Как се открива живот, без да се знае как изглежда той? Нов метод определя биологичния произход с 87% точност

През следващото десетилетие човечеството се надява да достави на Земята проби от почвата на Марс и неговите спътници. Мисиите Mars Sample Return (NASA/ESA) и Martian Moons eXploration (JAXA) имат за цел да отговорят на въпроса дали е съществувал живот извън нашата планета. Самият факт, че в тези проби са открити органични вещества, обаче няма да даде отговор. Вселената е наситена с въглеродни съединения, които се образуват без помощта на биологията.

Научната общност е изправена пред много трудно аналитично предизвикателство: да се научи да разграничава надеждно органичните вещества, създадени от жива клетка, от органичните вещества, създадени в резултат на геологични и космически процеси. Група изследователи представи нов изчислителен метод, който може да реши този проблем чрез анализ на статистическите закономерности, а не чрез търсене на познати молекули.

Кризата на идентификацията в астробиологията

Основен проблем в търсенето на извънземен живот се крие в явление, което специалистите наричат абиотичен синтез. Въглеродът, водородът, кислородът и азотът – основните градивни елементи на живота – са широко разпространени в космоса. Под въздействието на ултравиолетовото излъчване, космическите лъчи и температурните разлики, тези елементи реагират, за да образуват сложни органични молекули. Метеоритите, падащи на Земята, често съдържат аминокиселини, нуклеотиди и захари, които никога не са били част от жив организъм.

Традиционните методи за анализ, използвани от марсоходите и лабораториите на Марс, работят на принципа на целенасоченото търсене. Учените предварително определят списък с биомаркери – вещества, характерни за земния живот (като ДНК, липиди на клетъчната мембрана или определени протеини) – и търсят специално тях. Този подход е ефективен за намиране на живот, идентичен със земния, но има сериозен недостатък: предубеденост. Ако извънземният живот е изграден на различни биохимични принципи, целенасочените анализи ще го пропуснат. Нещо повече, в продължение на милиони години органичните останки претърпяват диагенеза – геоложки промени, дължащи се на налягането и температурата – която унищожава очевидните биомаркери.

Новото изследване, публикувано в научното списание PNAS Nexus, предлага промяна на парадигмата: преминаване от търсене на специфични вещества към нецеленасочени анализи с помощта на алгоритми за машинно обучение.

Методологията: разделяне на дадена смес в две измерения

Авторите на статията са създали уникален набор от данни, съчетаващ два коренно различни класа материя.

Първата група са абиотичните проби. Тя включва осем въглеродни хондрита (метеорити), включително известния метеорит Мърчисън. Тези обекти са капсули на времето, съдържащи първичните органични вещества на Слънчевата система, образувани преди 4,5 милиарда години в студа на протопланетния диск.

Втората група са биотични проби. Това включва земните скали и почви от екстремни местообитания (пустинята Атакама, Антарктида, района на река Рио Тинто), както и древни седиментни скали (шисти, въглища). Тези проби съдържат органични вещества, за които е гарантирано, че са с биологичен произход, но са претърпели процеси на разлагане и минерализация.

За анализа е използвана двуизмерна газова хроматография, съчетана с масспектрометрия с висока разделителна способност. За разлика от стандартната хроматография, при която сместа се разделя на компонентите си чрез преминаване през една колонка, тук се използват два етапа на разделяне. Първо, веществата се сортират по летливост (температура на кипене), а след това по полярност (химични свойства).

Този процес превръща физическата проба в подробно цифрово изображение, съставено от хиляди точки (пикове). Всеки пик съответства на различно химично съединение или фрагмент от химично съединение. Средната проба от метеорит по време на експеримента показа наличието на 1184 уникални пика, докато земната проба показа около 907. Ръчната обработка на подобен масив от данни би отнела години, затова изследователите са разработили софтуерния пакет LifeTracer.

LifeTracer: търсенето на скрити модели

LifeTracer е фреймуърк за машинно обучение, който не се опитва да идентифицира всяка молекула поотделно. Вместо това той анализира цялостната структура на данните: разпределение на масите, време на задържане в хроматографа и интензитет на сигнала. Системата е обучена да вижда разликата между хаотичния химичен фон и подредените биологични следи.

