Hemijski dokazi za drevni život otkriveni u stenama starim 3,3 milijarde godina

Nova studija pokazuje da je potpis života još prisutan u stenama dugo nakon što su originalni biomolekuli nestali.

Kombinujući najmoderniju hemiju sa veštačkom inteligencijom, multidisciplinarni tim naučnika pronašao je sveže hemijske dokaze o najranijem životu na Zemlji — skrivene u stenama starim 3,3 milijarde godina — i molekularne dokaze da se fotosinteza koja proizvodi kiseonik dešavala više od 800 miliona godina pre nego što je ranije dokumentovano.

Preporučujemo

U revolucionarnoj studiji istraživači su analizirali više od 400 uzoraka — uključujući drevne sedimente, fosile, moderne biljke i životinje, pa čak i meteorite — da bi videli da li znaci života još postoje u stenama dugo nakon što su originalni biomolekuli nestali.

Pomoću visokotehnološke hemijske analize za raščlanjivanje organskih i neorganskih materijala, veštačka inteligencija je naučena da prepozna hemijske „potpise“ preostale nakon života — signale koji se mogu detektovati čak i nakon više milijardi godina geološkog propadanja.

Rezultati dokazuju mogućnost razlikovanja materijala biološkog porekla — poput mikroba, biljaka i životinja — od materijala neživog porekla, poput meteoritskog ili sintetičkog ugljenika, sa više od 90% tačnosti.

Impresivno je to što su ove metode uspešno raspoznale hemijske obrasce specifične za biologiju u stenama starim 3,3 milijarde godina. Ranije, takvi tragovi nisu pronađeni u stenama starijim od oko 1,7 milijardi godina. Dakle, otprilike je udvostručen period u kom organski molekuli sačuvani u stenama mogu otkriti korisne informacije o fiziologiji i evolucionim odnosima svojih originalnih organizama.

Ovaj rad takođe daje molekularne dokaze da se fotosinteza koja proizvodi kiseonik — proces koji upotrebljavaju biljke, alge i mnogi mikroorganizmi za iskorišćavanje Sunčeve svetlosti — dešavala pre najmanje 2,5 milijardi godina. Ovo otkriće produžava hemijski zapis fotosinteze očuvan u molekulima ugljenika za više od 800 miliona godina.

Pored pomoći u pronalaženju dokaza o najranijem životu na Zemlji, istraživanje unapređuje potencijalni način za identifikaciju tragova života van naše planete.

Dokazi o životu u skoro potpuno uništenim drevnim ćelijama

Najraniji život na Zemlji ostavio je veoma malo u vidu molekularnih tragova. Nekoliko krhkih ostataka poput drevnih ćelija i mikrobnih slojeva bili su zakopani, zgnječeni, zagrejani i slomljeni u nemirnoj Zemljinoj kori pre nego što su vraćeni na površinu. Ove transformacije su gotovo uništile biopotpise sa ključnim informacijama o poreklu i ranoj evoluciji života.

Paleobiolozi koji tragaju za znacima najstarijeg života na Zemlji dugo se oslanjaju na fosilne organizme, uključujući mikroskopske fosile pojedinačnih ćelija i filamenata, kao i mineralizovane ostatke ćelijskih struktura poput mikrobnih prostirki i brežuljkastih stromatolita, koji daju uverljive dokaze o životu starom čak 3,5 milijardi godina. Međutim, takvi ostaci su malobrojni.

Druga linija dokaza oslanja se na očuvanje dijagnostičkih biomolekula u drevnim stenama. Najizdržljiviji organski molekuli — iz ćelijskih membrana ili nekih metaboličkih procesa — pronađeni su u sedimentima starim 1,7 milijardi godina, dok mnogo starije stene bogate ugljenikom čuvaju izotopske potpise koji ukazuju na dinamičnu biosferu staru 3,5 milijardi godina.

Međutim, većina drevnih stena ne čuva ni fosilne ćelije ni preživele biomolekule. Velika većina drevnih sedimenata sa ugljenikom bila je zagrejana i izmenjena tako da su dijagnostički biomolekuli razbijeni u bezbroj malih fragmenata. Ti fragmenti su bili previše mali i generički da bi dali bilo kakve informacije o prastarom životu — sve dosad.

