Μπορούν τα μυαλά των μηχανών να μας διδάξουν κάτι νέο για το τι σημαίνει να είσαι άνθρωπος; Όταν πρόκειται για την περίπλοκη ιστορία της περίπλοκης προέλευσης και εξέλιξης του είδους μας, φαίνεται ότι μπορούν.
Μια πρόσφατη μελέτη χρησιμοποίησε την τεχνολογία μηχανικής μάθησης για να αναλύσει οκτώ κορυφαία μοντέλα ανθρώπινης προέλευσης και εξέλιξης και το πρόγραμμα εντόπισε στοιχεία στο ανθρώπινο γονιδίωμα ενός "πληθυσμού φάντασμα" των ανθρωπίνων προγόνων. Η ανάλυση υποδηλώνει ότι μια άγνωστη και μακράν εξαφανισμένη ομάδα ανθρωπινών ομοιωμένων με τον Homo sapiens στην Ασία και την Ωκεανία κάπου στον μακρύ δρόμο της ανθρώπινης εξελικτικής ιστορίας, αφήνοντας πίσω του μόνο κατακερματισμένα ίχνη στο σύγχρονο ανθρώπινο DNA.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, είναι ένα από τα πρώτα παραδείγματα για το πώς η μηχανική μάθηση μπορεί να βοηθήσει στην αποκάλυψη ενδείξεων για τη δική μας προέλευση. Βάζοντας μέσα από τεράστιες ποσότητες γονιδιωματικών δεδομένων που απομένουν σε απολιθωμένα οστά και συγκρίνοντάς το με το DNA στους σύγχρονους ανθρώπους, οι επιστήμονες μπορούν να αρχίσουν να συμπληρώνουν μερικά από τα κενά της εξελικτικής ιστορίας του είδους μας.
Στην περίπτωση αυτή, τα αποτελέσματα φαίνονται να ταιριάζουν με τις παλαιοανθρωπολογικές θεωρίες που αναπτύχθηκαν από τη μελέτη των απολιθωμάτων των ανθρώπινων προγόνων που βρέθηκαν στο έδαφος. Τα νέα δεδομένα υποδηλώνουν ότι η μυστηριώδης ανθρωπιά πιθανότατα προέρχεται από μια ανάμιξη των Νεάντερταλ και των Ντενισοβάν (που αναγνωρίστηκαν ως μοναδικό είδος στο ανθρώπινο οικογενειακό δέντρο το 2010). Ένα τέτοιο είδος στο εξελικτικό παρελθόν μας μοιάζει πολύ με το απολίθωμα ενός εφήβου ηλικίας 90.000 ετών από το σπήλαιο της Denisova της Σιβηρίας. Τα ερείπια της περιγράφηκαν το περασμένο καλοκαίρι ως το μόνο γνωστό παράδειγμα υβριδίου πρώτης γενιάς μεταξύ των δύο ειδών, με μια μητέρα του Νεάντερταλ και έναν πατέρα του Denisovan.
"Είναι ακριβώς το είδος του ατόμου που αναμένουμε να βρούμε στην καταγωγή αυτού του πληθυσμού, ωστόσο αυτό δεν πρέπει να είναι μόνο ένα άτομο αλλά ένας ολόκληρος πληθυσμός", λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης Jaume Bertranpetit, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Pompeu Fabra της Βαρκελώνης.
