Zeitreise zu den Anfängen des Lebens: Eine KI-gestützte Analyse hat die ältesten molekularen Belege für Photosynthese und frühes Leben aufgespürt. Demnach haben Zellen schon vor 2,52 Milliarden Jahren chemische Spuren ihrer Photosynthese in Gesteinen hinterlassen – 800 Millionen Jahre früher als zuvor nachweisbar. Die ältesten im Test entdeckten molekularen Lebensspuren stammen aus 3,3 Milliarden Jahre alten Gesteinen in Südafrika. Sie sind demnach fast doppelt so alt, wie die bisher ältesten Nachweise solcher Molekülreste.

Wann entstanden die ersten Zellen? Und wann erfand die Natur die Photosynthese? Bisher ist dies strittig. Zwar legen genetische Analysen und Mikrofossilien nahe, dass sich das irdische Leben schon vor mehr als vier Milliarden Jahren entwickelte. Doch solche fossilen Lebensspuren sind extrem selten und ihr biologischer Ursprung oft umstritten. Zudem wurden diese Relikte früher Zellen im Laufe der Erdgeschichte so stark verändert, dass kaum mehr erkennbar ist, welcher Organismus sie einst hinterließ.

Mehr Auskunft könnten dagegen biochemische Fossilien geben: Moleküle, die von frühen Zellen erzeugt wurden. Diese urzeitlichen Membranbestandteile, Proteine, Nukleinsäuren oder Fette können verraten, wie und wo diese Organismen lebten und wie sie sich ernährten.

Biologischen Ursprungs oder nicht?

Das Problem jedoch: Auch Biomoleküle zerfallen im Laufe der Zeit und sind dadurch kaum mehr als solche erkennbar. „Eindeutige Belege für komplexe Biomoleküle wie Lipide und Porphyrine reichen dadurch nur rund 1,6 Milliarden Jahre zurück“, erklären Michael Wong von der Carnegie Institution for Science in Washington DC und seine Kollegen. Weiter als zwei Milliarden Jahre reicht kein Nachweis von organischen Molekülen eindeutig biogenen Ursprungs zurück – nicht einmal ansatzweise weit genug, um die Anfänge des Lebens zu erhellen.

Doch hat sich nun geändert. Denn Wong und sein Team haben einen Weg gefunden, um auch die winzigen Fragmente früherer Biomoleküle noch zu identifizieren. „Statt nach bestimmten Molekülen zu suchen, haben wir nach chemischen Mustern gesucht“, erklärt Seniorautor Robert Hazen von der Carnegie Institution. Die Idee dahinter: Lebende Organismen enthalten einige Biomoleküle in weit größeren Mengen als ihre Umwelt. Ein Überschuss dieser Moleküle und ihrer Abbauprodukte kann daher den biogenen Ursprung verraten.

Aber um solche subtilen molekularen Häufigkeitsunterschiede zu erkennen, benötigt man große Datenmengen und eine entsprechend effiziente Auswertungsmethode.

Molekulares Puzzle für die KI

An diesem Punkt kommt die künstliche Intelligenz ins Spiel: Wong und sein Team haben ein KI-Modell darauf trainiert, chemische Analyseergebnisse verschiedenster biotischer und abiotischer Materialien zu erkennen. Für Training und Tests erhielt das KI-System die Analyseresultate von 406 Proben, die mittels Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie in ihre molekularen Bestandteile aufgeschlüsselt worden waren. Die Proben stammten von modernen und fossilen Tieren und Pflanzen, aber auch von Meteoriten und Sedimenten unklarer Zuordnung.

„Man kann sich das so vorstellen, dass wir dem Computer tausende von Puzzlestücken zeigen“, erklärt Hazen. „Dann fragen wir die KI, ob das Motiv des Puzzles eine Blume oder ein Meteorit war.“ Das KI-System nutzt dann eine „Random Forest“ genannte Analysemethode, um zugrundeliegende Muster zu identifizieren und so diese Frage zu beantworten.

