پیشین‌ترین شواهد شیمیایی حیات بر روی زمین در سنگی ۳٫۳ میلیارد ساله کشف شد
آسیب‌مانده‌های فسیلی کربن کهن از مرکز استان موپمالانگا در آفریقای جنوبی، به‌تازگی نخستین شواهد شیمیایی از حیات بر روی زمین را نشان دادند.
بر مبنای تجزیه و تحلیلی نوین با به‌کارگیری یادگیری ماشین، ردهای جزئی کربن از شِرت جوزفس‌دال که قدمت آن ۳٫۳۳ میلیارد سال است، قدیمی‌ترین و مطمئن‌ترین شناسایی شیمی زیستی روی زمین تا به امروز به‌شمار می‌آیند.
علاوه بر این، کار تیم به شناسایی قدیمی‌ترین شواهد فتوسنتز تا به امروز در سنگ‌های ۲٫۵۲ و ۲٫۳ میلیارد ساله، به ترتیب از آفریقای جنوبی و کانادا، منجر شد؛ که این امر زمان‌بندی مستند این فرآیند را بیش از ۸۰۰ میلیون سال به‌عقب می‌کشد.
مرتبط: فسیل یک میلیارد ساله می‌تواند قدیمی‌ترین جانور چند‌سلولی ثبت‌شده باشد
رابرت هیزن، معدن‌شناس و آستروبایولوژیست مؤسسه کارنگی برای علوم در ایالات متحده می‌گوید: «نتایج ما نشان می‌دهد که حیات باستانی نه تنها فسیل‌ها، بلکه «پژواک‌های شیمیایی» نیز به‌جا می‌گذارد. با به‌کارگیری یادگیری ماشین، می‌توانیم برای اولین بار به‌صورت قابل اعتماد این پژواک‌ها را تفسیر کنیم.»
زمان، تجزیه و زمین‌شناسی به‌سختی با ردهای باقی‌مانده از حیات رفتار می‌کنند؛ و هر‌چه زمان بیشتر بگذرد، فرصتی برای تخریب آن‌ها بیشتر می‌شود.
به‌علاوه، اولین حیات که بر روی زمین پدیدار شد، به‌نظر می‌رسد موجودات میکروبی خیلی کوچکی بوده‌اند؛ باقی‌مانده‌های فیزیکی این میکروب‌ها طی میلیاردها سال پس از حرکت نخستین آن‌ها در محیط مرطوب اولیه، به‌طور چشمگیری تغییر یافته‌اند.
این بدان معنا نیست که آن‌ها هیچ ردگاهی نداشتند. بر پایه ساختار فیزیکی‌شان، ساختارهایی مانند استروماتولیت‌ها به‌عنوان باقی‌مانده‌های لایه‌های میکروبی تفسیر می‌شوند؛ جوامعی گسترده از میکروب‌ها که به‌ندرت لایه‌هایی در سنگ‌های باستانی به‌جا گذاشتند. همچنین شِرت و شیل سیاه، و تشکیل‌های کربنات وجود دارند که در آن‌ها ردهای جزئی فسیلی کربن باستانی به‌مدت قرن‌ها حفظ شده‌اند.
با این حال، تشخیص قطعی اینکه این باقی‌مانده‌های خاکستری کربن به شدت تغییر یافته توسط فرآیندهای زیستی یا غیرزیستی تولید شده‌اند، دشوار است.
اکنون، تیمی به‌سرپرستی هیزن، در مقاله‌ای که با آستروبایولوژیست‌های مؤسسه کارنگی علم، مایکل وانگ و آنیدروپ پرابهو به‌عنوان نویسندگان اصلی، رویکردی برای شناسایی قطعی کربن باستانی تولیدشده توسط زندگی توسعه دادند.
ابتدائاً، الگوهای خاص و ظریف منحصر به‌فرد زیست‌شناسی را که توسط مولکول‌های زیستی در نمونه‌های جوان‌تر باقی می‌مانند، شناسایی کردند. سپس، الگوریتم یادگیری ماشینی را آموزش دادند تا این الگوها را زیر آستانه درک انسانی تشخیص دهد.