Η ικανότητα των πρώιμων ανθρώπων να προσαρμόζονται στις μεταβαλλόμενες συνθήκες επέτρεψε τελικά να μεταβληθούν, να επιβιώσουν και να αρχίσουν να εξαπλώνονται από την Αφρική στην Ευρασία πριν από 1, 85 εκατομμύρια χρόνια. (Χορηγία εικόνας από τους Antón, Potts και Aiello (2014), Science 345 (6192)) Προηγούμενες μελέτες για το ανθρώπινο γονιδίωμα αποκάλυψαν ότι μετά την απομάκρυνση των σύγχρονων ανθρώπων από την Αφρική, ίσως πριν από 180.000 χρόνια, ακολούθησαν αλληλεπικάλυψη με είδη όπως οι Νεάντερταλ και οι Ντενισοβίνοι, οι οποίοι συνυπήρχαν με τους πρόωρους σύγχρονους ανθρώπους προτού εξαφανιστούν. Αλλά η ανασύνταξη του οικογενειακού δέντρου μας για να συμπεριλάβουμε αυτούς τους αποκλίνουσες κλάδους ήταν δύσκολη. Τα στοιχεία για τα είδη "φάντασμα" μπορεί να είναι αραιά και υπάρχουν πολλές ανταγωνιστικές θεωρίες για να εξηγήσουν πότε, πού, και πόσες φορές ο Homo sapiens μπορεί να έχει διασπαστεί με άλλα είδη.
Τα ίχνη αυτών των αρχαίων διασυνδέσεων, που ονομάζονται παρεκτροπές, μπορούν να αναγνωριστούν ως σημεία απόκλισης στο ανθρώπινο γονιδίωμα. Οι επιστήμονες παρατηρούν περισσότερο διαχωρισμό μεταξύ δύο χρωμοσωμάτων από ό, τι θα περίμενε κανείς αν και τα δύο χρωμοσώματα προήλθαν από το ίδιο ανθρώπινο είδος. Όταν οι επιστήμονες ανέλυσαν το γονιδίωμα του Νεάντερταλ το 2010, συνειδητοποίησαν ότι μερικές από αυτές τις αποκλίσεις αντιπροσώπευαν κλάσματα του γονιδιώματός μας που προέρχονταν από τους Νεάντερταλ. Μελέτες έχουν επίσης αποκαλύψει ότι ορισμένοι ζωντανοί άνθρωποι μπορούν να ανιχνεύσουν όσο το 5% της καταγωγής τους στους Denisovans.
"Έτσι, σκεφτήκαμε ότι θα προσπαθούσαμε να βρούμε αυτές τις θέσεις με μεγάλη απόκλιση στο γονιδίωμα, να δούμε ποιοι είναι οι Νεάντερταλ και ποιες είναι οι Denisovan και, στη συνέχεια, να δούμε αν αυτές εξηγούν ολόκληρη την εικόνα", λέει ο Bertranpetit. "Όπως συμβαίνει, αν αφαιρέσετε τα τμήματα του Νεάντερταλ και του Ντενισόβαν, εξακολουθεί να υπάρχει κάτι στο γονιδίωμα που είναι εξαιρετικά αποκλίνουσες".
Ο εντοπισμός και η ανάλυση των πολυάριθμων διαφορετικών θέσεων σε όλο το γονιδίωμα και ο υπολογισμός των αμέτρητων γενετικών συνδυασμών που θα μπορούσαν να τους παράγουν είναι πολύ μεγάλη δουλειά για τον άνθρωπο να αντιμετωπίσει μόνος του, αλλά είναι ένα έργο που μπορεί να είναι προσαρμοσμένο σε αλγορίθμους βαθιάς μάθησης.
Η βαθιά εκμάθηση είναι ένας τύπος τεχνητής νοημοσύνης στον οποίο οι αλγόριθμοι σχεδιάζονται να λειτουργούν ως ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο ή ένα πρόγραμμα που μπορεί να επεξεργάζεται τις πληροφορίες με τον ίδιο τρόπο που θα μπορούσε να έχει ένας εγκέφαλος θηλαστικού. Αυτά τα συστήματα μηχανικής μάθησης μπορούν να ανιχνεύσουν τα πρότυπα και να λάβουν υπόψη τις προηγούμενες πληροφορίες για να «μάθουν», επιτρέποντάς τους να εκτελούν νέες εργασίες ή να αναζητούν νέες πληροφορίες αφού αναλύουν τεράστια ποσά δεδομένων. (Ένα κοινό παράδειγμα είναι το AlphaZero του Google DeepMind, το οποίο μπορεί να διδάξει τον εαυτό του σε master board games).
