Майбутні місії з дослідження Сонячної системи будуть шукати позаземне (інопланетне) життя, але життя інопланетян може не бути схожим на земне. Нова методика мас-спектрометричного аналізу може дозволити використовувати технологічні способи виявлення інопланетного життя.
Вчені всерйоз почали пошук позаземного життя в Сонячній системі, але таке життя може відрізнятися від земного життя, а методи, засновані на виявленні певних молекул як біосигнатур, можуть не застосовуватися до життя з іншою історією еволюції.
Нове дослідження, проведене спільною японсько-американською групою під керівництвом вчених з Інституту наук про Землю і життя (ELSI) при Токійському технологічному інституті, розробило метод машинного навчання, який оцінює складні органічні суміші за допомогою мас-спектрометрії для надійної класифікації їх як біологічні або абіологічні.
У сезоні 1, епізоді - 29 ("Операція: знищити! ") «Зоряного шляху», що вийшов в ефір у 1966 році, персонаж-гібрид людини і вулканця Спок зауважив: "Це не життя в тому вигляді, в якому ми його знаємо або розуміємо. Проте, очевидно, що вона жива.; вона існує ". Цей мем з поп-культури, якому вже 55 років, як і раніше підкреслює: як ми можемо виявити життя, якщо ми принципово не знаємо, що таке життя, і якщо це життя дійсно відрізняється від того життя, яке ми знаємо?
Людство шукало інопланетне життя в Сонячній системі з моменту посадки місії НАСА «Вікінг-2» на Марсі в 1976 році. В даний час існує безліч способів, якими вчені шукають інопланетне життя. До них належать прослуховування радіосигналів від можливих розвинених цивілізацій у глибокому космосі, пошук тонких відмінностей в атмосферному складі планет навколо інших зірок і прямі спроби знайти життя в зразках ґрунту і льоду за допомогою марсоходів.
Ця остання категорія дозволяє використовувати найсучасніші хіміко-аналітичні прилади безпосередньо для аналізу зразків і, можливо, навіть привезти деякі зразки на Землю, де вони можуть бути ретельно вивчені.
Нові захоплюючі місії, такі як марсохід НАСА Perseverance, шукатимуть життя на Марсі цього року. Космічний апарат Europa Clipper, що запускається в 2024 році, спробує отримати зразки льоду, викинутого із супутника Юпітера Європа, а його місія Dragonfly спробує посадити «октакоптер» на супутник Сатурна - Титан.
Мас-спектрометрія (МС) - це основний метод, на який вчені будуть покладатися в пошуках інопланетного життя за допомогою космічних кораблів. Перевага МС полягає в тому, що вона може одночасно вимірювати безліч з'єднань, присутніх у зразках, і, таким чином, забезпечувати свого роду «відбиток пальця» складу зразка. Тим не менш, інтерпретація цих відбитків пальців може бути складним завданням.
Наскільки можуть судити вчені, все життя на Землі засноване на одних і тих же високо узгоджених молекулярних принципах, що дає вченим впевненість у тому, що все земне життя сталося від загального стародавнього земного предка. Однак при моделюванні примітивних процесів, які, на думку вчених, могли сприяти виникненню життя на Землі, часто виявляється безліч схожих, але трохи відрізняються версій конкретних молекул, що використовуються земним життям.
Крім того, природні хімічні процеси також можуть виробляти багато будівельних блоків біологічних молекул. Оскільки у нас досі немає відомих зразків інопланетного життя, це залишає вчених перед концептуальним парадоксом: чи земне життя зробило довільний вибір на ранньому етапі еволюції, і життя могло бути сконструйоване інакше, або ми повинні очікувати, що все життя скрізь має бути точно таким же, як і на Землі? Як ми можемо дізнатися, що виявлення певного типу молекули вказує на те, чи була вона вироблена інопланетним життям чи ні?
Вчених вже давно турбує, що упередження в тому, як ми розуміємо життя, можуть призвести до того, що наші методи виявлення її зазнають невдачі. «Вікінг-2» фактично повернув дивні результати з Марса в 1976 році. Деякі з проведених ним тестів дали сигнали, які вважаються позитивними для життя, але вимірювання МС не дали жодних доказів життя в тому вигляді, в якому ми його знаємо.
