Учёные нашли молекулярные паттерны для поиска внеземной жизни
Поиск внеземной жизни в Солнечной системе набирает обороты, но такая жизнь может отличаться от земной. Методы, основанные на обнаружении конкретных молекул-биомаркеров, могут не сработать для жизни с другой эволюционной историей. Новое исследование японо-американской команды из Института наук о Земле и жизни (ELSI) Токийского технологического института описывает метод машинного обучения. Он анализирует сложные органические смеси с помощью масс-спектрометрии, чтобы классифицировать их как биологические или абиологические.
Проблема поиска неизвестной жизни
Основной вопрос: как обнаружить жизнь, если мы не знаем, что это такое, и если она фундаментально отличается от земной? Поиски ведутся разными методами:
- Прослушивание радиосигналов из глубокого космоса.
- Анализ состава атмосфер экзопланет.
- Прямые измерения в образцах грунта и льда в Солнечной системе.
Миссии, которые будут искать жизнь:
- Марсоход NASA Perseverance (Марс, 2021).
- Europa Clipper (спутник Юпитера Европа, запуск в 2024).
- Dragonfly (спутник Сатурна Титан, запуск в 2027).
Масс-спектрометрия (MS) — ключевой метод в этих поисках. Он одновременно измеряет множество соединений в образце, создавая "отпечаток" состава. Однако интерпретация этих данных сложна.
Парадокс и новый подход
Все земные организмы происходят от общего предка и используют одинаковые молекулярные принципы. Но в лабораторных симуляциях происхождения жизни возникают похожие, но другие молекулы. Химические процессы также могут создавать биологические "кирпичики". Это создаёт парадокс: является ли земная биохимия уникальным выбором эволюции, или же все формы жизни во Вселенной устроены одинаково?
Учёные из ELSI (Япония) и National MagLab (США) решили проблему, объединив эксперименты и машинное обучение. Они использовали сверхвысокоразрешающую масс-спектрометрию (FT-ICR MS) для анализа широкого спектра сложных органических смесей:
- Абиологические образцы из лаборатории (точно неживые).
- Органические смеси из метеоритов (~4.5 млрд лет, абиогенные, никогда не были живыми).
- Микроорганизмы, выращенные в лаборатории (соответствуют всем критериям жизни).
- Нефть-сырец (продукт преобразования древних организмов, пример изменения "отпечатка" жизни со временем).
Каждый образец содержал десятки тысяч отдельных молекулярных соединений, что дало большой набор данных MS для сравнения.
Метод и результаты
Вместо идентификации каждого пика в спектре, исследователи проанализировали общую статистику и распределение сигналов. В таком представлении сложные органические смеси биологического и абиологического происхождения демонстрируют разные "отпечатки".
Сырые данные были загружены в алгоритм машинного обучения. Результат: алгоритмы смогли классифицировать образцы как живые или неживые с точностью ~95%. Важно, что для этого потребовались упрощённые данные, что делает метод применимым для менее точных приборов на космических аппаратах.
Значение и перспективы
- Хуан Чен (National MagLab): "Эта работа открывает много возможностей для использования сверхвысокого разрешения MS в астробиологии".
- Николас Гуттенберг (ведущий автор): "Широкое распределение компонентов содержит паттерны, информативные о процессе возникновения смеси... Это исследование — первый шаг в изучении feasibility такого подхода".
- Джим Кливз (ELSI): "Такой реляционный анализ может дать преимущества для поиска жизни в Солнечной системе и в экспериментах по происхождению жизни".
Команда планирует дальнейшие исследования, чтобы понять, какие именно аспекты анализа данных обеспечивают успешную классификацию.