„Find“ könnte die Suche nach frühem Leben auf unserem Planeten und anderswo im Kosmos revolutionieren
KI erkennt ‚Geister‘-Signaturen uralten Lebens auf der Erde
Schlüssige fossile Beweise für altes Leben reichen mehr als 3,5 Milliarden Jahre zurück, in Form von Hügeln, sogenannte Stromatoliten, die von bakteriellen Matten abgelagert wurden. Eine neue Analyse der künstlichen Intelligenz verschiebt die molekularen Beweise auf 3,3 Milliarden Jahre zurück.
Bei der Suche nach dem frühesten Leben auf der Erde und anderen Welten suchen Forscher normalerweise nach intakten Fossilien oder Biomolekülen, die nur von lebenden Organismen gebildet wurden. Aber solche Signale sind selten. Heute haben Forscher eine künstliche Intelligenz (KI) entwickelt, die Anzeichen alters Lebens in Gesteinen unbekannter Herkunft identifizieren kann, basierend ausschließlich auf dem Muster der Chemikalien, die beim Abbau von Biomolekülen über Äonen zurückbleiben.
„Wir haben eine Möglichkeit, molekulare ‚Geister‘ zu lesen, die vom frühen Leben zurückgelassen wurden“, sagt Robert Hazen, Geologe am Carnegie Institution for Science, der die heute veröffentlichte Studie in den Proceedings of the National Academy of Sciences leitete.
Mit dieser automatisierten Mustererkennungstechnik sagen die Forscher, dass sie die Lebenssignatur in 3,3 Milliarden Jahre alten Gesteinen erkennen können, was Hunderte Millionen Jahre von den Anzeichen von Leben in den ältesten Fossilien der Erde entfernt ist. Die neue Arbeit beansprucht jedoch auch, die biomolekulare Signatur des frühesten photosynthetischen Lebens vor etwa 800 Millionen Jahren auf 2,5 Milliarden Jahre zurückzuschieben. Forscher arbeiten nun daran, diesen Ansatz anzupassen, um nach Lebenszeichen auf dem Mars und auf den Monden von Jupiter und Saturn zu suchen.
„Das könnte sich als sehr, sehr wichtig herausstellen“, sagt Karen Lloyd, mikrobielle Biogeochemikerin an der University of Southern California, die nicht an der Studie beteiligt war. „Das ist eine großartige Möglichkeit, nach Biosignaturen zu suchen.“
Noch immer umstrittene Mikrofossilbelege für das früheste Leben auf der Erde reichen mehr als 3,7 Milliarden Jahre zurück, in Form von Gesteinen mit Filamenten, die von Mikroben gebildet wurden, die um hydrothermale Quellen im heutigen Kanada leben. Darüber hinaus lieferten Matten von Bakterien im heutigen Western Australia vor etwa 3,5 Milliarden Jahren schlüssigere fossile Beweise in aufgewühlten Strukturen, den sogenannten Stromatoliten. Aber solche Fossilien aus der Jugend der Erde sind äußerst selten.
Forscher haben versucht, diesen Nachweis zu vervollständigen, indem sie nach alten Sedimenten suchen, die nicht Fossilien, sondern chemische und molekulare Lebenszeichen enthalten. Man glaubt, dass nur lebende Organismen in der Lage sind, bestimmte Lipide und ringförmige Verbindungen namens Porphyrine herzustellen, zum Beispiel. Doch die tektonische Maschinerie der Erde neigt dazu, solche Zeichen zu vernichten, indem sie die Sedimente vergraben, zerquetschen, erwärmen und abkühlen. Indirekte Maßnahmen liefern ebenfalls Hinweise. Zum Beispiel sind Gesteine, die älter als 3,7 Milliarden Jahre sind, mit Kohlenstoff-12 angereichert, einem leichten Isotop, das von lebenden Organismen im Vergleich zum schwereren Isotop Kohlenstoff-13 bevorzugt wird. Dennoch hat sich das Finden schlüssiger molekularer Biosignaturen „als kein leichtes Problem erwiesen“, sagt Woodward Fischer, Geobiologe am California Institute of Technology.
Also beschlossen Hazen und seine Kollegen, die Suche nach intakten, biomolekularen Rauchwaffen einzustellen. Stattdessen fragten sie sich, ob sie verräterische Muster im molekularen Detritus erkennen könnten, den diese Verbindungen beim Zerfall hinterlassen.