Більш пізні дані МС з марсохода Curiosity припускають, що на Марсі є органічні сполуки, але вони все ще не дають доказів існування життя. Пов'язана з цим проблема переслідує вчених, які намагаються виявити найраніші свідчення існування життя на Землі: як ми можемо визначити, чи є сигнали, виявлені в стародавніх земних зразках, вихідними живими організмами, що збереглися в цих зразках, або вони отримані в результаті забруднення організмами, які в даний час пронизують нашу планету?
Вчені з Інституту наук про Землю при Токійському технологічному інституті в Японії та Національній лабораторії магнітних полів (The National MagLab) в США спробували вирішити цю проблему, використовуючи комбінований обчислювальний підхід експериментального і машинного навчання.
Використовуючи МС надвисокої роздільної здатності (метод, відомий як мас-спектрометрія з іонним циклотронним резонансом з перетворенням Фур'є), вони виміряли мас-спектри широкого спектру складних органічних сумішей, в тому числі отриманих з абіологічних зразків в лабораторії (які, як вони абсолютно впевнені, не є живими), органічних сумішей, виявлених в метеоритах (які являють собою зразки органічних сполук, вироблених абіологічними методами віком близько 4,5 мільярдів років, і які, схоже, так і не стали живими).
Також були вивчені вирощені в лабораторії мікроорганізми і необроблена нафта (або сира природна сира нафта, яку ми викачуємо із землі і переробляємо в бензин, отриманий з організмів, які давним-давно жили на Землі).
Кожен з цих зразків містив десятки тисяч дискретних молекулярних сполук, які давали великий набір спектрів МС, які можна було порівнювати і класифікувати.
На відміну від підходів, які використовують точність вимірювань МС для однозначної ідентифікації кожного піку з конкретною молекулою в складній органічній суміші, дослідники замість цього агрегували свої дані і дивилися на загальну статистику і розподіл сигналів. Складні органічні суміші, наприклад, отримані з живих істот, нафти і біологічних зразків, при такому розгляді являють собою дуже різні «відбитки пальців». Такі патерни набагато важче виявити людині, ніж наявність або відсутність окремих типів молекул.
Дослідники завантажили свої необроблені дані в алгоритм комп'ютерного машинного навчання і несподівано виявили, що алгоритми можуть точно класифікувати зразки як живі або неживі з точністю ауд 95%.
Команда вчених припускає, що така точність пов'язана з тим, що біологічні процеси, які змінюють органічні сполуки інакше, ніж абіологічні процеси, пов'язані з процесами, які дозволяють життю розмножуватися. Живі процеси повинні копіювати себе, в той час як у абіологічних процесів немає внутрішнього процесу, що контролює це.
«Ця робота відкриває багато цікавих можливостей для використання мас-спектрометрії надвисокого дозволу в астробіологічних додатках», - говорить співавтор дослідження Хуан Чен з Національної лабораторії MagLab США.
Провідний автор Ніколас Гуттенберг додає: "Хоча важко, якщо не неможливо, охарактеризувати кожен пік у складній хімічній суміші, широкий розподіл компонентів може містити закономірності і взаємозв'язки, які інформативні про процес, в результаті якого ця суміш виникла або розвивалася.
- Якщо ми збираємося зрозуміти складну хімію пребіотиків, нам потрібні способи мислення в термінах цих широких закономірностей - як вони виникають, що вони передбачають і як вони змінюються - а не присутності або відсутності окремих молекул. Початкове дослідження можливості і методів визначення характеристик на цьому рівні і показує, що навіть якщо відкинути високоточні вимірювання маси, в розподілі піків є значна інформація, яку можна використовувати для ідентифікації зразків за типом процесу, в якому вони були зроблені ".
Співавтор Джим Клівз з ELSI додає: «Цей вид реляційного аналізу може дати широкі переваги для пошуку життя в Сонячній системі і, можливо, навіть у лабораторних експериментах, спрямованих на відтворення походження життя». Вчені планують продовжити подальші дослідження, щоб зрозуміти, які аспекти цього типу аналізу даних дозволяють провести таку почесну успішну класифікацію.
