Скам’янілі залишки давнього вуглецю з центральної частини південноафриканської провінції Мпумаланга щойно принесли найдавніші на сьогодні хімічні докази існування життя на Землі. Згідно з новим аналізом, проведеним із використанням машинного навчання, фрагментарні сліди вуглецю з кременю Йозефсдал (Josefsdal Chert), віком 3,33 мільярда років, є найранішим і найбільш переконливим виявленням біотичної хімії на Землі.
Крім того, дослідники виявили найдавніші на сьогодні докази фотосинтезу — у породах віком 2,52 та 2,3 мільярда років з Південної Африки та Канади відповідно. Це відсуває задокументовану часову шкалу виникнення фотосинтезу більш ніж на 800 мільйонів років назад.
«Наші результати показують, що давнє життя залишає по собі не лише скам’янілості — воно залишає хімічні “луни”», — каже мінералог та астробіолог Роберт Гейзен із Інституту Карнегі (США). «Завдяки машинному навчанню ми тепер можемо надійно інтерпретувати ці луни вперше».
Час, розкладання та геологічні процеси не надто прихильні до слідів, які залишає життя — і чим більше часу минає, тим більше ці сліди руйнуються. Крім того, перше життя на Землі, як вважають науковці, було представлено крихітними мікроорганізмами, чиї фізичні залишки за мільярди років від їхнього існування зазнали значних змін.
Проте це не означає, що вони не залишили жодних слідів. За їхньою структурою такі утворення, як строматоліти, вважають залишками мікробних матів — величезних спільнот мікроорганізмів, настільки численних, що вони залишили шари в древніх породах. У чорному кремені, сланцях і карбонатних породах збереглися фрагментарні залишки викопного вуглецю, які пережили еони.
Однак визначити достеменно, чи ці сильно змінені вуглецеві залишки мають біологічне походження, чи утворилися абіотично, дуже складно. Тепер команда під керівництвом Гейзена опублікувала роботу, першими авторами якої виступили астробіологи з Carnegie Science Майкл Вонг та Анірудх Прабгу, де описано метод позитивної ідентифікації древнього вуглецю, створеного життям.
Спочатку вони визначили специфічні, тонкі хімічні патерни, притаманні біологічним молекулам, на основі молодших зразків. Потім вони тренували алгоритм машинного навчання для виявлення цих патернів на рівні, недоступному людському оку.
«Уявіть, що ви показуєте комп’ютеру тисячі пазлових фрагментів і питаєте, чи була на зображенні квітка, чи метеорит», — пояснює Гейзен. «Ми зосередилися не на окремих молекулах, а на хімічних патернах — і ці патерни потенційно можуть бути знайдені і деінде у Всесвіті».
Далі дослідники зібрали 406 зразків як сучасних організмів, так і давніх викопних залишків — від строматолітів до слідів вуглецю в кременистій матриці — і піддали їх аналізу методом піроліз-газової хроматографії-мас-спектрометрії (Py-GC-MS). Py-GC-MS передбачає нагрівання зразка, розщеплення його органіки на фрагменти, їх розділення та вимірювання мас-спектрів. Після цього модель машинного навчання проаналізувала дані, шукаючи біотичні патерни, і досягла точності понад 90%.
«Ці зразки та їхні спектральні дані вивчалися десятиліттями, але штучний інтелект пропонує нову потужну лінзу, що дозволяє нам витягувати критично важливу інформацію й краще розуміти їхню природу», — пояснює Прабгу, фахівець із машинного навчання. «Навіть коли деградація ускладнює виявлення слідів життя, наші моделі все одно можуть розпізнати тонкі відбитки давніх біологічних процесів».
Зразки охоплювали період від сьогодення до приблизно 3,8 мільярда років тому, включно з вуглецем із Гренландії віком 3,7 млрд років та 3,5-мільярдними строматолітами з австралійської пустелі. Молодші зразки — віком до 500 мільйонів років — давали чіткі й сильні біологічні сигнатури. Але що старішим ставав зразок, то слабшими були сигнали, адже геологічні процеси знищували хімічні деталі.
Найстарішим зразком із позитивною ідентифікацією виявився кремінь Йозефсдал, віком 3,33 мільярда років. Це не означає, що старіші зразки не є біологічними — просто їхні патерни могли бути настільки зруйновані, що їх не може розпізнати навіть алгоритм. Проте тепер науковці можуть упевнено стверджувати, що життя на Землі виникло та поширилося щонайменше 3,33 мільярда років тому — і, ймовірно, ще раніше.
«Це дослідження є величезним кроком уперед у нашій здатності розшифровувати найдавніші біологічні сигнатури Землі», — каже Гейзен.
«Поєднавши потужний хімічний аналіз із машинним навчанням, ми отримали спосіб “читати” молекулярні привиди, які залишило перше життя і які досі шепочуть свої таємниці через мільярди років. Найстаріші породи Землі мають історії — і ми тільки починаємо їх чути».
Дослідження опубліковане в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.
