Um novo estudo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) acaba de reescrever um capítulo fundamental na história da vida na Terra. Ao combinar a mais avançada química forense com o poder da inteligência artificial, … Uma equipa internacional de cientistas descobriu evidências químicas de organismos em rochas com mais de 3,3 mil milhões de anos, duplicando o período de tempo durante o qual éramos capazes de procurar vestígios moleculares. Mas isso não é tudo. Na verdade, estes mesmos vestígios demonstram que a fotossíntese produtora de oxigénio, o motor biológico que transformou o nosso planeta, surgiu pelo menos 800 milhões de anos antes do que se pensava anteriormente.
A descoberta, feita por investigadores do Carnegie Institution for Science, representa um “como fazer” para astrobiólogos, um guia detalhado para a procura de vida fora da Terra. Porque se a IA consegue decifrar os “sussurros” químicos da vida enterrados durante milhares de milhões de anos na crosta terrestre, que histórias poderão contar-nos as rochas de Marte ou a lua gelada de Europa?
O trabalho dos paleobiólogos pode ser comparado a tentar ler um documento que foi submerso no mar, depois queimado e depois comprimido por uma gigantesca “prensa tectônica”. Tradicionalmente, seus achados podem ser divididos em fósseis diretos, organismos microscópicos fossilizados em rochas e estruturas macroscópicas como estromatólitos (montes mineralizados formados por colônias de micróbios); e evidências geoquímicas, como vestígios de carbono 12, um isótopo de carbono associado ao metabolismo dos seres vivos, encontrado em rochas muito antigas da Groenlândia.
Os estromatólitos mais antigos forneceram evidências convincentes de vida há cerca de 3,5 mil milhões de anos, e o carbono-12 leva-nos ainda mais longe, uma vez que foi encontrado na Gronelândia em rochas com 3,8 mil milhões de anos e até mesmo em zircões muito antigos que datam de há 4,1 mil milhões de anos. Mas estas assinaturas químicas, embora promissoras, ainda são evidências indiretas e são frequentemente debatidas devido à possibilidade de processos abióticos (não biológicos) que as geram.
Terceira categoria de evidência
No entanto, existe uma terceira categoria de evidências, em cuja cronologia houve enormes lacunas até agora. Estes são biomarcadores moleculares (moléculas orgânicas que sobreviveram à degradação geológica, tais como hopanoides ou esteranos) que nunca foram rastreados de forma confiável em rochas com mais de 1,7 mil milhões de anos. A enorme pressão, o calor e a passagem do tempo geológico (o que os especialistas chamam de “tempo profundo”) destroem estas frágeis estruturas orgânicas, quebrando-as em fragmentos demasiado pequenos e gerais para serem identificados como biológicos.
E é aqui que reside a primeira e mais impressionante conquista do novo estudo. Os investigadores descobriram de facto um padrão único de vida em rochas com 3,33 mil milhões de anos da Formação Josefsdal Chert, na África do Sul. “A vida antiga”, diz Robert Hazen, pesquisador sênior da Carnegie e coautor do estudo, “deixa mais do que apenas fósseis; “deixa ecos químicos”.
Esta descoberta não só prolonga o período de investigação de biomarcadores em mais de mil milhões de anos, mas também fornece evidências moleculares robustas de organismos que coexistiram com os estromatólitos mais antigos conhecidos no registo fóssil. Podemos dizer que os autores do estudo conseguiram “ouvir” o “eco” de que fala Hazen – o eco da bioquímica mais antiga da Terra.
Geoquímica e IA
Para atingir esse objetivo, L. Wong e Anirudh Prabhu, dois dos mais de trinta signatários do artigo, desenvolveram uma metodologia que pode superar significativamente as limitações da geoquímica tradicional: combinando cromatografia gasosa-espectrometria de massa de pirólise (Py-GC-MS) com aprendizado de máquina.
A vida, desde as algas até aos humanos, é composta por moléculas orgânicas complexas e específicas: proteínas, ADN, lípidos… Mas depois de milhares de milhões de anos de vicissitudes geológicas, estas moléculas decompõem-se em milhares de milhões de fragmentos de carbono, muitas vezes chamados de “querogénio” ou material orgânico degradado. Esses fragmentos são semelhantes aos restos de cerâmica antiga: um arqueólogo tradicional só será capaz de identificar o item se encontrar um fragmento grande com um padrão reconhecível. Mas se você encontrar apenas poeira, nunca saberá se é um vaso grego ou um tijolo romano.
Py-GC-MS funciona como uma máquina forense que pirroliza (aquece rapidamente sem oxigênio) esses fragmentos de rocha para liberar pequenos fragmentos químicos presos. O resultado não são as moléculas originais da vida, mas um “cardápio” de milhares de pequenos fragmentos de hidrocarbonetos. Fragmentos que são individualmente genéricos e não podem ser associados de forma confiável a nenhum processo biológico.
E é aqui que a inteligência artificial vem em socorro. Os cientistas não pediram à IA que procurasse uma molécula específica, mas em vez disso treinaram um modelo de aprendizado de máquina conhecido como “Floresta Aleatória” com mais de 400 amostras conhecidas, incluindo animais e plantas modernos, fósseis recentes, rochas de meteoritos e até compostos orgânicos sintéticos de laboratório que imitam a Terra primitiva.
Assim, a IA aprendeu a reconhecer toda a estrutura estatística do “menu” de fragmentos. Como explica Hazen, é como mostrar a um computador milhares de peças de um quebra-cabeça e perguntar se a cena original era “uma flor ou um meteorito”. A IA não precisa de um grande pedaço para sobreviver; Basta que o conjunto de todos os fragmentos corresponda ao fato de que originalmente era uma flor. Ou um meteorito.
