Ученые открыли простой и надежный тест на признаки прошлой или настоящей жизни на других планетах — «Святой Грааль астробиологии». В журнале Proceedings of the National Academy of Sciences команда из семи человек сообщает, что их метод, основанный на искусственном интеллекте, с точностью 90% отличает современные и древние биологические образцы от образцов абиотического происхождения. «Этот рутинный аналитический метод может революционизировать поиск внеземной жизни и углубить наше понимание происхождения и химии самой ранней жизни на Земле», — говорит доктор Хейзен. «Это открывает путь к использованию интеллектуальных датчиков на автоматических космических кораблях, спускаемых модулях и марсоходах для поиска признаков жизни до того, как образцы вернутся на Землю». Новый тест может сразу же раскрыть историю загадочных древних пород на Земле и, возможно, историю образцов, уже собранных с помощью инструмента анализа образцов на Марсе (SAM) марсохода Curiosity. Последние испытания могут быть проведены с использованием бортового аналитического прибора под названием «SAM» (для анализа проб на Марсе).
«Нам нужно будет настроить наш метод, чтобы он соответствовал протоколам SAM, но возможно, что у нас уже есть данные, чтобы определить, есть ли на Марсе молекулы из органической марсианской биосферы». «Поиск внеземной жизни остается одним из самых захватывающих усилий современной науки», — говорит ведущий автор Джим Кливс из Лаборатории Земли и планет Института науки Карнеги, Вашингтон, округ Колумбия. «Последствия этого нового исследования многочисленны, но есть три важных вывода: во-первых, на каком-то глубоком уровне биохимия отличается от абиотической органической химии; во-вторых, мы можем посмотреть на образцы Марса и древней Земли, чтобы определить, были ли они когда-то живыми; и в-третьих, вполне вероятно, что этот новый метод сможет отличить альтернативные биосферы от земных, что будет иметь серьезные последствия для будущих астробиологических миссий». Инновационный аналитический метод не основан просто на идентификации конкретной молекулы или группы соединений в образце.
Вместо этого исследователи продемонстрировали, что искусственный интеллект может отличать биотические образцы от абиотических, обнаруживая тонкие различия в молекулярных структурах образца, как показывает анализ пиролизной газовой хроматографии (который разделяет и идентифицирует составные части образца), а затем масс-спектрометрия (которая определяет молекулярные массы). этих компонентов). Обширные многомерные данные молекулярного анализа 134 известных абиотических или биотических образцов, богатых углеродом, были использованы для обучения ИИ прогнозированию происхождения новых образцов. С точностью примерно 90 % ИИ успешно идентифицировал образцы, полученные из:
- Живые существа, такие как современные раковины, зубы, кости, насекомые, листья, рис, человеческие волосы и клетки, сохранившиеся в мелкозернистой породе.
- Остатки древней жизни, измененные в результате геологической обработки (например, уголь, нефть, янтарь и окаменелости, богатые углеродом) или
- Образцы абиотического происхождения, такие как чистые лабораторные химикаты (например, аминокислоты) и богатые углеродом метеориты.
Авторы добавляют, что до сих пор было трудно определить происхождение многих древних углеродсодержащих образцов, поскольку коллекции органических молекул, как биотических, так и абиотических, имеют тенденцию со временем разлагаться. Удивительно, но, несмотря на значительный распад и изменения, новый аналитический метод обнаружил признаки биологии, сохранившиеся в некоторых случаях на протяжении сотен миллионов лет. Доктор Хейзен говорит: «Мы начали с идеи, что химия жизни фундаментально отличается от химии неживого мира; что существуют «химические правила жизни», которые влияют на разнообразие и распределение биомолекул. Если бы мы могли вывести эти правила, мы можем использовать их, чтобы направлять наши усилия по моделированию происхождения жизни или обнаружению едва заметных признаков жизни в других мирах». «Эти результаты означают, что мы сможем найти форму жизни с другой планеты, из другой биосферы, даже если она сильно отличается от жизни, которую мы знаем на Земле. на Земле и других планетах имеют общее или разное происхождение».
«Иными словами, этот метод должен быть способен обнаруживать биохимию инопланетян, а также земную жизнь. Это большое дело, потому что относительно легко обнаружить молекулярные биомаркеры земной жизни, но мы не можем предполагать, что инопланетная жизнь будет использовать ДНК». аминокислоты и т. д. Наш метод ищет закономерности в молекулярном распределении, которые возникают из-за потребности жизни в «функциональных» молекулах». «Что нас действительно удивило, так это то, что мы обучили нашу модель машинного обучения прогнозировать только два типа образцов — биотические и абиотические, — но метод обнаружил три отдельные популяции: абиотическую, живую биотическую и ископаемую биотическую». «Другими словами, он мог бы отличить более поздние биологические образцы от образцов ископаемых — скажем, недавно сорванный лист или овощ от чего-то, что умерло давно. ядро) также можно выделить».
