قدیمی‌ترین شواهد شیمیایی حیات بر روی زمین در سنگی به قدمت ۳٫۳ میلیارد سال کشف شد
باقی‌ماندهای فسیلی کربن باستانی از مرکز استان Mpumalanga در جنوب‌آفریقا به‌تازگی نخستین شواهد شیمیایی حیات بر روی زمین را فراهم کرد.
طبق تجزیه‌وتحلیل جدید مبتنی بر یادگیری ماشینی، ردهای جزئی کربن از سنگ جوفسدال که قدمت ۳٫۳۳ میلیارد سال دارد، قدیمی‌ترین و مطمئن‌ترین شواهد شیمی زیستی کشف‌شده بر روی زمین تا کنون هستند.
علاوه بر این، کار تیمی به شناسایی قدیمی‌ترین شواهد فتوسنتز تا به امروز در سنگ‌های ۲٫۵۲ و ۲٫۳ میلیارد ساله از جنوب‌آفریقا و کانادا به ترتیب دست یافت – که بازه زمانی مستند برای این فرآیند را بیش از ۸۰۰ میلیون سال به عقب می‌برد.
«نتایج ما نشان می‌دهد که حیات باستانی فراتر از فسیل‌ها باقی می‌ماند؛ بازتاب‌های شیمیایی نیز به‌جا می‌گذارد»، می‌گوید ریزشناس و اخترزیست‌شناس رابرت هازن از مؤسسهٔ کارنگی در ایالات متحده. «با استفاده از یادگیری ماشینی، ما اکنون می‌توانیم این بازتاب‌ها را برای اولین بار به‌طور قابل اطمینان تفسیر کنیم.»
زمان، تجزیه و زمین‌شناسی با ردهای باقی‌مانده از حیات به‌خوبی رفتار نمی‌کنند؛ و هر چه زمان بیشتر می‌گذرد، فرصت تخریب نیز بیشتر می‌شود.
به‌علاوه، زندگی اولیه‌ای که بر روی زمین به‌وجود آمد، به‌نظر می‌رسد میکروب‌های میکروسکوپی بوده‌اند؛ بقایای فیزیکی آنها در طول میلیاردها سال از زمان نخستین حرکت در محیط مرطوب اولیه، به‌طرز چشمگیری تغییر یافته‌اند.
این به این معنی نیست که هیچ ردهایی باقی نمانده است. بر مبنای ساختار فیزیکی‌شان، شکل‌گیری‌هایی مانند استروماتولیت‌ها به‌عنوان بقایای پوشش‌های میکروبی تفسیر می‌شوند؛ جوامعی گسترده از میکروب‌ها که به‌قدری فراوان بودند که لایه‌های خود را در سنگ‌های باستانی ثبت کردند. همچنین چرت‌های سیاه و شیل‌ها، به‌علاوهٔ تشکیل‌های کربناتی، حاوی ردهای جزئی کربن فسیلی هستند که در طول ابدها حفظ شده‌اند.
با این حال، تعیین با قطعیت این‌که آیا این بقایای سوختهٔ کربن به‌شدت تغییر یافته توسط فرایندهای بیولوژیک یا غیربیولوژیک تولید شده‌اند، دشوار است.
اکنون، تیمی به‌سرپرستی هازن، در مقاله‌ای که با همکاری اخترزیست‌شناسان مایکل وونگ و انیرود پرابهو به‌عنوان نویسندگان ارجح منتشر شد، راهی برای شناسایی قطعی کربن باستانی تولیدشده توسط حیات ارائه داد.
در ابتدا، الگوهای خاص و ظریف منحصر به‌فرد زیست‌شناسی که توسط مولکول‌های زیستی در نمونه‌های جوان‌تر باقی می‌ماند را شناسایی کردند. سپس، الگوریتمی یادگیری ماشینی را آموزش دادند تا این الگوها را زیر آستانه‌ٔ تشخیص انسانی شناسایی کند.
