Ősi kőzetek rántották le a leplet a földi élet kezdetéről, és kiderült, 800 millió évet tévedtünk.
A Föld legkorábbi életének nagyon kevés kémiai nyoma maradt fenn. Az olyan törékeny maradványok, mint az ősi sejtek és mikrobiális bevonatok, a bolygó változó kérge miatt eltemetődtek, összenyomódtak, felmelegedtek, majd szétszakadtak, mielőtt ismét a felszínre kerültek volna. Ezek a drasztikus változások eltörölték az élet kezdetére és fejlődésére utaló nyomok nagy részét.
A Föld legkorábbi életének tanulmányozásához a paleobiológusok elsősorban fosszíliákra támaszkodnak. Ezek magukban foglalják egysejtűek és fonalak apró maradványait, valamint mikrobiális bevonatok és réteges sztromatolitok megkövesedett nyomait. Ezek a fosszíliák azt mutatják, hogy legalább 3,5 milliárd éve létezett élet, de nagyon ritkák.
Most fejlett kémiai módszerekkel és mesterséges intelligenciával egy Carnegie-kutatócsoport új kémiai nyomokat fedezett fel a Föld legkorábbi életéről 3,3 milliárd éves kőzetekben, és bizonyítékot arra, hogy az oxigéntermelő fotoszintézis több mint 800 millió évvel korábban kezdődött, mint eddig hittük.
A tanulmány azon az elképzelésen alapul, hogy az élet meghatározott funkciókhoz választ ki molekulákat, ellentétben például a meteoritok vagy más élettelen kémiai rendszerek véletlenszerű összetételével. Az élő sejtek sokféle molekulát termelnek nagy mennyiségben, mindegyiknek megvan a maga szerepe. Az új kutatás azt mutatja, hogy még ha az ősi biomolekulák már nem is maradtak fenn, a kőzetekben található törmelékszerű töredékeik mintázata akkor is árulkodhat az egykori életről.
A csapat 406 mintát elemzett szerves molekulákkal, pyrolysis gázkromatográfia és tömegspektrometria segítségével. Ezek között volt 141 ősi üledékes kőzet (kb. 3,8 milliárd és 10 millió év közötti korú), 65 fosszíliákban gazdag minta, például szén és olajpala, valamint 123 modern növény, állat és gomba. Emellett 42 meteoritot és 35 laborban előállított szerves keveréket is vizsgáltak, hogy összevessék az élő és élettelen eredetű anyagokat.
A 406 mintából 272 illeszkedett a gépi tanuláshoz használt 9 kategóriába: modern állatok; modern növények (nem fotoszintetizáló részek, pl. gyökerek, virágok); modern növények (levelek, fotoszintetizáló szövetek); fosszilis cianobaktériumok/alga által képzett üledékes kőzetek; fosszilis fa (pl. szén); állati fosszíliák (pl. halak, csigák fehérjéi); modern gombák; meteoritok; és szintetikus minták.
A kutatók fejlett spektrometriával elszigetelték a minták kémiai töredékeit, majd egy „random forest” gépi tanulási modellt alkalmaztak. Ez a módszer döntési fák százait építi fel, hogy osztályozza az adatokat és felfedje a rejtett biológiai mintázatokat. Ez az első alkalom, hogy felügyelt gépi tanulást használnak több milliárd éves kőzetek bioszignatúráinak kimutatására.
A modell akár 98%-os pontossággal különítette el az élő eredetű szerves anyagokat az élettelenektől. A fotoszintézis jeleit 93%-os, a növényi és állati eredetű mintákat 95%-os pontossággal azonosította. Az ősi kőzetek osztályozása azonban nehezebb, mivel kevés állati fosszília szerepel a tanítóadatokban.
A minták egyszerű címkézése helyett („élet” vagy „nem élet”) a modell valószínűségi pontszámokat adott. A 60% feletti érték erős életjelnek számított. Ez árnyaltabb megközelítést ad, például a 400 °C fölé melegített szén elveszítheti biológiai jeleit, és a „bizonytalan” tartományba kerülhet. Ugyanakkor a jól megőrzött ősi minták egyértelműen a „biotikus” zónában maradtak.
A kutatás három fő eredményt hozott. Az egyik a fotoszintetikus eredetű szerves molekulák kimutatása 2,52 milliárd éves dél-afrikai kőzetekben, és ez 800 millió évvel korábbi időpont, mint a korábbi leletek. A másik a biológiai eredetű szerves molekulák nyomainak azonosítása 3,51 milliárd éves indiai kőzetekben. A harmadik pedig a nem fotoszintetikus eredetű szerves molekulák kimutatása 3,5 milliárd éves dél-afrikai kőzetekben.
Egy másik fontos eredmény, hogy a felügyelt gépi tanulás képes biokémiai jeleket felismerni paleoarchaikum kori mintákban is – vagyis olyan régi és átalakult kőzetekben, amelyekben már nem maradtak meg ép biomolekulák.
