Forskere finder molekylære mønstre, der kan hjælpe med at identificere udenjordisk liv

Forskere er for alvor begyndt at søge efter udenjordisk liv i solsystemet, men et sådant liv kan være subtilt eller dybt forskelligt fra jordisk liv, og metoder baseret på påvisning af bestemte molekyler som biosignaturer gælder muligvis ikke for liv med en anden evolutionær historie. En ny undersøgelse udført af et fælles Japan/USA-baseret team, ledet af forskere ved Earth-Life Science Institute (ELSI) ved Tokyo Institute of Technology, rapporter om en maskinlæringsteknik, der vurderer komplekse organiske blandinger ved hjælp af massespektrometri for at klassificere dem som biologiske eller biologiske.

I sæson 1, afsnit 29 af "Star Trek" ("Operation:Annihilate!"), som blev sendt i 1966, menneske-vulkan hybrid karakteren Spock siger, "Det er ikke liv, som vi kender eller forstår det. Alligevel er det åbenbart levende; det eksisterer." Denne nu 55 år gamle episode gør en pointe:Hvordan kan vi opdage liv, hvis vi grundlæggende ikke ved, hvad livet er, og hvis det liv virkelig er anderledes end livet, som vi kender det?

Spørgsmålet om, hvorvidt vi er alene som levende væsener i universet, har fascineret menneskeheden i århundreder, og menneskeheden har ledt efter udenjordisk liv i solsystemet siden NASAs Viking 2-mission til Mars i 1976. Søgen efter liv omfatter at lytte efter radiosignaler fra avancerede civilisationer i det dybe rum, leder efter subtile forskelle i den atmosfæriske sammensætning af planeter omkring andre stjerner, og direkte forsøger at måle det i jord- og isprøver indsamlet ved hjælp af rumfartøjer i vores eget solsystem. Denne sidste kategori giver dem mulighed for at bringe deres mest avancerede kemiske analytiske instrumentering direkte til brug på udenjordiske prøver, og måske endda bringe nogle af prøverne tilbage til Jorden, hvor de kan studeres.

Missioner som NASAs Perseverance rover vil lede efter liv i år på Mars; NASA's Europa Clipper, lanceret i 2024, vil prøve at prøve is, der er kastet ud fra Jupiters måne Europa, og dens Dragonfly-mission vil forsøge at lande en "oktakopter" på Saturns måne Titan, startende i 2027. Disse missioner vil alle forsøge at besvare spørgsmålet om, hvorvidt vi er alene.

Massespektrometri (MS) er en hovedteknik, som videnskabsmænd vil stole på i rumfartøjsbaserede søgninger efter udenjordisk liv. Teknikken kan samtidig måle mængder af forbindelser til stede i prøver, og dermed give en slags "fingeraftryk" af deres sammensætning. Alligevel, Det kan være vanskeligt at fortolke disse fingeraftryk.

Så godt som forskerne kan fortælle, alt liv på Jorden er baseret på de samme højt koordinerede molekylære principper, hvilket giver videnskabsmænd tillid til, at alt jordisk liv stammer fra en fælles gammel jordbaseret forfader. Imidlertid, i simuleringer af de primitive processer, som videnskabsmænd mener kan have bidraget til livets oprindelse på Jorden, mange lignende, men lidt forskellige versioner af de særlige molekyler, som det jordiske liv bruger, opdages ofte. Desuden, naturligt forekommende kemiske processer er også i stand til at producere mange af byggestenene i biologiske molekyler.

Da vi stadig ikke har nogen kendt prøve af fremmed liv, dette efterlader videnskabsmænd med et konceptuelt paradoks:tog jordens liv nogle vilkårlige valg tidligt i evolutionen, som var låst inde, og dermed, kunne livet konstrueres anderledes, eller skal vi forvente, at alt liv overalt er begrænset på nøjagtig samme måde, som det er på Jorden? Hvordan kan vi vide, at påvisningen af ​​en bestemt molekyletype er indikativ for, om den var eller ikke blev produceret af udenjordisk liv?

Det har længe bekymret forskere, at skævheder mod livsformer svarende til jordisk liv kan få deres detektionsmetoder til at mislykkes. Viking 2, faktisk, returnerede mærkelige resultater fra Mars i 1976. Nogle af de test, den udførte, gav signaler, der blev betragtet som positive for livet, men MS-målingerne gav ingen beviser for liv, som vi kender det. Nyere MS-data fra NASAs Mars Curiosity-rover tyder på, at der er organiske forbindelser på Mars, men de giver stadig ikke bevis for livet. Et relateret problem har plaget videnskabsmænd, der forsøger at opdage de tidligste beviser for liv på Jorden:Kan vi se, om signaler detekteret i gamle terrestriske prøver er fra de originale levende organismer, der er bevaret i disse prøver, eller stammer fra forurening af organismer, der i øjeblikket optager planeten?