هایزن می‌گوید: «اغلب آن را به این تصور کنید که هزاران تکهٔ پازلی را به یک کامپیوتر نشان می‌دهیم و از او می‌پرسیم آیا صحنهٔ اصلی یک گل بوده یا یک شهاب‌سنگ.» او افزود: «به‌جای تمرکز بر مولکول‌های فردی، به‌دنبال الگوهای شیمیایی بودیم و می‌توان این الگوها را در سایر نقاط جهان نیز یافت.»
در نهایت، پژوهشگران ۴۰۶ نمونه از موجودات مدرن و فسیل‌های باستانی که از استروماتولیت‌ها تا ردهای کربن در ماتریس سیلیکایی متغیر بودند، جمع‌آوری و تحت تکنیکی به نام پیروزیس‑گاز کروماتوگرافی‑جرم‌سنجی (Py‑GC‑MS) مورد بررسی قرار دادند.
در این روش، نمونه تحت حرارت قرار می‌گیرد تا مواد آلی آن به قطعات کوچکتر تجزیه شود؛ این قطعات جدا می‌شوند و سپس نشانه‌های جرمی آنها اندازه‌گیری می‌شود.
مدل یادگیری ماشینی سپس داده‌ها را با دقت بررسی کرد تا الگوهای زیستی را کشف کند و دقت بیش از ۹۰ درصد را به‌دست آورد.
پرابهو، کارشناس یادگیری ماشینی، توضیح می‌دهد: «این نمونه‌ها و امضای‌های طیفی که تولید می‌کنند، دهه‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما هوش مصنوعی لنز قدرتمند جدیدی ارائه می‌دهد که امکان استخراج اطلاعات حیاتی و درک بهتر ماهیت آنها را فراهم می‌کند.»
او ادامه می‌دهد: «حتی زمانی که تجزیه باعث می‌شود شناسایی نشانه‌های حیات دشوار شود، مدل‌های یادگیری ماشینی ما همچنان می‌توانند ردهای ظریف باقی‌مانده از فرآیندهای زیستی باستانی را کشف کنند.»
نمونه‌ها از دورهٔ زمان حال 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 – به‌عبارت دیگر هر آنچه زیر حدود ۵۰۰ میلیون سال باشد – امضای زیستی قوی و واضحی تولید کردند. اما هر چه نمونه‌ها قدیمی‌تر می‌شدند، سیگنال‌های زیستی کمتر می‌شدند، زیرا فرآیندهای زمین‌شناسی جزئیات شیمیایی را از بین می‌بردند.
قدیمی‌ترین نمونه‌ای که تشخیص مثبت دریافت کرد، از سنگ جوفسدال با قدمت ۳٫۳۳ میلیارد سال بود.
این به این معنا نیست که نمونه‌های قدیمی‌تر بیولوژیک نیستند. ممکن است این نمونه‌ها به‌حدی تجزیه شده باشند که الگوهای زیستی برای الگوریتم دیگر قابل تشخیص نباشند. اما اکنون، دانشمندان بر این باورند که می‌توانیم به‌صورت قطعی بگوییم حیات بر روی زمین تا ۳٫۳۳ میلیارد سال پیش ظهور کرده و گسترش یافته است، اگرچه امکان دارد این اتفاق زودتر نیز رخ داده باشد.
هایزن می‌گوید: «این مطالعه گامی بزرگ در توانایی ما برای رمزگشایی از قدیمی‌ترین نشانه‌های زیستی زمین است.»
هایزن ادامه می‌دهد: «با ترکیب تجزیه‌وتحلیل شیمیایی قدرتمند با یادگیری ماشینی، روشی برای خواندن «ارواح» مولکولی که توسط حیات اولیه به جا مانده‌اند و پس از میلیاردها سال هنوز اسرارشان را نجوا می‌کنند، پیدا کرده‌ایم. سنگ‌های قدیمی‌ترین زمین داستان‌هایی برای گفتن دارند و ما تازه آغاز به گوش‌دادن به آنها کرده‌ایم.»
این پژوهش در مجلهٔ علمی انجمن ملی علوم منتشر شده است.