"Η βαθιά μάθηση είναι ένα πιο περίπλοκο σχήμα σε ένα σύνολο σημείων σε ένα μεγαλύτερο χώρο", λέει ο Joshua Schraiber, ειδικός εξελικτικής γονιδιωματικής στο Temple University. "Αντί να τοποθετήσετε μια γραμμή ανάμεσα στο Υ και το Χ, μπορείτε να τοποθετήσετε ένα κομψό πράγμα σε ένα σύνολο σημείων σε πολύ μεγαλύτερο, χίλια διάσταση χώρο. Η βαθιά μάθηση λέει: «Δεν ξέρω τι θα πρέπει να ταιριάζει σε αυτά τα σημεία, αλλά ας δούμε τι θα συμβεί».
Σε αυτή την περίπτωση, οι μηχανές τέθηκαν σε εργασία αναλύοντας το ανθρώπινο γονιδίωμα και προβλέποντας τα δημογραφικά στοιχεία του ανθρώπου με προσομοίωση του τρόπου με τον οποίο το DNA μας μπορούσε να εξελιχθεί σε πολλά χιλιάδες πιθανά σενάρια της αρχαίας εξέλιξης. Το πρόγραμμα αντιπροσώπευε τη δομή και την εξέλιξη του DNA, καθώς και μοντέλα ανθρώπινης μετανάστευσης και διασταύρωσης, για να προσπαθήσει να χωρέσει μερικά από τα κομμάτια μαζί σε ένα απίστευτα περίπλοκο παζλ.
Οι ερευνητές εκπαίδευσαν τον υπολογιστή για να αναλύσουν οκτώ διαφορετικά μοντέλα των πιο πιθανών θεωριών της πρώιμης εξέλιξης του ανθρώπου σε όλη την Ευρασία. Τα μοντέλα προήλθαν από προηγούμενες μελέτες που προσπάθησαν να βρουν ένα σενάριο που θα οδηγούσε στην τρέχουσα εικόνα του ανθρώπινου γονιδιώματος, συμπεριλαμβανομένων των γνωστών συστατικών του Neanderthal και του Denisovan.
«Μπορεί να υπάρχουν άλλα μοντέλα, φυσικά, αλλά αυτά τα μοντέλα είναι αυτά που προτείνουν άλλοι στην επιστημονική βιβλιογραφία», λέει ο Bertranpetit. Κάθε μοντέλο ξεκινά με το αποδεκτό εκτός Αφρικής γεγονός, και στη συνέχεια παρουσιάζει ένα διαφορετικό σύνολο των πιθανότερων χωρισμάτων μεταξύ των ανθρώπινων γραμμών, συμπεριλαμβανομένων των διαφόρων αλληλεπιδράσεων με γνωστά είδη και πιθανά είδη "φάντασμα".
Οι άνθρωποι, ή ο Homo sapiens, προέρχονται από ένα σύνθετο δέντρο από όρθιους προπορευόμενους προγόνους, συμπεριλαμβανομένων ειδών από τα γένη Ardipithecus, Australopithecus και Paranthropus . (Πρόγραμμα ανθρωπίνων αρχαιοτήτων του Smithsonian) "Με κάθε ένα από αυτά τα οκτώ μοντέλα, υπολογίζουμε σε εβδομάδες υπολογισμών πόσο καλά μπορούν να φθάσουν στην πραγματική, παρούσα γενετική σύνθεση των ανθρώπων", λέει ο Bertranpetit. «Κάθε φορά που κάνουμε μια προσομοίωση, είναι μια προσομοίωση μιας πιθανής πορείας της ανθρώπινης εξέλιξης και έχουμε τρέξει αυτές τις προσομοιώσεις χιλιάδες φορές και οι αλγόριθμοι βαθιάς μάθησης είναι σε θέση να αναγνωρίσουν ποια από τα μοντέλα ταιριάζουν καλύτερα στα δεδομένα».