Bis zu 98 Prozent korrekte Zuordnung

Das Ergebnis: Nach ihrem Training zeigte die künstliche Intelligenz eine erstaunlich hohe Treffsicherheit. Bei der Unterscheidung von abiotischen Proben mit Proben biologischen Ursprungs lag die KI in bis zu 98 Prozent aller Fälle korrekt, wie die Forschenden berichten. Bei fossilen Proben waren es immerhin noch rund 93 Prozent. Das KI-Modell gab dabei immer auch einen Grad der Wahrscheinlichkeit an. Nur wenn dieser bei mehr als 60 Prozent lag, galt dies als Ja.

„Unsere Resultate bestätigen, dass frühes Leben mehr hinterlässt als nur Fossilien – es bleiben auch chemische Echos zurück“, sagt Hazen. „Mithilfe des maschinellen Lernens können wir diese Echos nun zum ersten Mal verlässlich interpretieren.“ Das bestätigte sich, als das KI-System das chemische Profil auch einiger bisher nicht klar zugeordneter Proben erhielt, darunter 3,33 Milliarden Jahre altes organisches Material aus dem Barberton-Grünsteingürtel in Südafrika sowie 2,3 bis 2,66 Milliarden Jahre alte Proben aus Kanada, Südafrika und Australien.

2,52 Milliarden Jahre alte Photosynthese-Relikte

Zur Überraschung der Forschenden gab es in diesen Uralt-Proben zwei Treffer: Der KI-gestützten Analyse nach sind die Molekülreste in dem 3,33 Milliarden Jahre alten Josefsdal Chert aus dem Barberton-Grünsteingürtel biologischen Ursprungs. Sie könnten demnach von lebenden Organismen stammen. Sollte sich dies bestätigen, wären dies die ältesten biomolekularen Relikte der Erde. Sie sind doppelt so alt wie die bisher ältesten Nachweise molekularer Lebensspuren.

Spannend auch: Die KI-gestützte Analyse entdeckte auch die bisher ältesten molekularen Belege für die Photosynthese. In mehreren Uralt-Proben detektierte sie Molekülreste photosynthetisch aktiver Zellen. Zu diesen gehörte eine 2,52 Milliarden Jahre alte Probe aus der Gamohaan-Formation in Südafrika und eine 2,3 Milliarden Jahre alte Probe aus der Gowganda-Formation in Kanada. Diese Nachweise sind rund 800 Millionen Jahre älter als die ältesten Fossilien photosynthetischer Organismen.

Dieses Resultat stützt die Annahme, dass erste Cyanobakterien und andere Zellen schon um diese Zeit das Sonnenlicht zur Energiegewinnung nutzten. „Das Verständnis, wann die Photosynthese entstand, hilft zu erklären, wie die Erdatmosphäre sauerstoffreich wurde – ein wichtiger Meilenstein, der die Entwicklung komplexen Lebens, einschließlich des Menschen, ermöglichte“, sagt Wong.

Auch extraterrestrische Proben nutzbar

„Damit markiert unsere Studie einen bedeutenden Fortschritt darin, die ältesten biologischen Signaturen der Erde zu entschlüsseln“, sagt Hazen. „Indem wir hochauflösende chemische Analysen mit maschinellem Lernen kombinieren, können wir nun die molekularen Spuren lesen, die frühes Leben vor Milliarden Jahren hinterlassen hat. Die ältesten Gesteine der Erde haben einige Geschichten zu erzählen – und wir beginnen gerade erst, sie zu hören.“

Nach Ansicht von Hazens Kollege Anirudh Prabhu ist die neue Methode ein weiteres wichtiges Werkzeug im Arsenal der paläontologischen Forschung. „Das Spannende an unserem Ansatz ist, dass er weder erkennbare Fossilien noch intakte Biomoleküle benötigt. Die KI ermöglicht es uns, selbst vermeintlich chaotische, degradierte chemische Funde zu entschlüsseln“, sagt der Forscher. Die KI-gestützte Technik könnte sich sogar für extraterrestrische Proben nutzen lassen – beispielsweise Proben vom Mars. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025; doi: 10.17605/OSF.IO/G93CS)

Quelle: Carnegie Institution for Science, PNAS

Quelle: https://www.scinexx.de/news/biowissen/ki-findet-aelteste-molekulare-lebensspuren/