レーザー技術で「ロゼッタストーン」の化石を解読、初期生命の手がかりが得られる

ロロンら。

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スコットランドのアバディーンシャーの中心部、ライニーの静かな村の近くには、1912 年の発見以来科学者を魅了してきた世界的に有名な化石生態系があります。

ライニー チャートは、シリカで構成された硬化した岩石であるチャートの侵入不可能な中に保存されており、約 4 億 700 万年前 (ma) の古代デボン紀初期のものである過去への窓を提供します。 この驚くべき地質学的宝物は、地球上の生命の謎を解明する上で重要な役割を果たしています。

現在、研究者チームは、最先端の非破壊イメージング技術、高度なデータ分析、機械学習の力を武器に、スコットランド国立博物館とスコットランド大学が所蔵する化石コレクションの画期的な調査に着手しました。アバディーンとオックスフォード。

エディンバラ大学の科学者たちは、革新的なアプローチを通じて、最も保存状態の悪いサンプルについてさえも私たちの理解を革命的に変える可能性のあるライニーチャートに関する前例のない洞察を明らかにしました。

この研究が古代世界の理解に与える影響をさらに詳しく知りたいと考えているインタレストリング エンジニアリング (IE) は、この研究の筆頭著者の 1 人であるコランタン ロロン博士と関係しています。

「ここで研究されている化石は、古くから知られているスコットランドのアバディーンシャーにある化石遺跡、約4億年前のライニーチャートから採取された植物、菌類（キノコ、酵母、カビを含む界）、細菌、動物の標本です。化石が並外れた豊富さだ」とロロン氏はIEに説明した。

彼女は、化石は非常に硬い鉱物であるシリカマトリックスに包まれており、形態学的に、また彼女の研究で明らかになったように分子的にも「原始的な状態で保存」されていると説明した。

「ライニーチャート群は、いくつかの生物学的系統の初期の明確な例を多く含んでいるため、大陸で生命がどのように進化したかを研究する上で極めて重要です」と彼女は述べた。

このようにして、ライニーチャート集合体は、信号を対応する生物と比較できるため、化石中の分子信号の研究における強力な陽性対照として適格であると彼女は説明した。

「ある意味、ロゼッタストーンが象形文字を可能にしたのと同じように、それは集団内またはそれ以前の時代のより不可解な、または曖昧な信号を理解するための鍵を提供します」と彼女は明らかにした。

化石は、フーリエ変換赤外線の略である FTIR 分光法を使用して分析されました。 「この技術では、サンプルは化石材料を通過する赤外線レーザーで照射され、原子間の結合を励起します」とロロン氏は説明した。

ケシャバナ/ウィキメディア・コモンズ

簡単に言うと、FTIR 分光法は光を使用してサンプル内の分子を識別します。 それは科学者がサンプルが何でできているかを理解するのに役立ちます。

赤外線をサンプルに照射し、サンプル内の分子に吸収される光の波長を測定することで機能します。

各分子タイプには指紋のような固有の吸収パターンがあり、機器はそれを検出できます。 この機器は、さまざまな波長で吸収された光の強度を記録し、それをスペクトルに変換します。

「これらの結合は、その種類（たとえば、2つの炭素原子間の結合、または炭素と酸素間の結合）や化学官能基に応じて、異なる周波数で振動することになります」とロロン氏はIEに語った。

「その結果、材料の化学組成を示すスペクトルが得られ、その分子構造を再構築して理解するために活用できるでしょう」と彼女は付け加えた。 言い換えれば、このスペクトルをさまざまな分子の既知のスペクトルと比較することにより、科学者は特定の化合物の存在を特定したり、物質の化学構造を分析したりすることができます。

「これらのスペクトルを分析するために私たちが使用したアプローチの 1 つは機械学習アプローチであり、これは単に教師あり統計的アプローチです」と彼女は言いました。

「たとえば、これが X で、これが Y であることを示すことで、化石 X のスペクトルと化石 Y のスペクトルを区別するように機械に教えます (トレーニング)。次に、ラベルのない別のスペクトルをどのように分類するかを尋ねてテストします。データセット。」

彼女は、彼らの研究において、この機械が化石真核生物（菌類、植物、動物を含む）と原核生物（細菌）を区別することに成功したことを明らかにした。

注目すべきことに、このアプローチは、「線虫」として知られる謎の管状生物の 2 つの標本を含む、ライニー生態系内の以前は不可解だった生物を特定するために採用されました。

ロロンら。

これらの特異な生命体は、デボン紀 (419 万年) とその後のシルル紀 (443 万年) の堆積物で発見され、藻類と菌類の両方の特徴を示し、その分類を困難にしています。 しかし、最近の発見は、それらが地衣類にも菌類にも属さない可能性を示唆しています。

「線虫は、生物学的親和性が不明瞭ないくつかの化石を含む「バスケット」グループを表します。それらは、たとえば、植物、細菌、または菌類の一部を持っている可能性があります」とロロン氏は説明しました。

「私たちが研究した標本は、菌類の指紋を特徴づける特徴を欠いた分子指紋を持っているため、それらは分子組成の点で植物に近いものを表している可能性が最も高いとの結論に達しました。」

これはライニーチャートを研究している科学者にとって重要な発見であるが、その重要性はそれを超えていると彼女は主張した。 何よりも、ここや他の場所で生物学的起源が不確かな化石を分析する際の彼らのアプローチの有効性が確認されました。

「私たちは、異なる生命体を識別するために迅速で非侵襲的な方法をどのように使用できるかを示しました」と共同主著者であるエディンバラ大学物理天文学部および地球科学部のショーン・マクマホン博士は以前の報道で強調したリリース。

ロロン氏はまた、この研究で最も驚くべき発見は統計分析の結果であったことも明らかにした。

「年齢、化石化プロセス、そして私たちの機器で記録された信号に対する鉱物の圧倒的な影響にもかかわらず、化石が依然として過去の組成の分子指紋を保持しており、それを拾い上げて研究できることは印象的です。」彼女は言いました。

これに関連して、化石内の分子情報は時の試練を乗り越え、過去をユニークに垣間見ることができると言っても過言ではないでしょう。

チームがこの研究に取り組むきっかけとなったのは何かと尋ねたところ、ロロン博士の答えは明快でした。

「私たちのチームの動機は、地球上で生命がどのように進化してきたかを理解することです。最初は単細胞から多細胞へと、そしてその後、生命がどのように海洋から大陸に出現したかを理解することです。」

「初期の生命体を研究することは、私たち自身の生物学的遺産についての素晴らしい洞察を提供するだけでなく、生命のプロセスが地球上だけでなく、潜在的に私たちの宇宙の他の場所でどのように出現し、繁栄するかを理解するための鍵も与えてくれます。」と彼女は強調した。

彼女は、多くの古生物学的研究と同様に、化石は元の生きた生物と比べて大きな変化を遂げているため、研究チームは解釈の限界に直面していることを認めた。

「DNAはそれほど古い化石には保存できないため、我々は難解な形態学的特徴と分子的特徴に基づいて結論を下すことしかできず、それが結論を制限したり偏らせたりする可能性がある」と彼女は述べた。

そうは言っても、彼女はまた、化石が形成された地質学的状況を理解することでこれらの偏見を克服できると推論しました。

「次のステップは、この素晴らしい化石遺跡の調査を継続することに加えて、例えば5億4000万年前の先カンブリア紀などの古い集団へのアプローチを拡大し、最古の痕跡の分子暗号を解読することになるだろう」地球上の複雑な生命について」とロロンは結論づけた。