Как обнаружить жизнь, не зная, как она выглядит? Машинное обучение предлагает новый подход

Если неживая химия может создавать богатые и упорядоченные смеси органических молекул, традиционные признаки биологии могут оказаться недостаточными. Об этом пишет Space.com, ссылаясь на новое исследование, опубликованное в PNAS Nexus.

Когда в конце 2023 года учёные NASA открыли контейнер с образцами астероида Бенну, доставленными миссией OSIRIS-REx, их ждал сюрприз. В 120 граммах пыли и камней оказались все пять нуклеобаз ДНК и РНК, 14 из 20 аминокислот белков и множество других органических соединений — строительных блоков жизни. Эти молекулы, построенные в основном из углерода и водорода, составляют основу биохимии.

Десятилетиями учёные предполагали, что астероиды принесли на Землю ингредиенты жизни, и находки Бенну стали сильным подтверждением. Ещё более удивительно, что аминокислоты оказались почти равномерно разделены между «левой» и «правой» формами (хиральными зеркальными изомерами). На Земле почти вся жизнь использует только левую форму. Равновесие в Бенну говорит: асимметрия жизни возникла позже, на самой планете, а не была привнесена из космоса.

Если космические камни могут нести знакомые молекулы, но без химического «отпечатка» жизни, задача поиска биосигнатур становится крайне сложной.

Жизнь или просто сложная химия?

Как отличить биологию от геохимии, когда молекулы выглядят «живыми»? Компьютерный учёный-астробиолог, работающий над биосигнатурами, поставил этот вопрос в центр нового исследования. Вместо поиска отдельных молекул или структур команда разработала фреймворк LifeTracer — систему машинного обучения, которая классифицирует смеси веществ по вероятности наличия следов жизни.

Идея проста: жизнь создаёт молекулы с целью — для хранения энергии, построения мембран, передачи информации. Неживая химия, даже очень сложная, следует другим правилам: она не подчинена метаболизму и эволюции.

Традиционные методы ищут конкретные соединения (аминокислоты, липиды) или хиральную асимметрию. Это работает для земной жизни, но может пропустить иную биологию или принять неживую химию за биосигнатуру.

Результаты Бенну подчёркивают проблему: все ингредиенты есть, но жизни нет.

Как работает LifeTracer

Команда собрала уникальный набор данных: восемь углистых метеоритов (аббиотическая химия ранней Солнечной системы) и десять образцов земных почв и осадочных пород (остатки биологической молекулярной активности).

Каждый образец измельчили, экстрагировали органику растворителем (как заваривание чая), разделили на фракции и подвергли масс-спектрометрии. Получилось по десятки тысяч молекул в каждом образце — многие в низкой концентрации, многие неидентифицированы.

LifeTracer не пытается реконструировать каждую структуру. Вместо этого он анализирует массовые фрагменты по массе и двум химическим свойствам, формирует большую матрицу и обучает модель отличать метеориты от земных биологических образцов.

Даже с 18 образцами модель показала высокую точность. Ключ — не отдельные молекулы, а распределение химических «отпечатков». Метеориты содержат больше летучих соединений, типичных для холодной космической среды. Полициклические ароматические углеводороды присутствуют в обеих группах, но с разными структурными особенностями. Соединение 1,2,4-тритиолан стало сильным маркером неживых образцов, а земные — содержат продукты биологических процессов.

Что это значит для поиска жизни

LifeTracer — не универсальный детектор жизни, а инструмент для интерпретации сложных органических смесей. Он позволяет оценить, выглядит ли химия образца скорее как биология, чем как случайная геохимия.

Будущие миссии к Марсу, Фобосу, Деймосу, Европе и Энцеладу принесут пробы с множеством источников органики. LifeTracer поможет отличить биологическое от абиотического, не полагаясь на земные стереотипы.

Результаты Бенну напоминают: «жизнеподобная» химия может быть широко распространена в Солнечной системе, но сама по себе она ещё не биология.

Вкратце

Бенну показал: астероиды несут все компоненты РНК и белков, но без признаков жизни. Традиционные биосигнатуры могут быть недостаточными. LifeTracer — новый подход машинного обучения: вместо отдельных молекул анализирует общий химический «портрет» образца. Он отличает абиотическую химию метеоритов от земной биологической по распределению соединений. Это открывает путь к более объективному поиску жизни на Марсе, спутниках Юпитера и Сатурна — без предположений, что она должна быть похожа на земную.