Учёные предложили искать внеземную жизнь по сложности молекул

Исследователи из Университета Глазго разработали метод поиска признаков внеземной жизни, который не требует заранее предполагать, какой именно должна быть биохимия инопланетных организмов. Вместо поиска конкретных молекул, характерных для земной жизни, учёные предлагают оценивать, насколько сложно было создать обнаруженное вещество.

В основе подхода лежит сочетание масс-спектрометрии и машинного обучения. Метод позволяет оценивать так называемую молекулярную сборку — показатель, который характеризует минимальное количество последовательных этапов, необходимых для построения молекулы из более простых компонентов. Чем выше этот показатель, тем сложнее молекула с точки зрения её возможного пути формирования.

В основе подхода лежит теория сборки — концепция, которая позволяет оценивать сложность молекул по минимальному числу последовательных шагов, необходимых для их построения из более простых компонентов. Согласно этому подходу, для каждой молекулы можно определить самый короткий возможный путь её построения. Например, молекула с показателем молекулярной сборки 40 имеет вдвое более длинный минимальный путь построения, чем молекула со значением 20.

Исследователи считают, что высокая сложность сама по себе ещё не доказывает наличие жизни. Однако если очень сложные молекулы возникают многократно и в значительных количествах, это может указывать на процесс, который постоянно направляет химические реакции по определённым путям. Для биологических систем такая закономерность естественна: организмы используют хранящуюся в них информацию, чтобы снова и снова производить одни и те же сложные соединения.

Именно это может сделать молекулярную сборку потенциальным универсальным биосигнатурным признаком, не зависящим от конкретной химии. Учёным не обязательно заранее знать, из каких веществ состоит внеземная жизнь и какие реакции она использует. Достаточно определить, что обнаруженные молекулы имеют необычно высокую сложность и возникают с закономерностью, которую трудно объяснить случайными химическими процессами.

Такой подход призван решить одну из главных проблем современной астробиологии. Обнаружение отдельной молекулы ещё не означает, что она была создана живым организмом. Метан на Марсе, фосфин в атмосфере Венеры и диметилсульфид в атмосферах экзопланет привлекали внимание именно потому, что на Земле эти соединения могут иметь биологическое происхождение. Однако существуют и небиологические механизмы их образования.

Метан, например, способен возникать в результате геологических процессов. Диметилсульфид считается тесно связанным с земной жизнью, но его также обнаруживали в кометном веществе и получали в лабораторных экспериментах, моделирующих химические процессы ранней Солнечной системы. Поэтому само присутствие определённого вещества не позволяет однозначно установить механизм его происхождения.

Молекулярная сборка предлагает искать не конкретную «молекулу жизни», а статистически необычную сложность химических соединений. В основе этого рассуждения лежит вероятность: по мере увеличения сложности количество потенциальных молекулярных структур резко возрастает, а вероятность многократного случайного образования одной и той же сложной структуры уменьшается. Если же какой-либо процесс направляет реакции к определённому результату, сложные молекулы могут производиться неоднократно.

Предыдущие эксперименты, на которые ссылаются авторы работы, показали приблизительную границу между абиотическими и биологическими образцами при индексе сборки около 15. Однако для поиска внеземной жизни особенно важно другое преимущество метода: исследователям потенциально не нужно знать химическое название или функцию молекулы, чтобы обнаружить её необычную сложность.

Это может оказаться полезным при исследовании Марса, Европы, Энцелада и Титана. На этих объектах космические аппараты могут столкнуться с химическими соединениями, которые практически не встречаются на Земле или имеют неизвестное происхождение.

Одним из наиболее подходящих инструментов для такой работы является масс-спектрометр. Он определяет вещества по отношению массы иона к его электрическому заряду. Более сложные многоступенчатые масс-спектрометры позволяют последовательно разрушать молекулы и получать информацию об их структуре и возможном пути сборки.

Однако космические аппараты имеют жёсткие ограничения по массе, энергопотреблению, вычислительным ресурсам и сложности оборудования. Поэтому многие планетарные миссии используют более простую одноступенчатую масс-спектрометрию, которая предоставляет меньше информации о структуре молекул.

Чтобы компенсировать это ограничение, исследователи обучили модель машинного обучения XGBoost на стандартизированных масс-спектрах из базы Chemistry WebBook Национального института стандартов и технологий США. Алгоритм научился оценивать молекулярную сборку непосредственно по данным одноступенчатой масс-спектрометрии.

Согласно результатам исследования, модель снизила относительную среднеквадратичную ошибку в три раза по сравнению с наиболее эффективной базовой моделью — с 0,12 до 0,04. При этом алгоритм имел тенденцию недооценивать молекулы с особенно высокими значениями молекулярной сборки.

Авторы считают такую особенность потенциально полезной для системы поиска жизни. Консервативная оценка уменьшает вероятность того, что относительно простая молекула будет ошибочно признана сильным биосигнатурным признаком.

В будущем подобный алгоритм можно будет использовать непосредственно на борту космических аппаратов. Если марсоход или посадочный аппарат обнаружит соединения с необычно высокими показателями сборки, система сможет автоматически отметить соответствующий участок для дополнительного изучения, выбрать определённые образцы для более подробного анализа или определить материал, который представляет наибольший интерес для доставки на Землю.

Исследователи также проверили метод в условиях, соответствующих характеристикам приборов, которые могут использоваться в будущих миссиях к Титану и Европе. Однако испытания показали, что точность существенно зависит от параметров работы масс-спектрометра. В моделируемых экспериментах изменение энергии ионов при ударе могло почти вдвое увеличить ошибку прогнозирования, а в одном из сравнений ошибка возрастала более чем в 2,3 раза.

Дополнительные трудности возникают из-за особенностей разрушения молекул. Вещества, которые легко распадаются на фрагменты, могут привести к завышенной оценке молекулярной сборки, тогда как устойчивые к фрагментации соединения, наоборот, могут быть недооценены.

Поэтому учёные пока рассматривают разработку как доказательство принципа, а не готовую систему обнаружения внеземной жизни. Для практического применения потребуются стандартизированные базы данных, точная калибровка приборов и хроматографическое разделение, позволяющее анализировать отдельные молекулы до проведения масс-спектрометрии.

В дальнейшем метод можно дополнить другими аналитическими технологиями, включая ядерный магнитный резонанс и инфракрасную спектроскопию. По мнению исследователей, инфракрасные измерения также могут расширить применение этого подхода для дистанционного изучения атмосфер экзопланет.

У метода есть и более необычное потенциальное применение. Сравнивая крупные базы данных молекул, исследователи обнаружили несколько лекарственных соединений с очень высокими значениями молекулярной сборки. Их сложность возникла не только благодаря биологическим процессам, но и в результате целенаправленного синтеза человеком.

Это позволило учёным предположить, что некоторые чрезвычайно сложные искусственные молекулы в будущем могут рассматриваться как молекулярные техносигнатуры — химические следы деятельности технологической цивилизации, а не непосредственно признаки жизни.

Пока такой сценарий остаётся спекулятивным. Основная ценность предложенного метода заключается в возможности искать жизнь без заранее заданного представления о том, какие именно вещества она должна производить. Вместо этого исследователи предлагают искать химические системы, в которых сложные молекулы возникают неоднократно и в результате явно направленного процесса.

Такой подход может изменить сам принцип поиска внеземной жизни: вместо вопроса о том, похожа ли обнаруженная химия на земную биологию, учёные смогут оценивать, насколько вероятно её возникновение без процесса, способного направлять химические реакции к определённым сложным структурам.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.