Nový výzkum ukazuje, že kyslíková fotosyntéza – klíčový milník života – mohla začít až o miliardu let dříve, než se dosud myslelo. Díky kombinaci chemie a umělé inteligence vědci objevili stopy kyslíku v horninách starých 3,3 miliardy let.
Jaký byl nejdůležitější krok v historii života na Zemi? Jakou nejdůležitější změnu přinesla evoluce? Mohli bychom si myslet, že tato pocta patří mozku, nejsložitějšímu orgánu, který ve vesmíru známe, ale to by bylo velmi antropocentrické. Pokud uvažujeme na celoplanetární úrovni, vytvořily ho drobné mikroorganismy dávno předtím, než jsme tu byli my.
Ve skutečnosti neexistovali žádní lidé, žádná zvířata, vlastně žádné mnohobuněčné bytosti. Byly to první organismy schopné produkovat kyslík prostřednictvím fotosyntézy a soudě podle nové studie publikované v časopise PNAS se tak možná stalo mnohem dříve, než jsme si mysleli. Bez nich by v atmosféře nebyl žádný kyslík a bez kyslíku není k dispozici dostatek energie k pohonu složitých forem života. Za vše, čím jsme, vděčíme této evoluční inovaci a nyní jsme díky chemii a umělé inteligenci vystopovali její původ.
Kyslíková fotosyntéza, proces, při kterém sinice a rostliny přeměňují sluneční světlo na chemickou energii a uvolňují kyslík jako vedlejší produkt, byla zásadním zlomem v historii Země. Tento proces nejen umožnil hromadění kyslíku v atmosféře, ale také radikálně proměnil planetu a vytvořil prostředí, v němž se mohly vyvinout složité formy života. O přesném načasování začátku tohoto procesu se však vedou již desítky let spory.
Pokud je výzkum správný, mohl klíčový krok pro vznik složitých forem života nastat mnohem dříve, přibližně do 1 miliardy let od vzniku Země. To znamená, že by to také mohlo být pravděpodobnější, než si představujeme.
Bod zvratu
Když se před 4,5 miliardami let zformovala Země, sloučené planetesimály byly jen o málo víc než houf žhavých uhlíků, přílivová vlna lávy zářící v černi vesmíru. Odhlédneme-li od skutečnosti, kterou můžeme zprostředkovat v několika větách, toto inferno se časem zmírnilo, ale Země, kterou zrodilo, byla ještě daleko od toho, jak ji známe. I když se na ní objevil život, scénář byl zcela jiný a důvod, ač přímo neviditelný, měl na planetu více než hmatatelný vliv: v atmosféře nebyl kyslík.
Kyslík je prvek, který má tendenci se vázat s křemíkem, přičemž oba tyto prvky jsou velmi časté, a vytvářejí křemičitany v podobě hornin a písku. Život se v takovém prostředí zrodil asi před 4 miliardami let a dlouho se bez kyslíku obešel, ale v určitém okamžiku se něco změnilo. Řada mikroorganismů zvaných sinice vyvinula vynikající strategii přežití zvanou „kyslíková fotosyntéza“. To znamená, že získávaly energii ze slunce k výrobě živin a přitom uvolňovaly kyslík do atmosféry. Dosud jsme se domnívali, že se tak stalo před 2,4 až 2,7 miliardami let. A mělo to dramatické důsledky.
Velká oxidace
Kyslík, tak základní pro naše přežití, se stal neviditelným zabijákem, nesmírně reaktivním prvkem, toxickým pro mnoho tehdejších forem života, které vymřely, což znamenalo pro život na Zemi mezník, který nazýváme „Velká oxidace„. Ta proběhla zhruba před 2 miliardami let a tato velká množství kyslíku poskytla nejen zajímavý zdroj energie pro nejodolnější organismy, ale také umožnila vznik molekul ozonu (tvořeného třemi atomy kyslíku), které by kolem naší planety vytvořily ochranný štít, blokující životu škodlivé záření, jako je například ultrafialové záření. Od té doby se planeta mění, a to především díky kyslíku.
Studie odborníků z Carnegie Institution for Science a Michiganské státní univerzity nyní tento milník posunula téměř o miliardu let dopředu, na dobu před 3,5 miliardami let, kdy se život na Zemi teprve objevil. Aby dospěli k těmto závěrům, použili odborníci chemické techniky s vysokým rozlišením k rozkladu organických a anorganických materiálů v horninách na drobné molekulární fragmenty. Poté vycvičili systém umělé inteligence na více než 400 vzorcích – od moderních rostlin a živočichů až po miliardu let staré fosilie a meteority – aby se naučili rozlišovat, které kombinace fragmentů jsou typické pro biologické procesy a které nikoli. Model byl schopen identifikovat tyto „chemické otisky prstů“ s více než 90% přesností, a to i v horninách tak starých a přeměněných, že z nich nezůstaly žádné původní biomolekuly.
Překvapení
Při použití této metody na horniny staré více než 3,3 miliardy let systém detekoval signál slučitelný s kyslíkovou fotosyntézou, což naznačuje, že mikroorganismy schopné uvolňovat kyslík zde byly mnohem dříve, než by naznačoval tradiční geologický záznam. Podle týmu jsou tyto „chemické stopy“ tak jemné, že zůstaly po desetiletí nepovšimnuty, pohřbeny pod miliardami let geologických přeměn. Kombinace pokročilé chemie a strojového učení je však vynesla na světlo a zrekonstruovala zásadní část historie života.
Tato technika by totiž mohla (téměř) zdvojnásobit časové okno, ve kterém můžeme tyto biochemické signály v geologickém záznamu odhalit. Jak zdůrazňuje výzkumnice Katie Maloneyová, tato technika otevírá novou cestu ke studiu nejen naší planety, ale také vzorků z Marsu nebo jiných světů, kde by případné biologické signály byly stejně slabé a roztříštěné. Zajímavá technika vyzkoušená na nejdůležitější epizodě života na Zemi.