Dazu sammelte das Team mehr als 400 Proben. Einige davon waren Gesteins- und Sedimentproben, von denen bekannt ist, dass sie entweder lebende oder fossile Organismen enthalten. Andere waren abiotische Proben von Meteoriten. Das Team analysierte sie mit einem Werkzeug namens Pyrolyse-Gaschromatograph-Massenspektrometer (GC-MS). Das Gerät erhitzte die Proben auf mehr als 600 °C und zerlegte sie in flüchtige Fragmente. Die Fragmente wurden dann nach ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften getrennt, identifiziert und anhand ihrer Konzentration aufgezählt. Der Carnegie-Astrobiologe Michael Wong, der Erstautor der Studie, vergleicht das Instrument mit „einem wirklich schicken Ofen, der nicht nur Ihren Kuchen backt, sondern ihn auch schmeckt.“
Am Ende wurde jede Probe in eine Datenlandschaft verwandelt, mit bis zu Hunderttausenden einzelnen Gipfeln, die jeweils ein anderes mögliches molekulares Fragment darstellten. Anschließend verwendeten sie eine konventionelle maschinelle Lerntechnik, bekannt als Zufallswaldmodell, um sowohl in dem, was vorhanden war, als auch in dem, was fehlte, nach Mustern zu suchen. „Das maschinelle Lernmodell versucht im Wesentlichen, jede einzelne dieser Datenlandschaften als Fingerabdruck zu nutzen, um herauszufinden, was sich ähnelt und was sich unterscheidet“, sagt der Carnegie-Geoinformatik-Experte Anirudh Prabhu.
Nachdem sie 75 % der Proben zum Training ihrer KI verwendet hatten, ließen die Forscher sie dann auf den Rest los. Bei Testproben unterschied die KI korrekt zwischen biologischen und abiotischen Proben mit mehr als 90 % Genauigkeit. Es entdeckte auch chemische Muster, die einzigartig für die Biologie in Gesteinen sind, die bis zu 3,3 Milliarden Jahre alt sind, fast doppelt so alt wie frühere biomolekulare Signaturen, die in alten Gesteinen erhalten sind.
Darüber hinaus hat die KI das molekulare Muster herausgefunden, das mit der sauerstoffproduzierenden Photosynthese in Gesteinen bis zu 2,5 Milliarden Jahre alt verbunden ist. Obwohl es reichlich geochemische Belege für photosynthetisches Leben aus dieser Zeit durch die plötzliche Sauerstoffexplosion gibt, die es erzeugte, sind erhaltene Belege für die molekulare Maschinerie dieser Organismen spärlich. Die neuen Ergebnisse verschieben laut Autoren die molekulare Signatur des photosynthetischen Lebens um mehr als 800 Millionen Jahre.
Nicht alle Unterschriften waren leicht zu erkennen. Bei Proben, die als biotisch gelten, identifizierte die KI etwa zwei Drittel der Zeit Lebenszeichen in Gesteinen, die 500 Millionen bis 2,5 Milliarden Jahre alt sind. Aber bei Gesteinen, die älter als 2,5 Milliarden Jahre sind, sank diese Zahl auf 47 %. Für jede Stichprobe gab das Modell nicht nur an, ob die Lebenssignatur vorhanden war, sondern lieferte auch einen Wahrscheinlichkeitswert. Wenn eine Probe für „biotisch“ über 60 % erzielte, galt das als starker Treffer. „Das Selbstvertrauen ist nicht so gut, wie man es sich wünschen würde“, sagt Lloyd. Dennoch merkt sie an, dass sich das ändern könnte, wenn Forscher die Trainingsdaten der KI mit mehr Stichproben verstärken.
Die Forscher sind begierig darauf, das System an außerirdischen Proben zu testen. Laut Prabhu öffnet das Modell „die Tür zur Erkundung alter und fremder Umgebungen mit einer neuen Perspektive, geleitet von Mustern, die wir vielleicht selbst nicht einmal kennen.“ Wong fügt hinzu, dass diese Biosignatur-Mustererkennung auch mit anderen analytischen Werkzeugen zusammenarbeiten sollte, was zukünftigen robotischen Missionen zum Mars, zum Jupitermond Europa und zum Saturnmond Enceladus helfen könnte, ihre Suche nach Signaturen außerirdischen Lebens zu erweitern.
Wongs Gruppe startet ein neues, 5 Millionen Dollar teures, von der NASA finanziertes Projekt, um genau das zu tun. Das Ziel, sagt er, ist es, „eine der größten wissenschaftlichen Fragen zu beantworten, die uns noch offen bleiben, nämlich: Sind wir allein im Universum?“ NEIN! Argumentation folgt!