По време на обучението алгоритъмът установява, че абиотичните и биотичните проби имат статистически значими разлики в разпределението на органичните съединения. Точността на класификация на тестовата проба надхвърля 87%. Основното постижение на работата е идентифицирането на специфичните химични признаци, които разграничават живите от неживите неща.

Химическият подпис на ентропията и живота

Изследването показа, че естеството на произхода на органичните вещества диктува техните физикохимични свойства.

Абиотичният профил (метеоритите). Органичните вещества в метеоритите се характеризират с висока летливост и по-кратко време на задържане в първата хроматографска колона. Това се обяснява с механизмите на образуването им. В космическото пространство реакциите протичат на случаен принцип под въздействието на йонизиращата радиация. Това води до преобладаване на относително прости и стабилни молекули. Основният маркер на абиотичните проби са полицикличните ароматни въглеводороди (ПАВ) с къси странични вериги, като нафтален и метилнафтален, както и сяросъдържащите съединения (напр. тритиоланите). Тези вещества се образуват при процесите на непълно горене или при радикални реакции в студените молекулни облаци. Тяхното разнообразие е голямо, но структурната им сложност е ограничена от термодинамиката.

Биотичен профил (Земята). Биологичната органика, напротив, показва изместване към по-тежките и по-малко летливи съединения. Живите системи изразходват енергия, за да синтезират сложни молекули, които са термодинамично неблагоприятни в неживата природа. Дори след като организмът умре и частично се разпадне, тези сложни структури се запазват. LifeTracer идентифицира наличието на терпеноиди и разклонени алкилбензени като ключови признаци на живот. Терпеноидите са изопренови производни, които на Земята са в основата на множество биологично активни вещества – от етеричните масла до стероидите. Наличието на такива сложни, специално проектирани молекули служи като индикатор за насочен ензимен синтез. Биологията работи селективно: тя създава само определени изомери (пространствени конфигурации) на молекулите, като пренебрегва останалите, докато абиотичната химия създава всички възможни варианти в равни пропорции.

Значимостта за бъдещите космически мисии

Разработеният метод е от голяма полза за интерпретирането на данните, които ще бъдат получени от бъдещите мисии за връщане на почви. Основният проблем, с който ще се сблъскат учените при анализа на марсианската почва, е замърсяването и неопределеността. Пробите могат да съдържат смес от органични вещества, донесени от метеоритите, и хипотетични следи от древен живот.

Авторите на изследването подчертават, че LifeTracer може да се превърне в мощен инструмент за анализ на пробите, върнати на Земята от марсианските мисии, астероиди или други небесни тела. Това открива нови възможности за изучаване на химическите следи от живот извън нашата планета.

Методът LifeTracer е агностичен. Той не изисква извънземният живот да използва същите аминокиселини или генетичен код като земния живот. Той разчита на по-широк принцип: живите системи създават химическа сложност и подреденост, които се различават от продуктите на случайните реакции.

Използването на машинно обучение елиминира човешката грешка и субективността при интерпретирането на спектрите. Софтуерът анализира хиляди слаби сигнали, които човек би сметнал за фонов шум, и открива в тях модели, които показват произхода на материала. Това дава възможност да се работи с проби, в които концентрацията на органични вещества е изключително ниска, а самите молекули не могат да бъдат директно идентифицирани от стандартните библиотеки с масспектри. Този пробив в областта на астробиологията дава нови инструменти за бъдещите мисии до Марс и ледените луни на Юпитер и Сатурн.

Това предоставя на научната общност инструмент, способен да разграничи геохимията от биохимията въз основа на математически анализ на молекулните популации. По този начин значително се намалява рискът от фалшиво положителни резултати (когато някой скален къс се приема за бактерия) и фалшиво отрицателни резултати (когато следите от живот се обясняват със замърсяване), което е особено важно за правилния отговор на въпроса за нашата самота във Вселената.