Астробиологическое исследование предсказывает инопланетную жизнь, «какой мы ее не знаем»
Поиск инопланетной жизни до сих пор был ограничен использованием жизни на Земле в качестве эталона, по сути, поиском «жизни, какой мы ее знаем» за пределами Земли. Для астробиологов, ищущих жизнь на других планетах, просто нет инструментов для предсказания особенностей «жизни такой, какой мы ее не знаем».
В новом исследовании группа ученых устранила это ограничение, выявив универсальные закономерности в химии жизни, которые, по-видимому, не зависят от конкретных молекул. Эти результаты дают новую возможность для предсказания особенностей инопланетной жизни с биохимией, отличной от земной.
«Мы хотим иметь новые инструменты для выявления и даже предсказания особенностей жизни, поскольку мы ее не знаем», — говорит Сара Уокер из Университета Аризоны. «Для этого мы стремимся определить универсальные законы, которые должны применяться к любой биохимической системе. Это включает в себя разработку количественной теории происхождения жизни и использование теории и статистики для поиска жизни на других планетах».
На Земле жизнь возникает в результате взаимодействия сотен химических соединений и реакций. Некоторые из этих соединений и реакций встречаются во всех организмах, создавая универсальную биохимию для всей жизни на Земле.
Однако это понятие универсальности специфично для известной биохимии и не позволяет делать предсказания относительно еще не наблюдаемых примеров.
«Мы не просто молекулы, являющиеся частью наших тел; мы, как живые существа, представляем собой эмерджентное свойство (в теории систем — появление у системы свойств, не присущих её элементам в отдельности) взаимодействий множества молекул, из которых мы состоим», — говорит Сара Уокер. «Наша работа направлена на разработку способов превращения этого философского понимания в проверяемые научные гипотезы».
Ведущий автор исследования Дилан Гаглер, сказал, что заинтересовался универсальной биологией из-за желания лучше понять феномен жизни. «Удивительно сложно определить эту концепцию, — говорит он. «Насколько я могу судить, жизнь — это, в конечном счете, биохимический процесс, поэтому я хотел исследовать, что жизнь делает на этом уровне».
В конце концов ученые решили, что ферменты как функциональные движущие силы биохимии являются хорошим подходом к этой концепции. Используя базу данных Integrated Microbial Genomes and Microbiomes, они смогли исследовать ферментативный состав бактерий, архей и эукариот и, таким образом, получить большую часть биохимии Земли.
Благодаря этому подходу команда смогла открыть новый вид биохимической универсальности, выявив статистические закономерности в биохимической функции ферментов, общих для всего древа жизни.
Вся жизнь на Земле объединена использованием общего набора составляющих химических соединений и реакций, что обеспечивает подробную модель универсальной биохимии. Однако это понятие универсальности специфично для известной биохимии и не позволяет количественно предсказывать примеры, которые еще не наблюдались. Здесь мы вводим более обобщаемую концепцию биохимической универсальности, которая больше похожа на универсальность, присущую физике. Используя аннотированные наборы геномных данных, включающие ансамбль из 11 955 метагеномов, 1282 архей, 11 759 бактерий и 200 таксонов эукариот, мы показываем, как функции ферментов формируют классы универсальности с общим масштабированием в их относительной распространенности в наборах данных. Мы проверяем, что эти законы масштабирования не объясняются наличием соединений, реакций и функций ферментов, общих для всех известных примеров жизни. Мы демонстрируем, как эти законы масштабирования могут быть использованы в качестве инструмента для определения свойств древней жизни, сравнивая их предсказания с консенсусной моделью для последнего универсального общего предка (LUCA). Мы также иллюстрируем, как сетевой анализ проливает свет на функциональные принципы, лежащие в основе наблюдаемого поведения масштабирования. В совокупности наши результаты подтверждают существование нового вида биохимической универсальности, независимой от деталей химии компонентов жизни на Земле, что имеет значение для руководства нашими поисками недостающего биохимического разнообразия на Земле или биохимии, которая может отличаться от точного химического состава жизни, какой мы ее знаем, например, у истоков жизни, в чужеродной среде или в разработке синтетической жизни.
При этом они подтвердили, что статистические паттерны возникли из функциональных принципов, которые не могут быть объяснены общим набором функций ферментов, используемых всеми известными формами жизни, и определили отношения масштабирования, связанные с общими типами функций.
«Мы определили новый вид биохимической универсальности из крупномасштабных статистических закономерностей биохимии и обнаружили, что они более применимы к неизвестным формам жизни по сравнению с традиционной универсальностью, описываемой специфическими молекулами и реакциями, общими для всей жизни на Земле. — говорят исследователи. «Это открытие позволяет нам разработать новую теорию общих правил жизни, которая поможет в поисках новых примеров жизни».
«Мы можем ожидать, что эти результаты будут верны где угодно во Вселенной, и это захватывающая возможность, которая мотивирует нас на много интересной работы».