O resultado foi impressionante: o modelo conseguiu distinguir entre materiais de origem biológica e não biológica com uma precisão superior a 90%, chegando a até 98% nas amostras mais modernas. Mais importante ainda, quando aplicaram o padrão que aprenderam às rochas mais antigas, apontaram para uma elevada probabilidade da presença de vida há 3,33 mil milhões de anos.
Mistério do oxigênio
Apesar do caráter impressionante desta descoberta, a investigação foi muito mais longe, pois foi possível datar o início da fotossíntese, processo biológico inventado pelas cianobactérias primitivas, através do qual o oxigénio do ar aumentou para reconstruir completamente a árvore da vida. Como sabem, a fotossíntese envolve a produção de dióxido de carbono (CO2) e água (H2O) e, utilizando a energia do Sol, a produção de açúcares e, mais importante, de oxigénio molecular (O2). Mas quando exatamente se originou a fotossíntese?
Até agora, embora evidências circunstanciais sugerissem que a fotossíntese pode ter surgido muito cedo na história da Terra, vestígios moleculares sobreviventes do processo só foram encontrados em rochas relativamente “jovens”, com cerca de 1,7 mil milhões de anos. Mas um novo método que utiliza inteligência artificial revelou assinaturas moleculares de organismos fotossintéticos em rochas da Formação Gamohaan, na África do Sul, que são muito mais antigas, com pelo menos 2,52 mil milhões de anos. Isso antecede o registro químico da fotossíntese em mais de 800 milhões de anos.
Esta descoberta forçou os investigadores a colocar uma questão fundamental: se a vida era capaz de produzir oxigénio molecular há 2,52 mil milhões de anos, porque é que a Terra demorou tanto tempo a “oxidar” a sua atmosfera?
A geologia diz-nos essencialmente que o chamado Grande Evento de Oxidação (GEO), também conhecido como “Desastre do Oxigénio” porque levou à extinção de organismos anaeróbicos anteriores, diz-nos que o O2 começou a acumular-se em massa na atmosfera há cerca de 2,3 mil milhões de anos. Mas novas pesquisas mostram que a capacidade biológica de produzir oxigênio já era um fato consumado muito antes do GZO. O que aconteceu durante esse período de mais de 200 milhões de anos?
Processo lento
Podemos pensar nos primeiros organismos fotossintéticos como uma minúscula “torneira” tentando encher uma banheira gigante (o oceano e a crosta terrestre). Mas embora esta torneira tenha estado “aberta” durante centenas de milhões de anos, produzindo continuamente oxigénio, não se acumulou porque havia vários “ralos” abertos na “banheira”. Entre eles, grandes quantidades de ferro dissolvidas no oceano Arqueano reagiram instantaneamente com o oxigênio para formar espetaculares formações ferríferas em faixas (BIF), depósitos vermelhos que são evidências geológicas desse processo.
Além disso, a atmosfera primitiva era rica em gases redutores como o metano e o sulfureto de hidrogénio, que reagiam com o O2 assim que eram libertados. Finalmente, a própria crosta terrestre e o alto vulcanismo também atuaram como sumidouros, consumindo oxigênio para oxidar rochas e gases.
Assim, a nova data de 2,52 mil milhões de anos implica que a vida fotossintética trabalhou arduamente para fechar estes “sumidouros geológicos” durante um período muito mais longo do que se pensava anteriormente, preparando lentamente o terreno para o Grande Evento de Oxigenação, o momento chave que permitiu a evolução subsequente da vida complexa.
Vida em outros mundos
Como observa a coautora Katie Maloney, da Michigan State University, cuja contribuição incluiu amostras de fósseis de algas marinhas com milhares de milhões de anos de idade do Canadá para treinar o modelo: “Este método inovador ajuda-nos a ler o registo fóssil do tempo profundo de uma forma completamente nova. E isto pode ajudar na procura de vida noutros planetas.”
Na verdade, uma das implicações mais importantes deste trabalho é a sua possível aplicação na astrobiologia. As missões espaciais para mundos com potencial biológico, como Marte ou as luas geladas do sistema solar exterior (Europa ou Encélado), enfrentam o mesmo problema: qualquer vestígio de vida extraterrestre será quase certamente uma assinatura molecular extremamente degradada, corroída pela radiação e alterada por milhares de milhões de anos de história planetária.
Instrumentos de análise como o Py-GC-MS já foram enviados para Marte, mas o problema sempre não foi com o instrumento em si, mas com a interpretação dos seus dados. Como você distingue fragmentos orgânicos simples de um meteorito caído (material não biológico) dos restos de um organismo marciano extinto?
Um modelo de inteligência artificial criado por Hazen e sua equipe oferece a resposta. Poderíamos, de facto, entrar numa nova era de procura de vida extraterrestre, impulsionados não pela esperança de encontrar um fóssil reconhecível ou uma biomolécula perfeitamente preservada, mas pela capacidade de um algoritmo de discernir uma imagem inconfundível da biologia entre o “ruído” geral. “Os padrões químicos que descobrimos”, conclui Hazen, “podem ser verdadeiros em qualquer parte do universo”.
Assim, a própria Terra, com as suas rochas arcaicas e a sua vasta história, acaba de se tornar o nosso melhor laboratório planetário, um campo de testes inesgotável para a inteligência artificial capaz de “ouvir” pela primeira vez os “ecos” químicos dos micróbios que viveram há 3,3 mil milhões de anos.
