ساعدت الذكاء الاصطناعى في رسم تطور البكتيريا على الأرض
بريسبان / زيوريخ:
هناك تقريبا نوع من مليار الكائنات الحية الدقيقة على الأرض – الغالبية العظمى منها هي البكتيريا.
البكتيريا تتكون من خلية واحدة. ليس لديهم عظم وليس مثل الحيوانات الكبيرة التي تترك علامات واضحة في الملف الجيولوجي ، والتي يمكن لعلماء الحفريات الامتنان دراسة بعد عدة ملايين من السنين.
هذا جعل من الصعب للغاية على العلماء إنشاء التسلسل الزمني لتطورهم المبكر. ولكن بمساعدة التعلم التلقائي ، تمكنا من ملء العديد من التفاصيل. بحثنا الجديد ، نشرت اليوم في العلوميكشف أيضًا أن بعض البكتيريا قد طورت القدرة على استخدام الأكسجين قبل وقت طويل من تشبع الأرض قبل حوالي 2.4 مليار سنة.
حدث ضخم في تاريخ الأرض
منذ حوالي 4.5 مليار سنة ، تشكل القمر. بعنف. اصطدم كائن من حجم المريخ بالأرض ، وحول سطحه إلى صخرة فوندو. إذا كانت الحياة موجودة قبل هذا الكارثة ، فربما تم تدميرها.
بعد ذلك ، ظهر أسلاف جميع الكائنات الحية: الميكروبات الخلوية. بالنسبة إلى 80 ٪ من النسبة المئوية الأولى من تاريخ الحياة ، كانت الأرض يسكنها هذه الميكروبات فقط.
لا يوجد شيء في علم الأحياء له معنى إلا في ضوء التطور ، باعتباره عالم الأحياء التطوري ثيودوز دوبزانسكي قال الشهير في عام 1973. لكن كيف تمر تطور الحياة عبر التاريخ الأول للأرض؟
يمكن أن تخبرنا مقارنة تسلسل الحمض النووي للتنوع الرائع للحياة الذي نراه اليوم كيف ترتبط المجموعات المختلفة ببعضها البعض. على سبيل المثال ، نحن ، البشر ، مرتبطون ارتباطًا وثيقًا بالفطر أكثر من أشجار التفاح. وبالمثل ، يمكن لهذه المقارنات أن تخبرنا كيف ترتبط مجموعات مختلفة من البكتيريا ببعضها البعض.
لكن المقارنة بين تسلسل الحمض النووي يمكن أن تأخذنا فقط بعيدا. لا تقول مقارنات الحمض النووي متى في تاريخ الأرض ، حدثت أحداث تطورية. عند نقطة واحدة ، استنسخ كائن حي اثنين من أحفاد. أنجب أحدهم الفطر ، والآخر للبشر (والعديد من الأنواع الأخرى أيضًا). ولكن متى واجه هذه المنظمة بالضبط؟ كم سنة؟
أحد الأشياء التي يعلمناها الجيولوجيا هو وجود حدث ضخم آخر في تاريخ الأرض قبل 2.4 مليار سنة. في ذلك الوقت ، تغير جو الأرض بشكل جذري. ابتكرت مجموعة من البكتيريا تسمى البكتيريا الزرقاء نصيحة من شأنها تعديل تاريخ الحياة إلى الأبد: التمثيل الضوئي.
حصاد طاقة الشمس يدفع خلاياهم. لكنه أنشأ أيضًا نفايات محرجة ، أكسجين الغاز.
في ملايين السنين ، تراكمت الأكسجين في الجو ببطء. قبل هذا “حدث الأكسدة الكبير” ، كانت الأرض بالكاد موجودة في الأكسجين ، لذلك لم تكن الحياة جاهزة لذلك. في الواقع ، بالنسبة للبكتيريا غير المستهلكة ، فإن الأكسجين هو غاز سام ، وبالتالي فإن إطلاقه في الجو ربما تسبب في انقراض الكتلة. تطورت البكتيريا الباقية لاستخدام الأكسجين ، إما سحبت إلى زوايا الكوكب حيث لا تدخل.
