کشف نشانه‌های شیمیایی حیات ۳.۳ میلیارد ساله با هوش مصنوعی؛ فتوسنتز زودتر آغاز شد

کشف ردپای مولکولی حیات باستانی با کمک هوش مصنوعی

پژوهشگران موسسه کارنگی با یک دستاورد علمی خیره‌کننده، قدیمی‌ترین نشانه‌های شیمیایی حیات اولیه زمین را در سنگ‌هایی با قدمت ۳.۳ میلیارد سال کشف کردند. این یافته انقلابی نشان می‌دهد که فرایند حیاتی فتوسنتزِ تولیدکننده اکسیژن، احتمالاً بیش از ۸۰۰ میلیون سال زودتر از تخمین‌های پیشین آغاز شده است.

پیدا کردن آثار حیات اولیه روی کره زمین همواره یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های علم بوده است. سلول‌ها، لایه‌های میکروبی و ساختار‌های شکننده زیستی در طول میلیاردها سال تحت فشار، حرارت و دگرگونی‌های شدید مدفون شده و از بین رفته‌اند. به همین دلیل، دانشمندان عمدتاً به فسیل‌های تک‌سلولی محدود یا ساختارهای معدنی‌شده‌ای مانند استروماتولیت‌ها که قدمت حیات را دست‌کم به ۳.۵ میلیارد سال می‌رسانند، متکی بوده‌اند.

اما تیم تحقیقاتی موسسه کارنگی با به‌کارگیری تحلیل‌های شیمیایی دقیق و مدل‌های پیشرفته هوش مصنوعی، توانستند الگوهای شیمیایی جدیدی را در سنگ‌های بسیار قدیمی شناسایی کنند. این الگوها ثابت می‌کنند که حتی پس از تجزیه کامل مولکول‌های زیستی اولیه، ردپای مولکولی ناشی از آن‌ها در ساختار سنگ باقی می‌ماند و قابل تشخیص است.

روش‌شناسی پیشرفته: ترکیب شیمی و یادگیری ماشین

در این مطالعه، پژوهشگران برای یافتن الگوهای اختصاصی حیات، ۴۰۶ نمونه حاوی مولکول‌های آلی را با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته‌ای چون پیرولیز کروماتوگرافی گازی و طیف‌سنجی جرمی مورد بررسی قرار دادند. این نمونه‌ها شامل طیف وسیعی از مواد زیستی و غیرزیستی بودند:

• ۱۴۱ سنگ رسوبی: با قدمتی بین ۱۰ میلیون تا ۳.۸ میلیارد سال.
• ۶۵ نمونه فسیل‌دار: شامل زغال‌سنگ و نفت‌سنگ.
• ۱۲۳ نمونه زیستی مدرن: شامل گیاهان، حیوانات و قارچ‌ها.
• ۴۲ شهاب‌سنگ: برای مقایسه با مواد غیرزیستی کیهانی.
• ۳۵ نمونه آلی سنتزی: تولیدشده در محیط آزمایشگاه.

دقت بی‌سابقه مدل یادگیری ماشین

در گام بعدی، پژوهشگران برای طبقه‌بندی داده‌ها، یک مدل یادگیری ماشین از نوع «جنگل تصادفی» را آموزش دادند. این رویکرد برای نخستین‌بار در شناسایی نشانه‌های زیستی (بیوساینچرها) مربوط به سنگ‌های میلیاردساله به کار گرفته شد و نتایج شگفت‌انگیزی به دست آورد:

این سطح از دقت نشان می‌دهد که حتی در سنگ‌های دگرگون‌شده و بسیار قدیمی پالئو آرکئن، مدل‌های یادگیری ماشین توانایی بازیابی ردپای حیات را دارند؛ حتی در غیاب هرگونه مولکول زیستی سالم.

رمزگشایی از اشباح مولکولی حیات

انیرواد پرابهو، نویسنده اصلی پژوهش، تأکید کرد که هوش مصنوعی قادر است الگوهای بسیار ظریف و پنهان در داده‌های شیمیایی را آشکار کند؛ الگوهایی که سال‌ها از دید پژوهشگران پنهان مانده بودند.

وقتی تجزیه و دگرگونی شدید باعث می‌شود نشانه‌های زندگی قابل مشاهده نباشد، مدل‌های ما می‌توانند باز هم رد‌های ظریف بر جای‌مانده از فرایندهای زیستی را تشخیص دهند.

رابرت هیزن از موسسه کارنگی نیز این پژوهش را «جهشی بزرگ» در توانایی ما برای رمزگشایی از قدیمی‌ترین نشانه‌های زیستی زمین دانست.

ما اکنون می‌توانیم اشباح مولکولی به‌جامانده از حیات اولیه را حتی پس از میلیاردها سال بخوانیم و تفسیر کنیم.

این یافته‌های مهم که در نشریه معتبر Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده، درک ما از تاریخچه حیات و تکامل زمین را به طور جدی تغییر می‌دهد.