Como usamos a IA para rastrear a evolução das bactérias na terra

Existem aproximadamente Um trilhão de espécies de microorganismos na Terra – a grande maioria das quais são bactérias.

As bactérias consistem em uma única célula. Eles não têm ossos e não são como grandes animais que deixam sinais claros no registro geológicoque agradece os paleontologistas que podem estudar muitos milhões de anos depois.

Isso tornou muito difícil para os cientistas estabelecer uma linha do tempo de sua evolução precoce. Mas com a ajuda do aprendizado de máquina, conseguimos preencher muitos dos detalhes. Nossa nova pesquisa, publicado hoje em Ciênciatambém revela alguns bactérias desenvolveu a capacidade de usar oxigênio muito antes de a Terra ficar saturada com cerca de 2,4 bilhões de anos atrás.

Um evento monumental na história da Terra

Cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, a lua se formou. Violentamente. Um objeto do tamanho de Marte colidiu com a Terra, transformando sua superfície em rocha derretida. Se a vida existia antes deste cataclismo, provavelmente foi destruído.

Depois disso, apareceram os ancestrais atuais de todos os seres vivos: micróbios unicelulares. Nos primeiros 80% da história da vida, a Terra foi habitada apenas por esses micróbios.

Nada em biologia faz sentido, exceto à luz da evolução, como biólogo evolutivo Theodosius Dobzhansky Disse famoso em 1973. Mas como a evolução da vida prosseguiu até a história inicial da terra?

Comparar sequências de DNA da maravilhosa diversidade da vida que vemos hoje pode nos dizer como diferentes grupos se relacionam. Para Ibnstance, nós, humanos, estamos mais intimamente relacionados a cogumelos do que com as macieiras. Da mesma forma, essas comparações podem nos dizer como diferentes grupos de bactérias estão relacionados entre si.

Mas a comparação das sequências de DNA só pode nos levar até agora. As comparações de DNA não dizem quando na história da Terra ocorreram eventos evolutivos. Em um momento, um organismo reproduziu dois filhos. Um deles deu origem a cogumelos, o outro para os seres humanos (e muitas outras espécies também). Mas quando exatamente esse organismo viveu? Quantos anos atrás?

Uma coisa que a geologia nos ensina é a existência de outro evento monumental na história da Terra, 2,4 bilhões de anos atrás. Naquela época, a atmosfera da Terra mudou drasticamente. Um grupo de bactérias chamadas cianobactérias inventou um truque que alteraria a história da vida para sempre: fotossíntese.

A colheita de energia do sol alimentou suas células. Mas também gerou um resíduo inconveniente, gás oxigênio.

Ao longo de milhões de anos, o oxigênio na atmosfera se acumulou lentamente. Antes deste “grande evento de oxidação”, a Terra continha quase não oxigênio, então a vida não estava pronta para isso. De fato, para bactérias não iniciadas, o oxigênio é um gás venenoso e, portanto, sua liberação na atmosfera provavelmente causou uma extinção em massa. As bactérias sobreviventes evoluíram para usar oxigênio ou se retiraram para os recessos do planeta, onde não penetra.

A Árvore Bacteriana da Vida

O grande evento de oxidação é especialmente interessante para nós, não apenas por causa de seu impacto na história da vida, mas também porque pode receber uma knowledge clara. Sabemos que isso aconteceu há cerca de 2,4 bilhões de anos – e também sabemos que a maioria das bactérias que se adaptaram ao oxigênio tiveram que viver após esse evento. Usamos essas informações para colocar as datas na árvore bacteriana da vida.

Começamos treinando um inteligência synthetic (AI) Modelo para prever se uma bactéria vive com oxigênio ou não dos genes que possui. Muitas bactérias que vemos hoje usam oxigênio, como cianobactérias e outros que vivem no oceano. Mas muitos não, como as bactérias que vivem em nosso intestino.

No que diz respeito às tarefas de aprendizado de máquina, essa period bastante direta. O poder químico do oxigênio altera acentuadamente o genoma de uma bactéria porque o metabolismo de uma célula se organiza em torno do uso de oxigênio e, portanto, existem muitas pistas nos dados.

Em seguida, aplicamos nossos modelos de aprendizado de máquina para prever quais bactérias usavam oxigênio no passado. Isso foi possível porque as técnicas modernas nos permitem estimar não apenas como as espécies que vemos hoje estão relacionadas, mas também quais genes cada ancestral transportou em seu genoma.

Uma reviravolta surpreendente

Usando o evento geológico em todo o planeta do grande evento de oxidação efetivamente como um ponto de calibração “fóssil”, nossa abordagem produziu uma linha do tempo detalhada da evolução bacteriana.

Combinando resultados de geologia, paleontologia, filogenética e aprendizado de máquinaconseguimos refinar significativamente o momento da evolução bacteriana.

Nossos resultados também revelaram uma reviravolta surpreendente: algumas linhagens bacterianas capazes de usar oxigênio existiam cerca de 900 milhões de anos antes do grande evento de oxidação. Isso sugere que essas bactérias evoluíram a capacidade de usar oxigênio mesmo quando o oxigênio atmosférico period escasso.

Notavelmente, nossas descobertas indicaram que as cianobactérias evoluíram a capacidade de usar oxigênio antes de desenvolver a fotossíntese.

Essa estrutura não apenas remodela nossa compreensão da história evolutiva bacteriana, mas também ilustra como as capacidades da vida evoluíram em resposta aos ambientes em mudança da Terra.

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