Новое исследование обнаружило химические признаки древней жизни в породах, сформировавшихся более 3,3 миллиарда лет назад. Это же изыскание выявило молекулярные доказательства того, что кислородный фотосинтез начался почти на миллиард лет раньше, чем предполагали ученые.
Международная команда, возглавляемая сотрудниками Института науки Карнеги, объединила передовые химические методы с искусственным интеллектом. Целью было обнаружить чрезвычайно тонкие химические «шепоты» прошлой биологии, скрытые внутри сильно измененных древних пород. Применяя машинное обучение, исследователи обучили компьютерные модели распознавать слабые молекулярные отпечатки, оставленные живыми организмами задолго после разрушения исходных биомолекул.
В числе участников проекта – Кэти Малони, доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде из Университета штата Мичиган. Ее работа посвящена эволюции ранней сложной жизни и ее влиянию на древние экосистемы. Малони предоставила образцы исключительно хорошо сохранившихся ископаемых водорослей возрастом около миллиарда лет, собранные на территории Юкона в Канаде. Эти ископаемые относятся к числу самых ранних водорослей, известных в геологической летописи, соотносимых с эпохой, когда большинство организмов были видны только под микроскопом.
Публикация в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences предлагает новое понимание ранней биосферы Земли. Результаты имеют также значительные последствия для поиска жизни за пределами нашей планеты. Те же методы могут быть применены к образцам с Марса или других небесных тел для определения, могли ли они когда-либо поддерживать жизнь.
«Древние скалы хранят множество увлекательных головоломок, рассказывающих историю жизни на Земле, но часть элементов всегда отсутствует, – делится Кэти Малони. – Сочетание химического анализа и машинного обучения позволило обнаружить ранее невидимые биологические подсказки о древней жизни».
Найти ранние биосигнатуры крайне сложно. Хрупкие материалы, такие как примитивные клетки и микробные маты, были погребены, сдавлены, нагреты и разрушены, поскольку земная кора смещалась на протяжении миллиардов лет. Эти интенсивные процессы уничтожили большинство оригинальных биосигнатур, которые могли бы дать представление о самых ранних стадиях жизни. Однако новые данные показывают, что даже после исчезновения исходных молекул расположение сохранившихся фрагментов все еще может содержать важную информацию о древних экосистемах.
Исследование доказывает, что древняя жизнь оставила больше сигналов, чем ранее предполагали ученые – это слабые химические «шепоты», сохранившиеся в горной породе. Для идентификации этих подсказок команда использовала высокоразрешающие химические методы для расщепления как органических, так и неорганических материалов на молекулярные фрагменты. Затем они обучили систему искусственного интеллекта распознавать химические «отпечатки», связанные с биологическим происхождением. Ученые проанализировали более 400 образцов, от современных растений и животных до миллиардолетних окаменелостей и метеоритов. Система ИИ с точностью более 90 процентов отличала биологические материалы от небиологических и обнаружила признаки фотосинтеза в породах возрастом не менее 2,5 миллиарда лет.
До этой работы надежные молекулярные доказательства жизни были идентифицированы только в породах моложе 1,7 миллиарда лет. Новый подход фактически удваивает период, в течение которого ученые могут изучать химические биосигнатуры.
«Древняя жизнь оставляет не только окаменелости; она оставляет химические эхо, – поясняет доктор Роберт Хазен, старший научный сотрудник Института Карнеги и один из ведущих авторов исследования. – Использование машинного обучения впервые позволяет нам надежно интерпретировать эти отголоски».
Для Кэти Малони, изучающей, как ранние фотосинтезирующие организмы преобразили планету, результаты имеют особое значение. «Эта инновационная техника помогает нам по-новому прочесть палеонтологическую летопись, – добавляет Малони. – Это может стать ориентиром в поисках жизни на других планетах».
