Могут ли ученые обнаружить жизнь, не зная, как она выглядит? Машинное обучение предлагает новый путь

Когда ученые NASA в конце 2023 года открыли контейнер с образцами с астероида Бенну, доставленный миссией OSIRIS-REx, они обнаружили нечто удивительное.

Пыль и порода содержали многие строительные блоки жизни: все пять нуклеиновых оснований, используемых в ДНК и РНК, 14 из 20 аминокислот, встречающихся в белках, и множество других органических молекул. Эти молекулы в основном построены из углерода и водорода и часто формируют основу химии жизни.

Еще более удивительным оказалось то, что аминокислоты с Бенну были почти поровну разделены между «левыми» и «правыми» формами (хиральными изомерами). На Земле почти вся биология использует исключительно левые версии. Равная смесь на Бенну указывает на то, что предпочтение жизни к левым формам, вероятно, возникло позже, в процессах на самой Земле, а не было «запрограммировано» в материале, доставленном астероидами.

Эти открытия поднимают глубокий вопрос, который становится все более актуальным по мере планирования миссий к Марсу, его спутникам и океаническим мирам Солнечной системы: как обнаружить жизнь, если неживая химия сама по себе начинает выглядеть «похожей на жизнь»?

Выявление потенциальных биосигнатур

Ключевая идея нового подхода заключается в том, что жизнь производит молекулы с определенной целью (хранение энергии, построение мембран, передача информации), в то время как абиогенная (неживая) химия, даже будучи сложной, следует другим правилам.

Традиционные методы поиска биосигнатур фокусируются на конкретных соединениях (определенные аминокислоты, липиды) или на хиральных предпочтениях (например, леворукости). Эти сигналы мощны, но основаны исключительно на молекулярных паттернах земной жизни. Это создает риск пропустить иную биохимию или принять неживую химию за признак жизни.

Результаты с Бенну подчеркивают эту проблему: образец содержал знакомые жизни молекулы, но сам по себе не был живым.

LifeTracer: новый аналитический подход

Чтобы снизить этот риск, в новом исследовании в журнале PNAS Nexus был разработан фреймворк LifeTracer. Вместо поиска одной «молекулы-убийцы» он классифицирует, насколько вероятно, что смеси соединений в породах содержат следы жизни, анализируя полные химические паттерны.

Команда собрала уникальный набор данных на границе между жизнью и не-жизнью:

• Абиогенные образцы: 8 богатых углеродом метеоритов, сохранивших химию ранней Солнечной системы.
• Биогенные образцы: 10 образцов почв и осадочных материалов с Земли, содержащих деградировавшие остатки биологических молекул.

Образцы обрабатывали, экстрагируя органику (процесс, похожий на заваривание чая), а затем анализировали с помощью масс-спектрометрии, где молекулы разбиваются на более мелкие фрагменты.

LifeTracer использует уникальный подход к анализу данных: вместо реконструкции каждой молекулярной структуры из десятков тысяч соединений, он анализирует паттерны этих фрагментов. Алгоритм характеризует фрагменты по массе и другим химическим свойствам, организует их в большую матрицу и с помощью машинного обучения (обучения с учителем) учится различать метеоритные и земные (биогенные) образцы на основе типа присутствующих молекул.

Результаты и значение

Даже всего на 18 образцах-примерах LifeTracer показалremarkably хорошие результаты, стабильно разделяя абиогенное и биогенное происхождение.

Важнее всего для модели оказалась не конкретная молекула, а общее распределение химических «отпечатков» в образце:

• В метеоритных образцах было больше летучих соединений, что отражает химию холодной среды космоса.
• Некоторые типы молекул, например полициклические ароматические углеводороды, присутствовали в обеих группах, но имели структурные различия, которые модель могла распознать.
• Соединение, содержащее серу, 1,2,4-тритиолан, стало сильным маркером для абиогенных образцов.

Эти открытия предполагают, что контраст между жизнью и не-жизнью определяется не единичной химической подсказкой, а тем, как организована вся совокупность органических молекул.

Подходы вроде LifeTracer, фокусирующиеся на паттернах, а не на предположениях о том, какие молекулы жизнь «должна» использовать, открывают новые возможности для оценки образцов с Марса, его спутников Фобоса и Деймоса, Европы (Юпитер) и Энцелада (Сатурн).

LifeTracer — не универсальный детектор жизни. Это основа для интерпретации сложных органических смесей. Находки с Бенну напоминают, что химия, благоприятная для жизни, может быть широко распространена в Солнечной системе, но сама по себе химия еще не равна биологии. Чтобы отличить одно от другого, ученым понадобятся не только лучшие инструменты, но и более умные способы читать истории, записанные в молекулах.