Forskere ved Earth-Life Science Institute ved Tokyo Institute of Technology i Japan og National High Magnetic Field Laboratory (The National MagLab) i USA behandlede dette problem ved hjælp af en kombineret eksperimentel og maskinlæringsberegningsmetode. Ved hjælp af ultrahøj opløsning MS (en teknik kendt som Fourier-transform ion cyclotron resonans massespektrometri (eller FT-ICR MS)), de målte massespektrene for en lang række komplekse organiske blandinger, inklusive dem, der stammer fra biologiske prøver lavet i laboratoriet (som de er ret sikre på ikke lever), organiske blandinger fundet i meteoritter (som er ~ 4,5 milliarder år gamle prøver af biologisk producerede organiske forbindelser, der ser ud til aldrig at have været i live), laboratoriedyrkede mikroorganismer, der passer til alle moderne livskriterier, herunder nye mikrobielle organismer isoleret og dyrket af ELSI medforfatter Tomohiro Mochizuki, og uforarbejdet petroleum, som er afledt af organismer, der levede for længe siden på jorden, giver et eksempel på, hvordan "fingeraftrykket" af kendte levende organismer kan ændre sig over geologisk tid. Disse prøver indeholdt hver titusindvis af diskrete molekylære forbindelser, som gav et stort sæt MS-spektre, der kunne sammenlignes og klassificeres.

I modsætning til tilgange, der bruger nøjagtigheden af ​​MS-målinger til at identificere hver top med et bestemt molekyle i en kompleks organisk blanding, forskerne samlede i stedet deres data og så på den brede statistik og distribution af signaler. Komplekse organiske blandinger, såsom dem, der stammer fra levende ting, petroleum, og biologiske prøver, præsentere meget forskellige "fingeraftryk", når de ses på denne måde. Sådanne mønstre er meget sværere for et menneske at opdage end tilstedeværelsen eller fraværet af individuelle molekyletyper.

Forskerne fodrede deres rå data ind i en maskinlæringsalgoritme, og overraskende fandt, at algoritmerne var i stand til nøjagtigt at klassificere prøverne som levende eller ikke-levende med ~95% nøjagtighed. Vigtigt, de gjorde det efter at have forenklet de rå data betydeligt, hvilket gør det plausibelt, at instrumenter med lavere præcision brugt på rumfartøjer kunne opnå data med tilstrækkelig opløsning til at muliggøre den biologiske klassifikationsnøjagtighed, som holdet opnåede.

De underliggende årsager til klassificeringsnøjagtighed mangler at blive undersøgt, men holdet antyder, at det er på grund af de måder, biologiske processer på, som modificerer organiske forbindelser anderledes end biologiske processer, forholde sig til de processer, der sætter livet i stand til at udbrede sig. Levende processer skal lave kopier af sig selv, mens biologiske processer ikke har nogen intern proces, der styrer dette.

"Dette arbejde åbner mange spændende muligheder for at bruge massespektrometri med ultrahøj opløsning til astrobiologiske anvendelser, " siger medforfatter Huan Chen fra U.S. National MagLab.

Hovedforfatter Nicholas Guttenberg tilføjer, "Selvom det er svært, hvis ikke umuligt, at karakterisere hver top i en kompleks kemisk blanding, den brede fordeling af komponenter kan indeholde mønstre og relationer, som er informative om den proces, hvorved denne blanding opstod eller udviklede sig. Hvis vi skal forstå kompleks præbiotisk kemi, vi har brug for måder at tænke på i forhold til disse brede mønstre – hvordan de opstår, hvad de indebærer, og hvordan de ændrer sig - i stedet for tilstedeværelsen eller fraværet af individuelle molekyler. Dette papir er en indledende undersøgelse af gennemførligheden og metoderne til karakterisering på det niveau og viser, at selv kassering af højpræcisionsmassemålinger, der er betydelig information i spidsfordelingen, der kan bruges til at identificere prøver efter den type proces, der producerede dem."

Medforfatter Jim Cleaves fra ELSI siger, "Denne form for relationsanalyse kan give brede fordele for at søge efter liv i solsystemet, og måske endda i laboratorieeksperimenter designet til at genskabe livets oprindelse." Holdet planlægger at følge op med yderligere undersøgelser for at forstå præcis, hvilke aspekter af denne type dataanalyse tillader en sådan vellykket klassificering.