Як штучний інтелект відкрив таємниці трьох мільярдів років еволюції бактерій.

Нове дослідження, опубліковане в журналі Science, виявило, що деякі бактерії розвинули здатність використовувати кисень майже за 900 мільйонів років до Великої Оксигенації Землі, змінивши наше розуміння ранньої еволюції життя.

На Землі існує приблизно трильйон видів мікроорганізмів -- переважна більшість яких є бактеріями. Бактерії складаються з однієї клітини. Вони не мають кісток і не схожі на великих тварин, які залишають чіткі сліди в геологічному літописі, які вдячні палеонтологи можуть вивчати через багато мільйонів років.

Це значно ускладнювало науковцям завдання відтворення хронології ранньої еволюції організмів. Проте завдяки методам машинного навчання нам вдалося доповнити багато відомостей. Наше нове дослідження, яке було опубліковано сьогодні в журналі Science, також показує, що деякі бактерії здобули здатність використовувати кисень задовго до того, як його концентрація в атмосфері Землі зросла приблизно 2,4 мільярда років тому.

Близько 4,5 мільярда років тому утворився Місяць. Насильницьким шляхом. Об'єкт розміром з Марс зіткнувся із Землею, перетворивши її поверхню на розплавлену породу. Якщо життя існувало до цієї катастрофи, воно, ймовірно, було знищено.

Після цього з'явилися нинішні предки всіх живих істот: одноклітинні мікроби. Протягом перших 80% історії життя Земля була заселена виключно цими мікробами.

"У біології немає нічого, що мало б значення, якщо не розглядати це через призму еволюції", – зазначив у 1973 році відомий еволюційний біолог Теодосіус Добжанський. Але яким чином еволюція формувала життя на нашій планеті в її ранній історії? Аналіз ДНК різних видів, які складають дивовижне різноманіття сучасного світу, може пролити світло на те, як різні групи організмів пов'язані одна з одною. Наприклад, виявляється, що люди мають більше спільного з грибами, ніж з яблунями. Подібні дослідження також дають нам змогу зрозуміти, як різні групи бактерій взаємодіють і зв'язуються між собою.

Однак аналіз ДНК може надати лише обмежене уявлення про еволюційні зв’язки. Хоча порівняння геномів може вказувати на спорідненість видів, воно не забезпечує чіткої інформації про те, коли відбувалися ключові еволюційні переходи в історії Землі. В певний момент в часі один організм став пращуром для двох різних ліній: одна з них призвела до виникнення грибів, а інша — до людей та багатьох інших видів. Але коли саме цей предок існував? Скільки тисячоліть тому це сталося?

Геологічні дослідження відкривають ще одну грандіозну подію в історії нашої планети, яка відбулася близько 2,4 мільярда років тому. Саме в цей період атмосфера Землі зазнала суттєвих змін. Група мікроорганізмів, відома як ціанобактерії, розробила революційний процес, що назавжди змінив еволюцію життя: фотосинтез.

Збирання сонячної енергії постачало енергію їхнім клітинам. Проте цей процес також генерував неприємний побічний продукт — кисень у газоподібному стані.

Протягом мільйонів років у атмосфері повільно накопичувався кисень. До ери, відомої як "Велика Оксигенація", Земля майже не містила цього газу, і життя не було готове до його появи. Власне, для багатьох бактерій, які не адаптувалися, кисень став отруйним, що й могло спричинити масове вимирання. Ті ж мікроорганізми, які змогли вижити, або пристосувалися до використання кисню, або ж знайшли укриття в місцях, де його рівень був низьким.

Велика Оксигенація особливо цікава для нас не лише через її вплив на історію життя, а й тому, що їй можна дати чітку дату. Ми знаємо, що це сталося приблизно 2,4 мільярда років тому, і ми також знаємо, що більшість бактерій, які пристосувалися до кисню, мали жити після цієї події. Ми використали цю інформацію, щоб нашарувати дати на бактеріальне древо життя.

Ми розпочали процес навчання моделі штучного інтелекту для визначення того, чи може бактерія існувати в середовищі з киснем, виходячи з її генетичної інформації. Сьогодні існує безліч бактерій, які використовують кисень, такі як ціанобактерії та інші види, що мешкають у морських водах. Проте існують також бактерії, які обходяться без кисню, наприклад, ті, що населяють наш кишечник.

З перспективи машинного навчання, це завдання виявилося досить легким. Хімічна активність кисню значно впливає на геном бактерій, оскільки клітинний метаболізм адаптується до використання кисню, що створює безліч підказок у даних.

Після цього ми використали наші моделі машинного навчання для передбачення, які бактерії споживали кисень в минулі епохи. Це стало можливим завдяки сучасним методам, які дозволяють нам не лише вивчати взаємозв'язки між нині існуючими видами, а й визначати, які гени були присутні у геномах їх предків.

Об'єднуючи дані з геології, палеонтології, філогенетики та методів машинного навчання, ми змогли значно вдосконалити розуміння хронології еволюції бактерій.

Наші результати також виявили дивовижний поворот: деякі бактеріальні лінії, здатні використовувати кисень, існували приблизно за 900 мільйонів років до Великої Оксигенації. Це свідчить про те, що ці бактерії розвинули здатність використовувати кисень навіть тоді, коли атмосферний кисень був рідкісним.

Що ще більш вражає, наші результати свідчать про те, що ціанобактерії насправді набули здатності використовувати кисень ще до того, як у них з'явилася можливість фотосинтезу.

Ця структура не лише змінює наше розуміння еволюційної історії бактерій, але також ілюструє, як можливості життя еволюціонували у відповідь на зміну середовища Землі.

Дослідження проведене Беном Вудкрофтом з Технологічного університету Квінсленда та Адріаном А. Давіном зі Швейцарського федерального технологічного інституту в Цюриху.