Як ШІ розкрив 3 мільярди років бактеріальної еволюції

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 надзвичайно ускладнювало для науковців встановлення хронології їхньої ранньої еволюції. Але за допомогою машинного навчання нам вдалося заповнити багато деталей. Наше нове дослідження, опубліковане сьогодні в Science, також виявляє, що деякі бактерії розвинули здатність використовувати кисень задовго до того, як Земля наситилася ним 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.

«Ніщо в біології не має сенсу, окрім як у світлі еволюції», як відомо сказав еволюційний біолог Теодосіус Добжанський у 1973 році. Але як відбувалася еволюція життя протягом ранньої історії Землі? Порівняння послідовностей ДНК з дивовижної різноманітності життя, яку ми бачимо сьогодні, може розповісти нам, як різні групи пов'язані між собою. Наприклад, ми, люди, ближче споріднені з грибами, ніж з яблунями. Так само такі порівняння можуть розповісти нам, як різні групи бактерій пов'язані між собою.

Але порівняння послідовностей ДНК може завести нас лише до певної межі. Порівняння ДНК не говорить, коли саме в історії Землі відбувалися еволюційні події. В один момент часу організм дав початок двом нащадкам. Один з них дав початок грибам, інший — людям (і багатьом іншим видам). Але коли саме цей організм жив? Скільки років тому?

Геологія розповідає нам про існування іще однієї монументальної події в історії Землі, що сталася 2,4 мільярда років тому. У той час атмосфера Землі кардинально змінилася. Група бактерій, звана ціанобактеріями, винайшла трюк, який назавжди змінив історію життя: фотосинтез.

Збір енергії від сонця живив їхні клітини. Але він також створював незручний побічний продукт — газоподібний кисень.

Протягом мільйонів років кисень в атмосфері повільно накопичувався. До цієї «Великої Оксигенації» Земля не містила майже жодного кисню, тому життя не було готове до нього. Фактично, для непідготовлених бактерій кисень є отруйним газом, і тому його вивільнення в атмосферу, ймовірно, спричинило масове вимирання. Бактерії, що вижили, або еволюціонували, щоб використовувати кисень, або відступили в куточки планети, куди він не проникає.

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 почали з тренування моделі штучного інтелекту для прогнозування, чи живе бактерія з киснем чи ні, на основі генів, які вона має. Багато бактерій, які ми бачимо сьогодні, використовують кисень, наприклад, ціанобактерії та інші, що живуть в океані. Але багато не використовують, наприклад, бактерії, що живуть у нашому кишечнику.

З точки зору завдань машинного навчання, це було досить просто. Хімічна сила кисню значно змінює геном бактерії, оскільки клітинний метаболізм організовується навколо використання кисню, і тому в даних є багато підказок.

Потім ми застосували наші моделі машинного навчання для прогнозування, які бактерії використовували кисень у минулому. Це було можливо, оскільки сучасні методи дозволяють нам оцінити не лише те, як пов'язані види, які ми бачимо сьогодні, а й те, які гени кожен предок мав у своєму геномі.

Поєднуючи результати геології, палеонтології, філогенетики та машинного навчання, ми змогли значно уточнити час бактеріальної еволюції.

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 висновки вказували на те, що ціанобактерії фактично розвинули здатність використовувати кисень ще до того, як розвинули фотосинтез.

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.