Искусственный интеллект нашел «призрачные» следы древней жизни на Земле

Это открытие может произвести революцию в поиске ранних форм жизни на нашей планете и в других уголках космоса

В поисках древнейшей жизни на Земле и в других мирах исследователи обычно ищут нетронутые окаменелости или биомолекулы, которые могут образоваться только в живых организмах. Но таких сигналов очень мало. Теперь исследователи разработали искусственный интеллект, который может выявлять признаки древней жизни в породах неизвестного происхождения, основываясь только на химическом составе, который остается после разложения биомолекул в течение тысячелетий.

Исследователи искали следы жизни в древних породах

«У нас есть способ считывать молекулярные „призраки“, оставленные древней жизнью», — говорит Роберт Хейзен (Robert Hazen), геолог из Научного института Карнеги, который руководил исследованием, опубликованным в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Используя этот метод автоматизированного распознавания образов, исследователи утверждают, что могут обнаружить следы жизни в породах возрастом 3,3 миллиарда лет, что на сотни миллионов лет раньше, чем были обнаружены следы жизни в древнейших окаменелостях Земли.

Однако в новой работе также утверждается, что биомолекулярные следы древнейшей фотосинтезирующей жизни появились на 800 миллионов лет раньше, то есть 2,5 миллиарда лет назад. В настоящее время исследователи работают над адаптацией этого подхода для поиска признаков жизни на Марсе и спутниках Юпитера и Сатурна.

«Это может оказаться очень, очень важным, — говорит Карен Ллойд (Karen Lloyd), биогеохимик из Университета Южной Калифорнии, которая не участвовала в исследовании. — Это отличный способ поиска биосигнатур».

До сих пор обсуждаемые микроокаменелости, свидетельствующие о появлении самой ранней жизни на Земле, датируются возрастом более 3,7 миллиарда лет. Это горные породы, содержащие нити, образованные микроорганизмами, жившими вокруг гидротермальных источников на территории современной Канады.

Кроме того, около 3,5 миллиарда лет назад в Западной Австралии образовались более убедительные окаменелости в виде куполообразных структур, называемых строматолитами. Но такие окаменелости, относящиеся к раннему периоду Земли, встречаются крайне редко.

Исследователи попытались восполнить этот пробел, отыскивая древние отложения, в которых содержатся не окаменелости, а химические и молекулярные признаки жизни. Считается, что только живые организмы способны вырабатывать определенные липиды и кольцевые соединения, например порфирины. Но тектонические процессы на Земле, как правило, уничтожают такие признаки, погребая, раздавливая, нагревая и охлаждая отложения.

Косвенные методы также дают подсказки. Например, породы возрастом более 3,7 миллиарда лет обогащены углеродом-12, легким изотопом, который предпочитают живые организмы, по сравнению с более тяжелым изотопом углеродом-13. Тем не менее, по словам Вудворда Фишера (Woodward Fischer), геобиолога из Калифорнийского технологического института, поиск убедительных молекулярных биосигнатур «оказался совсем не простой задачей».

Как работал искусственный интеллект

Итак, Хейзен и его коллеги решили отказаться от поиска нетронутых биомолекулярных «улик». Вместо этого они задались вопросом, можно ли выявить характерные закономерности в молекулярном мусоре, который остается после распада этих соединений.

Для этого команда собрала более 400 образцов. Некоторые из них представляли собой образцы горных пород и осадочных отложений, в которых, как известно, содержатся живые или ископаемые организмы. Другие были абиотическими образцами из метеоритов. Команда проанализировала их с помощью инструмента под названием пиролитический газовый хроматограф-масс-спектрометр (ГХ-МС).

Устройство нагревало образцы до температуры более 600 °C, превращая их в летучие фрагменты. Затем фрагменты были разделены по физическим и химическим свойствам, идентифицированы и подсчитаны по концентрации. Астробиолог из Университета Карнеги Майкл Вонг (Michael Wong), первый автор исследования, сравнивает этот прибор с «по-настоящему продвинутой духовкой, которая не только испечет ваш торт, но и попробует его за вас».

В итоге каждый образец был преобразован в массив данных, содержащий до сотен тысяч отдельных пиков, каждый из которых представлял собой отдельный возможный молекулярный фрагмент. Затем они использовали традиционный метод машинного обучения, чтобы выявить закономерности как в наличии, так и в отсутствии определенных веществ.

После того как исследователи использовали 75% образцов для обучения искусственного интеллекта, они применили его к остальным. Для тестовых образцов ИИ правильно определил биологические и абиотические образцы с точностью более 90%. Он также обнаружил уникальные для биологии химические соединения в породах возрастом 3,3 миллиарда лет, что почти в два раза больше возраста предыдущих биомолекулярных сигнатур, сохранившихся в древних породах.

Кроме того, ИИ выявил молекулярную структуру, связанную с фотосинтезом, в результате которого образуется кислород, в горных породах возрастом до 2,5 миллиардов лет. Хотя существует множество геохимических доказательств того, что в то время существовала фотосинтезирующая жизнь, о чем свидетельствует внезапное увеличение количества производимого ею кислорода, сохранившихся доказательств молекулярного механизма этих организмов крайне мало. По словам авторов, новые результаты позволяют отодвинуть молекулярные признаки фотосинтезирующей жизни более чем на 800 миллионов лет назад.

Не все сигнатуры было легко обнаружить. В образцах, которые предположительно являются биотическими, в породах возрастом от 500 миллионов до 2,5 миллиардов лет ИИ обнаружил сигнатуры жизни примерно в двух третях случаев. Но в породах возрастом более 2,5 миллиардов лет этот показатель снизился до 47%.

Для каждого образца модель не только сообщала, присутствует ли сигнатура жизни, но и указывала вероятность ее наличия. Если образец набирал более 60% баллов по показателю «биотик», он считался перспективным.

Теперь исследователи хотят протестировать систему на внеземных образцах.

Ученые обнаружили чрезвычайно редкие остатки «прото-Земли», которая сформировалась около 4,5 миллиарда лет назад, до того, как колоссальное столкновение необратимо изменило состав примитивной планеты.