Едно от най-големите предизвикателства в търсенето на извънземен живот е фактът, че Земята остава единственият пример за живот, който познаваме. Затова почти всеки опит за откриване на биологични процеси на други места започва поне отчасти с търсене на химични вещества, които наподобяват познатите ни от Земята.

Учени от Университета в Глазгоу изследват различна стратегия. Вместо да питат дали една извънземна молекула изглежда биологична според земните стандарти, те предлагат да се зададе един по-фундаментален въпрос: Колко трудно е било тази молекула да бъде създадена?

В ново изследване, публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences, учените представят метод, който комбинира масспектрометрия и машинно обучение, за да оцени това, което изследователите наричат „молекулно сглобяване“ (molecular assembly, MA).

Концепцията произлиза от т.нар. теория на сглобяването (Assembly Theory), която се опитва да измери молекулярната сложност, като определя минималния брой стъпки, необходими за изграждането на дадена молекула. Според учените, когато силно сложни молекули се появяват многократно и в големи количества, тяхното наличие може да подсказва за процес, който последователно насочва химичните реакции по определени пътища.

Това би могло да превърне молекулното сглобяване в своеобразен „агностичен“ биосигнал – такъв, който не зависи от това дали извънземният живот използва същата химия като тази на Земята.

 „Налице е нарастващ интерес към „агностични“ стратегии за откриване на живот – методи, които могат да идентифицират молекулярни признаци на живот, без да е необходимо да имаме точно разбиране за това как би изглеждал този живот или как би взаимодействал със сложна и недостатъчно проучена среда“, пишат изследователите.

Според тях измереният индекс на сглобяване, определен като броя на стъпките по най-краткия път за изграждане на молекулата, е фиксиран за всяка отделна молекула. Той не зависи от външни условия като средата, в която молекулата е открита, или конкретната „извънземна“ биохимия, чрез която може да е възникнала.

Предложеният от учените „агностичен“ подход може да стане все по-важен, тъй като изследователите откриват интригуващи, но често двусмислени химични сигнали в търсенето на извънземен живот.

Метанът на Марс, фосфинът, за който се съобщава, че е открит в атмосферата на Венера, както и диметилсулфидът, предложен като възможен биосигнал в атмосферите на екзопланети, привлякоха внимание, защото живите организми могат да произвеждат тези съединения.

Биологията обаче не е единственият начин, по който те могат да се образуват. Метанът например може да възникне в резултат на геоложки процеси. Диметилсулфидът е силно свързан с живота на Земята, но е откриван и в кометен материал, както и е получаван в лабораторни експерименти, симулиращи химичните условия на ранната Земя.

С други думи, наличието на определена молекула невинаги казва на учените какво я е създало.

Молекулното сглобяване подхожда към проблема от различен ъгъл. Според теорията на сглобяването учените изчисляват възможно най-краткия път за изграждането на една молекула от по-прости градивни елементи. Например молекула с MA 40 има най-кратък път за изграждане, който е два пъти по-дълъг от този на молекула с MA 20.

Логиката зад метода се основава на вероятността. Химията, която не е насочвана от определен процес, позволява огромен брой възможни молекулярни структури. С увеличаването на сложността вероятността една и съща изключително сложна структура да бъде създадена многократно намалява, освен ако нещо не насочва процеса.

Биологичните системи съхраняват и използват информация, за да насочват химичните реакции към определени резултати. Това позволява на организмите да произвеждат едни и същи сложни молекули отново и отново, вместо произволно да се движат из огромното пространство от възможни химични реакции.

Предишни експерименти, цитирани в изследването, установяват приблизителна граница между абиотични и биологични проби при индекс на сглобяване около 15.

Може би още по-важното за търсенето на извънземен живот е, че учените не би трябвало непременно да знаят какво представлява дадена молекула, за да разпознаят, че тя е необичайно сложна.

Това би могло да бъде особено полезно на светове като Марс, Европа, Енцелад или Титан, където космическите апарати могат да се натъкнат на съединения, които не се срещат често или изобщо не са познати на Земята.

