Ученые обнаружили молекулярные паттерны, которые могут помочь идентифицировать внеземную жизнь
Масс-спектрометрия (МС) - это основной метод, на который ученые будут полагаться в поисках инопланетной жизни с помощью космических кораблей
Предстоящие миссии по исследованию Солнечной системы будут искать внеземную (инопланетную) жизнь, но жизнь инопланетян может не быть похожей на земную. Новая методика масс-спектрометрического анализа может позволить использовать технологические способы обнаружения инопланетной жизни.
Ученые всерьез начали поиск внеземной жизни в Солнечной системе, но такая жизнь может отличаться от земной жизни, а методы, основанные на обнаружении определенных молекул в качестве биосигнатур, могут не применяться к жизни с другой историей эволюции.
Новое исследование, проведенное совместной японско-американской группой под руководством ученых из Института наук о Земле и жизни (ELSI) при Токийском технологическом институте, разработало метод машинного обучения, который оценивает сложные органические смеси с помощью масс-спектрометрии для надежной классификации их как биологические или абиологические.
В сезоне 1, эпизоде 29 («Операция: уничтожить!») «Звездного пути», вышедшего в эфир в 1966 году, персонаж-гибрид человека и вулканца Спок заметил: «Это не жизнь в том виде, в каком мы ее знаем или понимаем. Тем не менее, очевидно, что она живая. ; она существует.» Этот мем из поп-культуры, которому уже 55 лет, по-прежнему подчеркивает: как мы можем обнаружить жизнь, если мы принципиально не знаем, что такое жизнь, и если эта жизнь действительно отличается от той жизни, которую мы знаем?
Человечество искало инопланетную жизнь в Солнечной системе с момента посадки миссии НАСА «Викинг-2» на Марсе в 1976 году. В настоящее время существует множество способов, которыми ученые ищут инопланетную жизнь. К ним относятся прослушивание радиосигналов от возможных развитых цивилизаций в глубоком космосе, поиск тонких различий в атмосферном составе планет вокруг других звезд и прямые попытки найти жизнь в образцах почвы и льда с помощью марсоходов.
Эта последняя категория позволяет использовать самые современные химико-аналитические приборы непосредственно для анализа образцов и, возможно, даже привезти некоторые образцы на Землю, где они могут быть тщательно изучены.
Новые захватывающие миссии, такие как марсоход НАСА Perseverance, будут искать жизнь на Марсе в этом году. Космический аппарат Europa Clipper, запускаемый в 2024 году, попытается получить образцы льда, выброшенного со спутника Юпитера Европа, а его миссия Dragonfly попытается посадить «октакоптер» на спутник Сатурна — Титан.
Масс-спектрометрия (МС) — это основной метод, на который ученые будут полагаться в поисках инопланетной жизни с помощью космических кораблей. Преимущество МС состоит в том, что она может одновременно измерять множество соединений, присутствующих в образцах, и, таким образом, обеспечивать своего рода «отпечаток пальца» состава образца. Тем не менее, интерпретация этих отпечатков пальцев может быть сложной задачей.
Насколько могут судить ученые, вся жизнь на Земле основана на одних и тех же высоко согласованных молекулярных принципах, что дает ученым уверенность в том, что вся земная жизнь произошла от общего древнего земного предка. Однако при моделировании примитивных процессов, которые, по мнению ученых, могли способствовать возникновению жизни на Земле, часто обнаруживается множество похожих, но немного отличающихся версий конкретных молекул, используемых земной жизнью.
Кроме того, естественные химические процессы также могут производить многие строительные блоки биологических молекул. Поскольку у нас до сих пор нет известных образцов инопланетной жизни, это оставляет ученых перед концептуальным парадоксом: сделала ли земная жизнь произвольный выбор на раннем этапе эволюции, и жизнь могла быть сконструирована иначе, или мы должны ожидать, что вся жизнь везде должна быть точно такой же, как и на Земле? Как мы можем узнать, что обнаружение определенного типа молекулы указывает на то, была ли она произведена инопланетной жизнью или нет?
Ученых уже давно беспокоит, что предубеждения в том, как мы понимаем жизнь, могут привести к тому, что наши методы обнаружения ее потерпят неудачу. «Викинг-2» фактически вернул странные результаты с Марса в 1976 году. Некоторые из проведенных им тестов дали сигналы, считающиеся положительными для жизни, но измерения МС не дали никаких доказательств жизни в том виде, в каком мы ее знаем.
