálené uvnitř zemské kůry, než se opět objevily po geologických jevech nebo vykopávkách. Tyto peripetie často maří biomarkery, které obsahují životně důležité stopy pro výzkumníky. Proto paleobiologové dosud spoléhali na fosilie, mineralizované zbytky buněčných struktur, jako jsou mikrobní podložky a stromatolity, které poskytly indicie o zkamenělé životě starém až 3,5 miliardy let, ale bez molekulárních informací.
Nalezení těchto molekul přináší další obtíže: většina starobylých hornin byla změněna tak, že všechny diagnostické biomolekuly se rozpadly na nespočet dílčích fragmentů, které jsou příliš malé a obvykle nemají dostatečné informace. Nejodolnější organické molekuly, odvozené z plazmatických membrán nebo určitých metabolických procesů, byly nalezeny ve sedimentu starém až 1,7 miliardy let.
Chemie a umělá inteligence
Tým v tomto případě použil metodu nazvanou pyrolytická chromatografie plynnou spektrometrií hmotnosti (Py-GC-MS), aby uvolnil chemické fragmenty uvězněné v každém vzorku. Poté použil specifický typ modelu strojového učení k vytvoření stovek rozhodovacích stromů (typ prediktivního modelu AI), klasifikoval tato data a extrahoval latentní ekologické a taxonomické vzory. Autoři tvrdí, že se jedná o první studii, která kombinuje Py-GC-MS a deep learning pro identifikaci biofirem ve skalách starých miliardy let.
„Je to ekvivalent ukázání tisíců kousků puzzle počítači a otázka, zda původní scéna byla květina nebo meteorit,“ vysvětluje Hazen. „Místo aby se soustředili na jednotlivé molekuly, hledáme chemické vzory, které mohou existovat i na jiných místech ve vesmíru.“ Studie vychází z hypotézy, že molekuly života jsou přísně vybírány podle svých biologických funkcí. Na rozdíl od náhodného rozložení molekul, které se může nacházet v meteoritích a jiných abiotických organických směsích, vytváří život jen několik typů molekul ve značném množství. A každá chemická látka v živé buňce má svou vlastní funkci. Proto autoři věří, že rozložení biomolekulárních fragmentů nacházených ve starých horninách uchovává klíčové informace o evoluci života.
Model byl vyškolen k rozlišení organické hmoty od zbytků meteoritů nebo syntetických materiálů, což se podařilo s přesností až 98 %. Nyní autoři tvrdí, že disponováním širšími a rozmanitějšími vzorky, zejména větším množstvím fosilií živočichů a různými abiotickými materiály, se v budoucnu zpřesní výsledky a přinesou komplexnější informace o každém vzorku. A podtrhují, že se jedná o doplňkovou metodu, nikoli substitut tradičních technik, jako je analýza izotopů nebo morfologie fosilií.
Pokud se potvrdí její životnost, stane se důležitým nástrojem nejen pro vyšetřování původu života na Zemi, ale také pro vesmírné průzkumy, neboť výsledky naznačují, že aplikovaná umělá inteligence na degradované organické hmoty může pomoci vyřešit mnohé otázky ohledně vzniku a evoluce života. Tým má v plánu dále zdokonalovat své modely, prozkoumat různé typy strojového učení a vyzkoušet svůj přístup na horninách z pozemských pouští, které jsou podobné těm, jež se nacházejí na povrchu Marsu.
