قدیم‌ترین ردهای شیمیایی حیات بر روی زمین در سنگی به قدمت ۳٫۳ میلیارد سال کشف شد
باقی‌مانده‌های فسیلی کربن باستانی از قلب استان مپومالانگا در جنوب آفریقا به‌تازگی اولین شواهد شیمیایی حیات بر روی زمین را فراهم کرده‌اند.
طبق تحلیلی جدید که با استفاده از یادگیری ماشین انجام شد، ردپاهای جزئی کربن از شِرت جوزفس‌دال که به ۳٫۳۳ میلیارد سال پیش بازمی‌گردند، قدیمی‌ترین و مطمئن‌ترین شناسایی شیمی زیستی در تاریخ زمین تا کنون را نشان می‌دهند.
علاوه بر این، کار تیم قدیمی‌ترین شواهد فتوسنتز تا به امروز را در سنگ‌های ۲٫۵۲ و ۲٫۳ میلیارد ساله، به ترتیب از جنوب آفریقا و کانادا، شناسایی کرد – که جدول زمانی مستند این فرایند را بیش از ۸۰۰ میلیون سال به عقب می‌کشد.
«نتایج ما نشان می‌دهد که حیات باستانی بیش از فسیل‌ها، «پژواک‌های» شیمیایی باقی می‌گذارد»، می‌گوید رابرت هازن، مینتالوجیست و ستاره‌شناس از مؤسسه کارنگی برای علوم در ایالات متحده. «با استفاده از یادگیری ماشین، ما می‌توانیم برای اولین بار این پژواک‌ها را به‌طور قابل اطمینان تفسیر کنیم.»
زمان، تجزیه و زمین‌شناسی نسبت به ردهایی که حیات پس از خود می‌گذارد، مهربان نیستند؛ هر‌چه زمان می‌گذرد، فرصت تجزیه بیشتر می‌شود.
علاوه بر این، اولین حیات که بر روی زمین ظاهر شد، میکروارگانیسم‌های ریز بودند، به‌نظر دانشمندان، که بقایای فیزیکی آن‌ها در طی میلیاردها سال از زمان اولین جنبش‌هایشان در محیط مرطوب اولیه به‌طرزی چشمگیر تغییر کرده‌اند.
این بدان معنا نیست که هیچ ردپایی باقی نگذاشتند. بر پایه ساختار فیزیکی‌شان، سازندهایی نظیر استروماتولیت‌ها به‌عنوان باقی‌مانده‌های لایه‌های میکروبی تفسیر می‌شوند؛ جوامعی گسترده از میکروارگانیسم‌ها که به‌اندازه‌ای فراوان بودند که لایه‌هایی در سنگ‌های باستانی به‌جا گذاشتند. همچنین شِرت سیاه، شِل و سازندهای کربنات وجود دارند که در آن‌ها ردپاهای جزئی و فسیلی‌سازی‌شده کربن باستانی در طول اعصار حفظ شده‌اند.
با این حال، تعیین قطعی اینکه آیا این بقایای کربنی که به‌شدت تغییر کرده‌اند توسط فرآیندهای زیستی یا غیرزیستی تولید شده‌اند، دشوار است.
اکنون، تیمی به رهبری هازن، در مقاله‌ای به همراه ستاره‌شناسان استرونومی کارنگی، مایکل وونگ و آنیرود پابهو به عنوان نویسندگان اول، روشی برای شناسایی مثبت کربن باستانی تولیدشده توسط حیات ارائه داد.
ابتدا الگوهای خاص و ظریف، مختص زیست‌شناسی را که توسط مولکول‌های زیستی به‌جا مانده‌اند و در نمونه‌های جوان‌تر قابل مشاهده‌اند، شناسایی کردند. سپس الگوریتم یادگیری ماشین را آموزش دادند تا این الگوها را زیر آستانه تشخیص انسان شناسایی کند.
