Une nouvelle étude montre que les scientifiques ont découvert les premières traces chimiques connues de vie dans des roches anciennes il y a environ 3,3 milliards d'années et pensent que la photosynthèse génératrice d'oxygène pourrait être apparue au moins 800 millions d'années plus tôt qu'on ne le pensait auparavant. Cette recherche utilise des méthodes avancées d’analyse chimique et des modèles d’intelligence artificielle pour « lire » les faibles signaux chimiques laissés par les activités vitales provenant de roches fortement détériorées et dont les molécules biologiques originales ont été brisées depuis longtemps.
L'article a été publié dans les Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS) et a été dirigé par une équipe de la Carnegie Institution for Science. Les chercheurs l'ont décrit comme "la première fois que des échos chimiques de la vie sont identifiés de manière fiable dans des roches il y a des milliards d'années".
Les preuves directes des premières formes de vie sur Terre sont extrêmement limitées : les fossiles tels que les restes de cellules minuscules, les structures filamenteuses, les tapis microbiens et les stromatolites suggèrent que la vie existait déjà il y a environ 3,5 milliards d'années, mais ces fossiles eux-mêmes sont rares et les informations sont limitées. De plus, les molécules organiques initialement présentes dans les roches ont été brisées en fragments au cours de milliards d’années d’enfouissement, de chauffage et d’extrusion, ce qui rend difficile la reconstruction des informations sur la vie à partir de celles-ci à l’aide des méthodes traditionnelles.
Auparavant, la « durée de vie » de certaines des molécules organiques les plus durables des roches ne dépassait généralement pas environ 1,7 milliard d’années. Bien que les signaux isotopiques présents dans les roches plus anciennes suggèrent l’existence de la vie, il est difficile de distinguer quels processus sont réellement biologiques. Par conséquent, la recherche de traces de vie dans les roches il y a plus de 3 milliards d’années est considérée comme l’un des problèmes les plus difficiles dans l’étude des débuts de la vie sur Terre.
L'équipe de recherche a collecté et trié 406 échantillons contenant de la matière organique, couvrant des roches sédimentaires d'il y a environ 3,8 milliards à 10 millions d'années, du charbon et des schistes bitumineux contenant un grand nombre de fossiles, des tissus animaux, végétaux et fongiques modernes, ainsi que des météorites et des mélanges organiques synthétisés en laboratoire pour distinguer les « sources biologiques » des « sources abiotiques ». Les scientifiques utilisent la technologie de pyrolyse-chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse pour fragmenter davantage les macromolécules restantes dans l'échantillon et obtenir des données spectrales d'un grand nombre de fragments chimiques.
Par la suite, l'équipe a utilisé une méthode d'apprentissage automatique supervisée appelée « forêt aléatoire » pour entraîner le modèle à identifier les combinaisons caractéristiques de matière organique provenant de différentes sources, afin qu'il puisse toujours faire la distinction entre la « participation à la vie » et les « processus chimiques purs » dans des conditions de dégradation élevée. Le modèle était précis à 98 pour cent pour distinguer les organismes biotiques des organismes abiotiques, à environ 93 pour cent pour identifier les signaux liés à la photosynthèse et à environ 95 pour cent pour distinguer les sources végétales et animales.
Après avoir appliqué le modèle à des échantillons de roches anciennes, les chercheurs ont attribué à chaque échantillon une « probabilité de vraisemblance biologique », avec des valeurs supérieures à 60 % considérées comme ayant un signal fort de vie. Grâce à ce jugement probabiliste, l’équipe évite la simple division binaire « vivant/non vivant » et peut également identifier des échantillons « à l’état intermédiaire » qui ont perdu la plupart de leurs caractéristiques biologiques en raison d’un chauffage à haute température.
L’étude a abouti à trois conclusions scientifiques principales :
La découverte de molécules organiques caractéristiques des origines de la photosynthèse dans des roches vieilles de 2,52 milliards d'années en Afrique du Sud est la première preuve chimique d'une photosynthèse génératrice d'oxygène, précédant les enregistrements précédents de ce type d'au moins 800 millions d'années.
Des molécules organiques présentant des caractéristiques d'origine biologique ont été identifiées dans des roches vieilles de 3,51 milliards d'années en Inde, renforçant ainsi la chaîne de preuves selon laquelle "des activités biologiques matures existaient sur la Terre il y a 3,5 milliards d'années".
Dans un autre lot de roches sud-africaines, il y a environ 3,5 milliards d’années, des signaux organiques liés à une vie non photosynthétique ont été découverts, indiquant que de nombreuses formes de vie précoces dotées de méthodes métaboliques différentes auraient pu coexister à cette époque.
Les chercheurs ont souligné que par rapport à la méthode traditionnelle consistant uniquement à examiner s'il existe des biomolécules complètes ou des fossiles morphologiques, ces travaux prouvent que même si les macromolécules biologiques originales ont longtemps été brisées au cours du processus géologique, le modèle de combinaison de fragments laissé derrière porte toujours l'empreinte de la « sélection de la vie » et peut être reconnu par le modèle d'apprentissage automatique. En d’autres termes, il n’y a pas seulement des fossiles dans les roches anciennes, mais aussi des « fantômes chimiques » et des « échos moléculaires » difficiles à détecter à l’œil nu.
Les membres du projet pensent que cette méthode combinant analyse chimique avancée et IA peut non seulement être utilisée pour réécrire la chronologie des débuts de la vie sur Terre, mais devrait également être appliquée à la recherche de « signes de vie » dans des échantillons provenant d'autres corps célestes tels que Mars, fournissant ainsi des outils d'identification de biomarqueurs plus sensibles pour les futures missions d'exploration planétaire.