کشف اولین ردهای شیمیایی حیات بر روی زمین در سنگی به قدمت ۳٫۳ میلیارد سال
آثار فسیلی کربن کهن در قلب استان Mpumalanga در آفریقای جنوبی به‌تازگی اولین شواهد شیمیایی حیات بر روی زمین را ارائه دادند.
بر اساس تجزیه‌وتحلیل جدیدی با استفاده از یادگیری ماشین، ردهای جزئی کربن از سنگ جوزفس‌دال چرت که قدمت ۳٫۳۳ میلیارد سال دارد، به‌عنوان قدیمی‌ترین و مطمئن‌ترین شناسایی شیمی زیستی در زمین تا کنون شناخته می‌شود.
علاوه بر این، پژوهش گروه شواهد قدیمی‌ترین فوتوسنتز را در سنگ‌های ۲٫۵۲ و ۲٫۳ میلیارد ساله، به ترتیب از آفریقای جنوبی و کانادا، شناسایی کرد که زمان‌سنجی مستند این فرایند را بیش از ۸۰۰ میلیون سال به عقب می‌برد.
“نتایج ما نشان می‌دهد که حیات باستانی بیش از فسیل‌ها باقی می‌گذارد؛ ‘پژواک‌های شیمیایی'”، می‌گوید مینیرال‌دان و اخترزیست‌شناس رابرت هازن از مؤسسه کارنگی برای علم در ایالات متحده. “با استفاده از یادگیری ماشین، اکنون می‌توانیم برای اولین بار این پژواک‌ها را به‌طور قابل اطمینان تفسیر کنیم.”
زمان، تجزیه و زمین‌شناسی نسبت به ردهایی که حیات به‌جا می‌گذارد، مهربان نیستند؛ و هرچه مدت زمان بیشتری بگذرد، فرصت تخریب نیز بیشتر می‌شود.
علاوه بر این، اولین حیات که بر روی زمین ظاهر شد، طبق باور دانشمندان، میکروارگانیسم‌های ریز بودند که بقایای فیزیکی آن‌ها پس از میلیاردها سال از زمان اولین حرکت در محیط اولیه‌ی مرطوب، به‌طرز چشمگیری تغییر یافته‌اند.
این به این معنا نیست که آن‌ها ردهایی ننداخته‌اند. بر پایه ساختار فیزیکی‌شان، سازندهایی مانند استروماتولیت‌ها به‌عنوان بقایای مات‌های میکروبی تفسیر می‌شوند؛ جوامعی وسیع از میکروب‌ها که به‌قدر کافی فراوان بودند تا لایه‌هایی در سنگ‌های باستانی باقی بگذارند. همچنین شست‌های سیاه و شیل، و سازندهای کربناتی، حاوی ردهای جزئی و کهن کربن فسیلی هستند که در طول اعصار حفظ شده‌اند.
با این حال، تعیین با قطعیت اینکه آیا این بقایای مشکی کربن به شدت تغییر یافته توسط فرآیندهای بیولوژیکی یا غیربیولوژیکی تولید شده‌اند، دشوار است.
اکنون، تیمی به‌سرپرستی هازن، در مقاله‌ای که شامل اخترزیست‌شناسان مؤسسه کارنگی برای علم مایکل وانگ و آنیرود پرابهو به‌عنوان نویسندگان اصلی است، روشی برای شناسایی قطعی کربن کهن تولید‌شده توسط حیات توسعه داد.
در ابتدا، آن‌ها الگوهای خاص و ظریف منحصر به‌فرد زیست‌شناسی را که توسط مولکول‌های زیستی باقی می‌مانند و در نمونه‌های جوانتر قابل مشاهده هستند، شناسایی کردند. سپس، الگوریتمی مبتنی بر یادگیری ماشین را آموزش دادند تا این الگوها را در سطحی زیر آستانه تشخیص انسانی بیابد.