«این کار را می‌توان به‌مثابه نشان دادن هزاران قطعه پازل به یک کامپیوتر و پرسیدن اینکه آیا صحنه اصلی یک گل است یا یک شهاب‌سنگ» هازن می‌گوید. «به‌جای تمرکز بر مولکول‌های جداگانه، ما به‌دنبال الگوهای شیمیایی بودیم و این الگوها می‌توانند در نقاط دیگر جهان نیز صادق باشند.»
در نهایت، پژوهشگران ۴۰۶ نمونه از موجودات مدرن و فسیل‌های باستانی جمع‌آوری کردند که از استروماتولیت‌ها تا ردپاهای کربن در یک ماتریکس سیلیسی متغیر بودند و این نمونه‌ها را تحت تکنیک پیروسیس‑کروماتوگرافی گازی‑طی‌اسپکترومتری جرمی (Py‑GC‑MS) مورد بررسی قرار دادند.
روش Py‑GC‑MS شامل گرم‌کردن نمونه برای شکستن ماده آلی به قطعات کوچکتر، جداسازی این قطعات و سپس اندازه‌گیری امضای جرمی آن‌ها می‌شود.
مدل یادگیری ماشین سپس داده‌ها را مرور کرد تا الگوهای زیستی را شناسایی کند و نرخ دقتی بیش از ۹۰ درصد به‌دست آورد.
«این نمونه‌ها و امضای طیفی که تولید می‌کنند، دهه‌ها مورد مطالعه بوده‌اند، اما هوش مصنوعی لنز قدرتمند جدیدی فراهم می‌کند که به ما امکان استخراج اطلاعات حیاتی و درک بهتر طبیعت آن‌ها را می‌دهد»، پابهو، کارشناس یادگیری ماشین توضیح می‌دهد.
«حتی وقتی تجزیه باعث می‌شود تشخیص نشانه‌های حیات دشوار شود، مدل‌های یادگیری ماشین ما همچنان می‌توانند ردپاهای ریز باقی‌مانده از فرآیندهای زیستی باستانی را شناسایی کنند.»
نمونه‌ها در بازه سنی از زمان حاضر تا حدود ۳٫۸ میلیارد سال پیش متغیر بودند، شامل کربن‌های گرینلند به قدمت ۳٫۷ میلیارد سال و استروماتولیت‌های ۳٫۵ میلیارد ساله از صحرای استرالیا.
نمونه‌های جوان‌تر – یعنی هر چیزی زیر حدود ۵۰۰ میلیون سال – سیگنال‌های زیستی قوی و واضحی تولید کردند. اما هر‌چه سن نمونه‌ها بیشتر می‌شد، سیگنال‌های زیستی کم‌رنگ می‌شدند زیرا فرآیندهای زمین‌شناسی جزئیات شیمیایی را از بین می‌بردند.
قدیمی‌ترین نمونه‌ای که شناسایی مثبت داد، از شِرت جوزفس‌دال بود که به ۳٫۳۳ میلیارد سال پیش بازمی‌گردد.
این به این معنا نیست که نمونه‌های قدیمی‌تر بیولوژیکی نیستند. ممکن است این نمونه‌ها به‌قدری تجزیه شوند که الگو دیگر برای الگوریتم قابل تشخیص نباشد. اما اکنون، دانشمندان بر این باورند که می‌توانیم با اطمینان بگوییم حیات بر روی زمین تا ۳٫۳۳ میلیارد سال پیش ظهور کرده و گسترش یافته است، اگرچه امکان دارد این اتفاق زودتر رخ داده باشد.
«این مطالعه گامی بزرگ به‌سوی توانایی ما در رمزگشایی از قدیمی‌ترین نشانه‌های زیستی زمین است»، هازن می‌گوید.
«با ترکیب تجزیه شیمیایی قدرتمند با یادگیری ماشین، روشی برای خواندن «اشباح» مولکولی باقی‌مانده از حیات اولیه به‌دست آوردیم که پس از میلیاردها سال هنوز اسرار خود را نجوا می‌کنند. سنگ‌های باستانی‌ترین زمین داستان‌هایی برای گفتن دارند و ما تازه آغاز به شنیدن آن‌ها کرده‌ایم.»
پژوهش در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.