Более поздние данные МС с марсохода Curiosity предполагают, что на Марсе есть органические соединения, но они все еще не дают доказательств существования жизни. Связанная с этим проблема преследует ученых, пытающихся обнаружить самые ранние свидетельства существования жизни на Земле: как мы можем определить, являются ли сигналы, обнаруженные в древних земных образцах, исходными живыми организмами, сохранившимися в этих образцах, или они получены в результате загрязнения организмами, которые в настоящее время пронизывают нашу планету?
Ученые из Института наук о Земле при Токийском технологическом институте в Японии и Национальной лаборатории магнитных полей (The National MagLab) в США попробовали решить эту проблему, используя комбинированный вычислительный подход экспериментального и машинного обучения.
Используя МС сверхвысокого разрешения (метод, известный как масс-спектрометрия с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье), они измерили масс-спектры широкого спектра сложных органических смесей, в том числе полученных из абиологических образцов в лаборатории (которые, как они совершенно уверены, не являются живыми), органических смесей, обнаруженных в метеоритах (которые представляют собой образцы органических соединений, произведенных абиологическими методами возрастом около 4,5 миллиардов лет, и которые, похоже, так и не стали живыми).
Также были изучены выращенные в лаборатории микроорганизмы и необработанная нефть (или сырая природная сырая нефть, которую мы выкачиваем из земли и перерабатываем в бензин, полученный из организмов, которые давным-давно жили на Земле).
Каждый из этих образцов содержал десятки тысяч дискретных молекулярных соединений, которые давали большой набор спектров МС, которые можно было сравнивать и классифицировать.
В отличие от подходов, которые используют точность измерений МС для однозначной идентификации каждого пика с конкретной молекулой в сложной органической смеси, исследователи вместо этого агрегировали свои данные и смотрели на общую статистику и распределение сигналов. Сложные органические смеси, например, полученные из живых существ, нефти и биологических образцов, при таком рассмотрении представляют собой очень разные «отпечатки пальцев». Такие паттерны гораздо труднее обнаружить человеку, чем наличие или отсутствие отдельных типов молекул.
Исследователи загрузили свои необработанные данные в алгоритм компьютерного машинного обучения и неожиданно обнаружили, что алгоритмы могут точно классифицировать образцы как живые или неживые с точностью ~ 95%.
Команда ученых предполагает, что такая точность связана с тем, что биологические процессы, которые изменяют органические соединения иначе, чем абиологические процессы, связаны с процессами, которые позволяют жизни размножаться. Живые процессы должны копировать себя, в то время как у абиологических процессов нет внутреннего процесса, контролирующего это.
«Эта работа открывает много интересных возможностей для использования масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения в астробиологических приложениях», — говорит соавтор исследования Хуан Чен из Национальной лаборатории MagLab США.
Ведущий автор Николас Гуттенберг добавляет: «Хотя трудно, если не невозможно, охарактеризовать каждый пик в сложной химической смеси, широкое распределение компонентов может содержать закономерности и взаимосвязи, которые информативны о процессе, в результате которого эта смесь возникла или развивалась.
-Если мы собираемся понять сложную химию пребиотиков, нам нужны способы мышления в терминах этих широких закономерностей — как они возникают, что они подразумевают и как они меняются — а не присутствия или отсутствия отдельных молекул. Первоначальное исследование возможности и методов определения характеристик на этом уровне и показывает, что даже если отбросить высокоточные измерения массы, в распределении пиков есть значительная информация, которую можно использовать для идентификации образцов по типу процесса, в котором они были произведены».
Соавтор Джим Кливз из ELSI добавляет: «Этот вид реляционного анализа может дать широкие преимущества для поиска жизни в Солнечной системе и, возможно, даже в лабораторных экспериментах, направленных на воссоздание происхождения жизни». Ученые планируют продолжить дальнейшие исследования, чтобы понять, какие аспекты этого типа анализа данных позволяют провести такую успешную классификацию.
Материал предоставлен: Институт наук о Земле и жизни (ELSI), Токийский технологический институт, Япония.