“تصور کنید که هزاران قطعه پازل را به یک کامپیوتر نشان می‌دهید و از او می‌پرسید که تصویر اصلی گل بود یا شهاب‌سنگ”، می‌گوید هازن. “به‌جای تمرکز بر مولکول‌های منفرد، ما به‌دنبال الگوهای شیمیایی بودیم و این الگوها می‌توانند در سایر نقاط جهان نیز صادق باشند.”
در نهایت، پژوهشگران ۴۰۶ نمونه از موجودات امروز و فسیل‌های باستان، از استروماتولیت‌ها تا ردهای کربن در ماتریس سیلیسیتی، جمع‌آوری کردند و آن‌ها را تحت تکنیکی به نام پیرولیز-کروماتوگرافی گازی-طیف‌سنجی جرمی (Py‑GC‑MS) بررسی کردند.
در روش Py‑GC‑MS، نمونه حرارت داده می‌شود تا مواد آلی آن به قطعات کوچکتر تجزیه شود، این قطعات سپس جداسازی می‌شوند و امضاهای جرمی آن‌ها اندازه‌گیری می‌گردد.
سپس مدل یادگیری ماشین داده‌ها را بررسی کرد تا الگوهای زیستی را شناسایی کند و دقتی بالای ۹۰ درصد به‌دست آورد.
“این نمونه‌ها و امضای‌های طیفی که تولید می‌کنند، دهه‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما هوش مصنوعی لنزی قدرتمند نوین ارائه می‌دهد که به ما امکان استخراج اطلاعات بحرانی و درک بهتر طبیعت آن‌ها را می‌دهد،” توضیح می‌دهد پرابهو، کارشناس یادگیری ماشین.
“حتی زمانی که تجزیه و تخریب شناسایی نشانه‌های حیات را دشوار می‌کند، مدل‌های یادگیری ماشین ما هنوز می‌توانند ردهای ظریف که توسط فرآیندهای زیستی کهن باقی مانده‌اند را کشف کنند.”
نمونه‌ها در بازه سنی از زمان حاضر تا حدود ۳٫۸ میلیارد سال پیش متغیر بودند، از جمله کربن گرینلند به قدمت ۳٫۷ میلیارد سال و استروماتولیت‌های ۳٫۵ میلیارد ساله از صحرای استرالیا.
نمونه‌های جوانتر – هر چیزی زیر حدود ۵۰۰ میلیون سال – امضاهای زیستی قوی و واضحی تولید کردند. اما هر چه سن نمونه‌ها بیشتر می‌شد، سیگنال‌های زیستی به تدریج ناپدید می‌شدند، چرا که فرایندهای زمین‌شناسی جزئیات شیمیایی را از بین می‌بردند.
قدیمی‌ترین نمونه‌ای که شناسایی مثبت داد، از سنگ جوزفس‌دال چرت به قدمت ۳٫۳۳ میلیارد سال بود.
این به معنای این نیست که نمونه‌های قدیمی‌تر بیولوژیک نیستند؛ ممکن است این نمونه‌ها به‌قدری تخریب شده باشند که الگو دیگر برای الگوریتم قابل تشخیص نباشد. اما اکنون پژوهشگران بر این باورند که می‌توانیم با قطعیت بگوییم حیات بر روی زمین تا ۳٫۳۳ میلیارد سال پیش شکل گرفته و گسترش یافته بود، هرچند احتمال می‌دهد که این رخداد زودتر اتفاق افتاده باشد.
“این مطالعه گامی بزرگ در توانایی ما برای کشف امضاهای زیستی کهن‌ترین سنگ‌های زمین محسوب می‌شود،” هازن می‌گوید.
با ترکیب تجزیه‌وتحلیل شیمیایی قدرتمند با یادگیری ماشین، ما روشی برای خواندن «شبح‌های» مولکولی که توسط حیات اولیه به‌جا مانده‌اند و پس از میلیاردها سال همچنان رازهای خود را نجوا می‌کنند، ایجاد کرده‌ایم. قدیمی‌ترین سنگ‌های زمین داستان‌هایی برای گفتن دارند و ما تازه در حال شروع به گوش سپردن به آن‌ها هستیم.
این پژوهش در مجلهٔ آکادمی ملی علوم منتشر شده است.