Чтобы объяснить роль искусственного интеллекта, соавтор Анирудх Прабху из Научного института Карнеги использует идею разделения монет с использованием различных атрибутов — например, денежной стоимости, металла, года, веса или радиуса — а затем идет дальше, чтобы найти комбинации атрибутов. которые создают более тонкие разделения и группировки. «А когда задействованы сотни таких атрибутов, алгоритмы ИИ оказываются неоценимыми для сопоставления информации и создания очень детальной информации». «С химической точки зрения различия между биотическими и абиотическими образцами связаны с такими вещами, как растворимость в воде, молекулярная масса, летучесть и так далее», — добавил доктор Кливс. «Я думаю, что у клетки есть мембрана и внутренняя часть, называемая цитозолем; мембрана в значительной степени нерастворима в воде, а содержимое клетки в значительной степени растворимо в воде. старается свести к минимуму контакты своих компонентов с водой, а также предотвращает утечку «внутренних компонентов» через мембрану». «Внутренние компоненты также могут оставаться растворенными в воде, несмотря на то, что они представляют собой чрезвычайно большие молекулы, такие как хромосомы и белки», — говорит он.
«Итак, если разбить живую клетку или ткань на компоненты, получится смесь хорошо растворимых в воде молекул и молекул, очень нерастворимых в воде, распределенных по всему спектру. Такие вещи, как нефть и уголь, потеряли большую часть водорастворимого материала. за их долгую историю». «Абиологические образцы могут иметь уникальное распределение по всему спектру относительно друг друга, но они также отличаются от биологического распределения». Этот метод вскоре может раскрыть ряд научных загадок на Земле, в том числе происхождение черных отложений возрастом 3,5 миллиарда лет из Западной Австралии — горячо обсуждаемых пород, которые, как утверждают некоторые исследователи, содержат древнейшие ископаемые микробы Земли, в то время как другие утверждают, что они лишены жизни. знаки. Аналогичные споры вызывают и другие образцы древних горных пород Северной Канады, Южной Африки и Китая. «Сейчас мы применяем наши методы для решения давних вопросов о биогенности органического материала в этих породах», — говорит Хейзен.
Появились новые идеи о потенциальном вкладе этого нового подхода в другие области, такие как биология, палеонтология и археология. «Если ИИ сможет легко отличить биотику от абиотической, а также современную жизнь от древней, какие еще идеи мы можем получить? Например, можем ли мы выяснить, имела ли древняя ископаемая клетка ядро или была ли она фотосинтетической?» говорит доктор Хейзен. «Может ли он анализировать обугленные останки и различать различные виды древесины на археологических раскопках? Это как если бы мы просто окунались в воду огромного океана возможностей». «Инновационный метод Кливса и его коллег по различению биологического органического вещества от абиотического — это подарок для астробиологов и, вполне возможно, также для исследователей ранней истории Земли. Еще многое предстоит узнать, но однажды появится версия следующего поколения их система вполне может полететь на Марс, оценивая возможность существования жизни на Красной планете, в то время как ее привязанные к Земле сестры освещают древность жизни на нашей собственной планете», — сказал Эндрю Х. Нолл, профессор естественной истории Фишера и профессор исследований Земли. Почетный доктор планетарных наук, факультет организмической и эволюционной биологии Гарвардского университета.
«Я думаю, что это новое исследование очень интересно! Это новое направление исследований, поскольку оно позволяет отличить абиотическое органическое вещество от биотического на основе его молекулярной сложности и потенциально может стать фантастическим инструментом для астробиологических миссий», — добавила Эммануэль Дж. Жаво, руководитель лаборатории астробиологии ранней жизни и эволюции и директор отдела астробиологических исследований Льежского университета, Бельгия. «Было бы также очень интересно протестировать этот новый метод на некоторых из древнейших предполагаемых и обсуждаемых следов земной жизни, а также на современных и ископаемых организмах из трех областей жизни! Это могло бы помочь разрешить некоторые горячие споры в нашем сообществе". «Мы остро нуждаемся в биосигнатурах жизни, которые не зависят от поиска определенного типа биомолекулы, которая может быть универсальной для всей жизни на Земле, но не универсальной для всей жизни за пределами Земли», — сказала Карен Ллойд, профессор. Кафедра микробиологии Университета Теннесси, Ноксвилл.
«Эта статья определяет путь вперед для использования относительно легко измеряемой химической характеристики и определения того, будет ли она указывать на жизнь или нет, не предполагая, что жизнь за пределами Земли будет использовать те же биомолекулы, что и жизнь на Земле. Тот же самый статистический подход может быть применимо и к другим типам измерений, расширяя диапазон измерений, которые можно использовать для выявления агностических биосигнатур жизни». «Это обеспечивает важный потенциальный инструмент для выявления жизни как на других планетах, так и в отдаленных периодах прошлого Земли. Важно отметить, что этот метод уже может быть использован на космических кораблях, которые могут путешествовать в разные части Солнечной системы в поисках жизни за пределами Земли. », — добавил Дэниел Грегори, доцент кафедры наук о Земле Университета Торонто.