Novo istraživanje se zasniva na hipotezi da su molekuli života rigorozno odabrani za svoje biološke funkcije. Za razliku od nasumične distribucije molekula na meteoritima bogatim ugljenikom i u drugim abiotičkim organskim mešavinama, život proizvodi nekoliko vrsta molekula u velikim količinama. Svaka hemikalija u živoj ćeliji ima svoju funkciju. Novi rad sugeriše da distribucija biomolekularnih fragmenata u starim stenama i dalje čuva dijagnostičke informacije o biosferi, čak i ako originalnih biomolekula više nema.

Zaista, ovo novo istraživanje pokazuje da je život ostavio iza sebe više nego što se mislilo — slabe hemijske „glasove“ zaključane duboko u drevnim stenama.

406 izmerenih uzoraka dolazi iz sedam glavnih grupa:

-Moderne životinje: kičmenjaci (npr. ribe) i beskkičmenjaci (npr. insekti);

-Moderne biljke, uključujući njihove fotosintetičke delove (npr. listove) i nefotosintetičke delove (npr. korenje i sok);

-Gljivice, uključujući pečurke i kvasac;

-Fosilni materijali: npr. ugalj, drevno drvo i škriljac bogat sačuvanim algama;

-Meteoriti: ugljenikom bogate svemirske stene koje mogu podsećati na prebiotički materijal;

-Sintetički organski materijali, napravljeni u laboratorijama radi simuliranja hemije rane Zemlje;

-Drevni sedimenti, starosti od više stotina miliona do više od tri milijarde godina, sa neizvesnim poreklom.

Pomoću sofisticirane spektrometrije oslobođeni su zarobljeni hemijski fragmenti iz svakog uzorka. Zatim je upotrebljen specifičan tip modela mašinskog učenja zvanog „nasumična šuma“, koji pravi stotine stabala odlučivanja za klasifikaciju podataka i ekstrakciju latentnih ekoloških i taksonomskih obrazaca. Ovo je prva studija koja kombinuje ovu vrstu podataka sa nadgledanim mašinskim učenjem radi identifikacije biopotpisa u stenama starim više milijardi godina.

„Zamislite to kao da kompjuteru pokazujete hiljade delova slagalice i pitate da li je prvobitna scena bila cvet ili meteorit“, objašnjavaju istraživači. „Umesto fokusiranja na individualne molekule, tragali smo za hemijskim obrascima, a ti obrasci bi mogli biti stvarni i drugde u svemiru“.

Rezultati pokazuju da prastari život ostavlja više od fosila; ostavlja hemijske 'odjeke', koje sad možemo prvi put pouzdano tumačiti pomoću mašinskog učenja.

Veoma informativne odlike drevne organske materije, čak i ako je uveliko upropašćena i sa malo ili nimalo preživelih biomolekula, imaju mnogo toga da otkriju o prirodi i evoluciji života.

Novi model

Učinak modela je testiran putem sposobnosti razlikovanja organske materije na bazi života od neživotnog porekla, poput meteorita ili sintetičke hemije. Model je to postigao sa tačnošću do 98% na poznatim uzorcima. Kad je primenjen na uzorke drevnih stena, model je pronašao snažne dokaze o životu u više formacija starih 3,3 milijarde godina.

Takođe, model je sa tačnošću od 93% detektovao znake da je organizam nekad koristio fotosintezu za dobijanje energije iz Sunčeve svetlosti. Fotosintetički tragovi su identifikovani u stenama starim 2,52 milijarde godina.

Model je takođe uspešno razlikovao život na biljnoj bazi od života na životinjskoj bazi sa 95% tačnosti. Međutim, ova vrsta klasifikacije je teža u drevnim stenama zbog oskudnosti životinjskih fosila u kompletu za obuku modela. Ovo je tačka poboljšanja za budući rad.

Kroz maglu vremena

Jedan ključni uvid studije jeste da starost otežava detekciju. Mlađi uzorci iz poslednjih 500 miliona godina zadržali su snažne biotičke signale. Kod stena starih od 500 miliona do 2,5 milijarde godina, oko dve trećine su i dalje pokazivale potpise života. Međutim, u slučaju stena starijih od 2,5 milijarde godina, samo 47% je zadržalo primetne dokaze života.

Za svaki uzorak, model je ne samo izveštavao o životu ili ne-životu, već je davao verovatnoću. Ako je uzorak imao više od 60% verovatnoće da bude "biotički", smatran je jakim nalazom.