هیزن می‌گوید: «تصور کنید هزاران قطعهٔ پازل را به یک رایانه نشان می‌دهید و از او می‌پرسید صحنهٔ اصلی یک گل بود یا یک شهاب‌سنگ. به‌جای تمرکز بر مولکول‌های جداگانه، ما به دنبال الگوهای شیمیایی بودیم و این الگوها می‌توانند در نقاط دیگر کیهان نیز حضور داشته باشند.»
در نهایت، محققان ۴۰۶ نمونه از موجودات مدرن و فسیل‌های باستانی را که از استروماتولیت‌ها تا ردهای کربن در ماتریکس سیلیکونی متغیر بودند، جمع‌آوری کرده و آن‌ها را تحت تکنیکی به نام پیرولیز‑کروماتوگرافی گاز‑طیفی‌سنجی جرمی (Py‑GC‑MS) قرار دادند.
در Py‑GC‑MS، نمونه گرم می‌شود تا مواد آلی آن به قطعات کوچکتر تجزیه شود؛ سپس این قطعات جدا شده و امضای جرمی آن‌ها اندازه‌گیری می‌شود.
مدل یادگیری ماشین سپس به‌دقت داده‌ها را بررسی کرد و به‌دنبال الگوهای زیستی گشت؛ دقتی بیش از ۹۰ درصد به‌دست آورد.
پرابهو، متخصص یادگیری ماشین، توضیح می‌دهد: «این نمونه‌ها و امضای طیفی که تولید می‌کنند دهه‌ها مورد مطالعه بوده‌اند، اما هوش مصنوعی لنزی قدرتمند جدید فراهم می‌کند که به‌ما امکان استخراج اطلاعات کلیدی و درک بهتر ماهیت آن‌ها را می‌دهد.»
او ادامه می‌دهد: «حتی هنگامی که تجزیه‌پذیری یافتن نشانه‌های حیات را دشوار می‌سازد، مدل‌های یادگیری ماشینی ما همچنان می‌توانند ردهای ظریف باقی‌مانده از فرآیندهای زیستی باستانی را شناسایی کنند.»
نمونه‌ها از امروز تا حدود ۳٫۸ میلیارد سال پیش متغیر بودند؛ شامل کربن گرینلند ۳٫۷ میلیارد ساله و استروماتولیت‌های ۳٫۵ میلیارد ساله از صحرای استرالیا.
نمونه‌های جوان‌تر – هر چه زیر حدود ۵۰۰ میلیون سال باشد – امضای زیستی قوی و واضحی تولید کردند. اما هر‌چه سن نمونه‌ها بیشتر می‌شد، سیگنال‌های زیستی کم‌رنگ‌تر می‌شدند، زیرا فرآیندهای زمین‌شناسی جزئیات شیمیایی را از بین می‌بردند.
قدیمی‌ترین نمونه‌ای که تشخیص مثبت داد، از شِرت جوزفس‌دال با قدمتی ۳٫۳۳ میلیارد سال بود.
این به این معنا نیست که نمونه‌های قدیمی‌تر زیستی نیستند. ممکن است این نمونه‌ها به‌حدی تجزیه شده باشند که الگو برای الگوریتم آشکار نشود. اما اکنون، دانشمندان بر این باورند که می‌توانیم با قطعیت بگوییم حیات بر روی زمین تا ۳٫۳۳ میلیارد سال پیش بروز و گسترش یافته بود، و احتمال اینکه زودتر اتفاق افتاده باشد نیز وجود دارد.
هیزن می‌گوید: «این مطالعه گامی بزرگ در توانایی ما برای رمزگشایی از قدیمی‌ترین امضای زیستی زمین به‌شمار می‌آید.»
او می‌افزاید: «با ترکیب تجزیه‌وتحلیل شیمیایی قدرتمند با یادگیری ماشین، ما روش خواندن «روح‌های» مولکولی باقی‌مانده از حیات اولیه را پیدا کرده‌ایم که پس از میلیاردها سال هنوز رازهای خود را نجوا می‌کنند. سنگ‌های بسیار کهن زمین داستان‌هایی برای گفتن دارند و ما تازه آغاز به شنیدن آن‌ها کرده‌ایم.»
این پژوهش در نشریهٔ آکادمی ملی علوم منتشر شده است.