شجرة الحياة البكتيرية
يعد حدث الأكسدة الرئيسي مثيرًا للاهتمام بشكل خاص بالنسبة لنا ليس فقط بسبب تأثيره في تاريخ الحياة ، ولكن أيضًا لأنه يمكن أن يكون له تاريخ واضح. نحن نعلم أن هذا حدث منذ حوالي 2.4 مليار سنة – ونعلم أيضًا أن معظم البكتيريا التي تم تكييفها مع الأكسجين يجب أن تعيش بعد هذا الحدث. استخدمنا هذه المعلومات لتركيب تواريخ شجرة الحياة البكتيرية.
بدأنا بتشكيل نموذج من الذكاء الاصطناعي (AI) للتنبؤ بما إذا كانت البكتيريا تعيش مع الأكسجين أم لا جينات لديه. تستخدم العديد من البكتيريا التي نراها اليوم الأكسجين ، مثل البكتيريا الزرقاء وغيرها التي تعيش في المحيط. لكن الكثيرون لا يفعلون ذلك ، مثل البكتيريا التي تعيش في أمعاءنا.
فيما يتعلق بمهام التعلم التلقائي ، كان الأمر بسيطًا للغاية. تعمل الطاقة الكيميائية للأكسجين على تعديل جينوم البكتيريا إلى حد كبير لأن عملية التمثيل الغذائي للخلية منظمة حول استخدام الأكسجين ، وبالتالي هناك العديد من القرائن في البيانات.
ثم طبقنا نماذج التعلم التلقائية لدينا للتنبؤ بالبكتيريا التي استخدمت الأكسجين في الماضي. كان هذا ممكنًا لأن التقنيات الحديثة تسمح لنا بتقدير ليس فقط الطريقة التي ترتبط بها الأنواع التي نراها اليوم ، ولكن أيضًا الجينات التي يتم نقلها في كل سلف في جينومه.
منعطف مفاجئ
باستخدام الحدث الجيولوجي على كوكب حدث الأكسدة الفعال الكبير كنقطة معايرة “أحفورية” ، أنتج نهجنا التسلسل الزمني التفصيلي للتطور البكتيري.
من خلال الجمع بين نتائج الجيولوجيا ، وعلم الحفريات ، وعلم التطورات والتعلم التلقائي ، تمكنا من تحسين لحظة التطور البكتيري بشكل كبير.
كشفت نتائجنا أيضًا عن منعطف مفاجئ: كانت بعض الخطوط البكتيرية القادرة على استخدام الأكسجين موجودة قبل حوالي 900 مليون عام قبل حدث الأكسدة الرئيسي. هذا يشير إلى أن هذه البكتيريا قد طورت القدرة على استخدام الأكسجين حتى عندما كان الأكسجين في الغلاف الجوي نادرًا.
ومن اللافت للنظر أن نتائجنا أشارت إلى أن البكتيريا الزرقاء قد غيرت حقًا القدرة على استخدام الأكسجين قبل تطوير التمثيل الضوئي.
لا يعيد هذا الإطار فقط فهمنا لتاريخ التطور البكتيري ، ولكنه يوضح أيضًا كيف تطورت قدرات الحياة استجابةً للبيئات المتغيرة للأرض.
(مؤلف: بن وودكروفتمدرس مشارك في علوم الكمبيوتر الميكروبية ، جامعة كوينزلاند للتكنولوجيا و أدريان أ. دافينحامل منحة ما بعد الدكتوراه ، قسم البيولوجيا ، المعهد الفيدرالي السويسري لتكنولوجيا زيوريخ)))
(إعلان عدم المسؤولية: بن وودكروفت يتلقى التمويل للقوس.
لا يعمل Adrian A. Davin ، لا يعمل ، لا يملك أو يتلقى تمويلًا من شركة أو منظمة من شأنها أن تستفيد من هذه المقالة ولم تكشف عن أي انتماء ذي صلة تتجاوز تعيينها الأكاديمي.)
تم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة Communs Communs الإبداعية. اقرأها المقالة الأصلية.
(باستثناء العنوان ، لم يتم نشر هذه القصة من قبل موظفي NDTV ويتم نشرها من تدفق نقابي.)