Ovaj pristup na bazi verovatnoće omogućava nijansiranost. Na primer, uzorak uglja koji je bio zagrejan na više od 400 stepeni Celzijusovih možda je izgubio većinu svojih bioloških markera i završio u „neizvesnom“ području. Međutim, dobro očuvani drevni uzorci — posebno oni koji nisu bili izloženi intenzivnoj toploti ili pritisku — i dalje su pouzdano ulazili u „biotičku“ zonu.

Autori su takođe pažljivo izbegavali tvrdnje da je uzorak biotički ukoliko se zaista nije razlikovao od abiotičkih materijala, smanjujući rizik od lažnih pozitivnih rezultata.

Među sigurno pozitivnim drevnim uzorcima izdvojili su se biotički materijal u sedimentima starim 3,33 milijarde godina iz južnoafričke formacije Jozefsdal i fotosintetički život u stenama starim 2,52 milijarde godina iz južnoafričke formacije Gamohan.

Značaj za nauku i istraživanje svemira

Rezultati sugerišu da primena veštačke inteligencije na oštećenu organsku materiju može pomoći u rešavanju dugotrajnih rasprava o evoluciji života na Zemlji u dalekoj prošlosti.

Ovaj metod takođe može pomoći u potrazi za znacima vanzemaljskog života. Ako veštačka inteligencija može da detektuje biotičke „potpise“ na Zemlji koji su preživeli milijarde godina, ista tehnika bi se mogla primeniti na marsovske stene ili čak uzorke sa Jupiterovog ledenog meseca Evrope.

Autori paze da ne preuveličaju svoje zaključke. Priznaju potrebu za većim, balansiranijim skupovima uzoraka, naročito više fosilnih životinja i raznovrsnih abiotičkih materijala. Neki uzorci spadaju u sivu zonu, sa srednjom verovatnoćom koja ne dozvoljava čvrste zaključke. Metod je komplementaran, a ne zamena za tradicionalne tehnike kao što su izotopska analiza ili fosilna morfologija.

U planu je usavršavanje modela, ispitivanje različitih vrsta mašinskog učenja i testiranje pristupa na stenama iz Zemljinih pustinja sličnih masovskim.

„Ova studija predstavlja veliki skok napred u našoj sposobnosti da dešifrujemo najstarije biološke potpise na Zemlji“, kažu istraživači. „Kombinovanje moćne hemijske analize sa mašinskim učenjem omogućava nam da čitamo molekularne ‘duhove’ koje je ostavio rani život i koji još uvek šapuću svoje tajne nakon milijardi godina. Najstarije Zemljine stene imaju priče da ispričaju, a mi tek počinjemo da ih čujemo“.

Spoznaja kad se fotosinteza pojavila pomaže da se objasni kako je Zemljina atmosfera postala bogata kiseonikom, što je ključni trenutak koji je omogućio evoluciju složenog života, uključujući ljude.

Ovo predstavlja inspirativan primer kako moderna tehnologija može osvetliti najstarije priče planete i moglo bi promeniti način na koji tragamo za drevnim životom na Zemlji i u drugim svetovima. Planiramo da testiramo materijale poput bakterija sa anoksigenom fotosintezom, mogućih analogona za vanzemaljske organizme, kažu istraživaći. Ovo je moćan novi instrument za astrobiologiju.

Uzorci i spektralni potpisi koje proizvode proučavani su decenijama, ali veštačka inteligencija predstavlja moćno novo sredstvo pomoću kojeg možemo izvući bitne informacije i bolje razumeti njihovu prirodu. Čak i kad oštećenje otežava uočavanje znakova života, modeli mašinskog učenja mogu i dalje detektovati suptilne tragove koje su ostavili drevni biološki procesi.

„Uzbudljivo je to što se ovaj pristup ne oslanja na pronalaženja prepoznatljivih fosila ili netaknutih biomolekula. Veštačka inteligencija nam je pomogla ne samo da brže analiziramo podatke, već je omogućila da shvatimo haotične, oštećene hemijske podatke. To otvara vrata istraživanju drevnih i vanzemaljskih okruženja sa svežim pogledom, na osnovu obrazaca koje sami možda ne bismo ni znali da tražimo“.

(Telegraf Nauka/Carnegie Science)