Няколко предложени планетарни мисии използват или биха могли да използват масспектрометри. Тези инструменти анализират молекулите, като измерват съотношението между масата и електрическия заряд на йоните.

По-сложните многостепенни масспектрометри могат многократно да разбиват молекулите на по-малки части, предоставяйки информация за тяхната структура и историята на сглобяването им. Космическите апарати обаче работят при сериозни ограничения по отношение на енергията, теглото, изчислителната мощност и сложността на инструментите. Затова много планетарни мисии разчитат на по-проста масспектрометрия в един етап. За да преодолеят това ограничение, изследователите са обучили модел XGBoost със стандартизирани масспектри от Chemistry WebBook на Националния институт за стандарти и технологии на САЩ (NIST). Моделът се е научил да изчислява молекулното сглобяване директно от спектри, получени чрез едностепенна масспектрометрия.

Според изследването моделът е намалил относителната средноквадратична грешка три пъти в сравнение с най-добре представилия се базов модел – от 0,12 до 0,04. Моделът също така има тенденция да подценява молекулите с особено високи стойности на MA. За система за откриване на живот това може да се окаже предимство. Това означава, че моделът е по-склонен да бъде консервативен, отколкото погрешно да определи дадена молекула като изключително силен биосигнал. Учените си представят бъдещи космически апарати, които да използват подобен анализ автономно. Роувър или спускаем апарат, който открие молекули с необичайно високи стойности на сглобяване, би могъл да маркира района за по-подробно изследване, да даде приоритет на определени проби или да идентифицира материал, който си заслужава да бъде върнат на Земята.

В рамките на изследването са оценени и условия, разработени така, че да наподобяват инструментите, предлагани за бъдещи мисии до Титан и Европа. Същата концепция разкрива и друга, по-спекулативна възможност. Когато учените сравняват много големи бази данни с молекули, те откриват няколко медицински съединения с необичайно високи стойности на MA. Тяхната сложност не е резултат единствено от биологията, а и от целенасочен човешки синтез. Това кара екипа да предположи, че особено сложни изкуствени молекули могат да служат като „молекулярни техносигнатури“ – химически доказателства за наличие на технология, а не непременно на живот.

Засега обаче методът е далеч от това да се превърне в готов за използване детектор на извънземен живот. Настройките на инструментите оказват сериозно влияние върху резултатите. При симулирани експерименти промяната на енергиите на ударите може почти да удвои грешката при прогнозите, а при едно от сравненията тя се увеличава повече от 2,3 пъти. Молекулите, които се разпадат необичайно лесно, също могат да накарат модела да надцени степента на сглобяване, докато молекулите, които са устойчиви на фрагментация, могат да бъдат подценени.

Затова изследователите определят работата си като доказателство за концепцията. За да се превърне подходът в ефективен инструмент за планетарни изследвания, ще са необходими стандартизирани бази данни, прецизно калибриране на инструментите и хроматографско разделяне, което да позволява отделянето на индивидуалните молекули преди анализа. Бъдещите версии на системата могат да комбинират масспектрометрия и с други методи, включително ядрено-магнитен резонанс или инфрачервена спектроскопия. Според изследователите инфрачервените измервания могат да разширят приложението на подхода и към дистанционното изследване на атмосферите на екзопланети.

По-широката цел обаче е значима. Вместо предварително да решават какво би трябвало да произвежда извънземната биология, учените биха могли да търсят доказателства, че някакъв процес последователно е насочвал химията към създаването на изключително специфични и сложни структури. „В тази работа представихме доказателство за концепцията, което демонстрира потенциала на машинното обучение да прогнозира молекулната сложност на MA като биосигнал чрез масспектрометри за анализ на място по време на бъдещи космически мисии“, пишат изследователите, цитира bTV. „Въпреки че приложението на машинното обучение при откриването на живот все още е в начален етап, то има значителен потенциал.“

Изследването „Molecular Assembly as a Universal Biosignature Measurable by Mass Spectrometry“ е публикувано в списание Proceedings of the National Academy of Sciences