Το συμπέρασμα του μηχανήματος; Ένα είδος προγόνων υπάρχει στη γενεαλογία μας που δεν έχουμε ακόμη εντοπίσει. "Μέχρι στιγμής, τα μόνα μοντέλα που δοκιμάσαμε πραγματικά υποστηρίζονται από τα δεδομένα είναι αυτά που έχουν αυτή την παρενόχληση του πληθυσμού φάντασμα", λέει ο Bertranpetit.
Η ενδιαφέρουσα μελέτη και άλλοι παρόμοιοι μπορεί να βοηθήσουν στην ανασύνταξη του χάρτη του τρόπου με τον οποίο οι άνθρωποι μετανάστευσαν και εξελίχθηκαν αν και φαίνεται ότι είναι ένας ολοένα και πιο περίπλοκος αρχαίος κόσμος στην Ευρασία και την Ωκεανία.
"Είναι σίγουρα ενδιαφέρουσα και συνεπής με την αναδυόμενη εικόνα μιας σύνθετης δικτυωμένης φυλογένεσης στην ανθρώπινη εξέλιξη", λέει ο Iain Mathieson, γενετιστής του πληθυσμού του Πανεπιστημίου της Πενσυλβανίας μέσω ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. "Δεν είμαι σίγουρος ότι έχει νόημα να μιλάμε για« γεγονότα introgression »όταν αυτό φαίνεται να είναι ο κανόνας». Πράγματι, επειδή μόνο οκτώ μοντέλα δοκιμάστηκαν και πολλά άλλα θα μπορούσαν να είναι δυνατά, ο Mathieson προσθέτει ότι τα νέα ευρήματα είναι " σίγουρα ένα πιθανό σενάριο, αλλά η πραγματικότητα είναι πιθανόν ακόμη πιο περίπλοκη. "
Καθώς γίνονται νέες ανακαλύψεις απολιθωμάτων στον τομέα, τα ενημερωμένα μοντέλα μπορούν πλέον να δοκιμαστούν ενάντια στο ανθρώπινο γονιδίωμα χρησιμοποιώντας αυτά τα είδη προγραμμάτων. Ο Schraiber λέει ότι η δύναμη της βαθιάς μάθησης για τη μελέτη της ανθρώπινης προέλευσης έγκειται ακριβώς στην ικανότητά της να αναλύει σύνθετα μοντέλα.
"Εάν θέλετε να κάνετε ένα εξαιρετικά λεπτομερές μοντέλο επειδή είστε ανθρωπολόγος και θέλετε να μάθετε αν αυτή η παρεξήγηση συνέβη πριν από 80.000 χρόνια ή πριν από 40.000 χρόνια, αυτή είναι η δύναμη μιας τέτοιας βαθιάς μάθησης".
Συμπληρωματικά όπως είναι, οι διασταυρώσεις της αρχαίας Ευρασίας εξακολουθούν να είναι μόνο ένα μέρος της ανθρώπινης ιστορίας μας. Ο Bertranpetit πιστεύει ότι οι μελλοντικές εξελίξεις στην βαθιά εκμάθηση μπορούν να βοηθήσουν στην αποκάλυψη άλλων νέων κεφαλαίων.
"Αυτό το είδος μεθόδου ανάλυσης πρόκειται να έχει όλα τα είδη των νέων αποτελεσμάτων", λέει. "Είμαι βέβαιος ότι οι άνθρωποι που εργάζονται στην Αφρική θα βρουν εξαφανισμένες ομάδες που δεν αναγνωρίζονται ακόμα. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η Αφρική θα μας δείξει εκπληκτικά πράγματα στο μέλλον. "
