Ученые из Университета Глазго представили новый метод выявления признаков внеземной жизни, который не обязывает исследователей исходить из предположений о конкретной биохимии потенциальных инопланетных форм жизни. Вместо поиска специфических молекул, типичных для земных организмов, предлагается оценивать уровень сложности создания обнаруженных веществ.

Основой разработанного подхода является комбинация масс-спектрометрии и машинного обучения. Этот метод позволяет определять показатель, называемый молекулярной сборкой – характеристика, отражающая минимальное число последовательных этапов, необходимых для синтеза молекулы из более простых составляющих. Более высокий показатель свидетельствует о большей сложности молекулы с точки зрения возможных путей её формирования.

В основе метода лежит концепция теории сборки – подход, позволяющий оценивать сложность молекул на основании минимального числа последовательных реакций, требуемых для их создания из более простых соединений. Согласно этой теории, для каждой молекулы можно определить наиболее короткий путь синтеза. К примеру, молекула с показателем молекулярной сборки в 40 требует в два раза больше шагов для построения, чем молекула со значением 20.

Исследователи подчеркивают, что высокая степень сложности сама по себе не является доказательством существования жизни. Однако если сложные молекулы обнаруживаются неоднократно и в значительном количестве, это может свидетельствовать о процессе, который целенаправленно управляет химическими реакциями, направляя их по определенным траекториям. В биологических системах подобная закономерность вполне ожидаема: организмы используют информацию, содержащуюся в них, для многократного воспроизводства одних и тех же сложных соединений.

Использование молекулярной сборки может предоставить универсальный биосигнатурный признак, который не зависит от специфических химических процессов. Для учёных необязательно обладать информацией о составе внеземной жизни или используемых ею реакциях. Достаточно выявить наличие молекул с исключительной сложностью и закономерностями их возникновения, которые трудно объяснить случайными химическими процессами.

Данный метод направлен на преодоление одной из ключевых проблем современной астробиологии. Нахождение отдельной молекулы ещё не является доказательством её создания живым организмом. Метан на Марсе, фосфин в атмосфере Венеры и диметилсульфид в атмосферах экзопланет привлекли внимание, поскольку на Земле эти соединения могут быть продуктом биологической активности. Тем не менее, существуют и альтернативные, небиологические способы их формирования.

Так, метан может образовываться в результате геологических процессов. Диметилсульфид тесно ассоциируется с земной жизнью, но также был обнаружен в составе кометного вещества и получен в лабораторных условиях при моделировании химических реакций ранней Солнечной системы. Следовательно, наличие определённого соединения не позволяет однозначно определить его источник.

В рамках подхода молекулярной сборки предлагается не стремиться к поиску конкретной «молекулы жизни», а обращать внимание на статистически значимую сложность химических соединений. Этот подход базируется на вероятностных расчётах: с ростом сложности количества возможных молекулярных структур возрастает экспоненциально, в то время как вероятность спонтанного многократного образования одной и той же сложной структуры снижается. Если же существует какой-либо механизм, направляющий химические реакции к определённому результату, то сложные молекулы могут формироваться неоднократно.

Предшествующие эксперименты, упомянутые авторами работы, выявили приблизительную границу между абиотическими и биологическими образцами при индексе сборки около 15. Тем не менее, для поиска внеземной жизни ключевым является другое преимущество данного метода: исследователям не требуется знать химическое название или функцию молекулы, чтобы зафиксировать её необычную сложность.

Данный метод может оказаться весьма полезным при изучении Марса, Европы, Энцелада и Титана. При обследовании этих объектов космические аппараты могут столкнуться с химическими соединениями, которые крайне редки на Земле или имеют неизвестное происхождение.

Для проведения подобных исследований наиболее подходящим инструментом является масс-спектрометр. Он позволяет определять вещества, анализируя соотношение массы иона к его электрическому заряду. Более сложные многоступенчатые масс-спектрометры обеспечивают возможность последовательного разрушения молекул для получения информации об их структуре и вероятном механизме сборки.

Тем не менее, при проектировании космических аппаратов существуют строгие ограничения на массу, потребление энергии, вычислительные возможности и сложность используемого оборудования. В связи с этим многие межпланетные миссии применяют упрощенную одноступенчатую масс-спектрометрию, которая позволяет получить меньший объем информации о структуре молекул.

Для преодоления этого ограничения ученые разработали модель машинного обучения на основе XGBoost, используя стандартизированные масс-спектры из базы данных Chemistry WebBook Национального института стандартов и технологий США. В результате алгоритм освоил метод оценки молекулярной сборки непосредственно по данным одноступенчатой масс-спектрометрии.

По результатам проведенного исследования, разработанная модель позволила снизить относительную среднеквадратичную ошибку в три раза по сравнению с наиболее эффективным аналогом – с 0,12 до 0,04. При этом наблюдалась закономерность: алгоритм имел склонность к недооценке молекул с особенно высокими значениями молекулярной сборки.

Авторы исследования полагают, что данная особенность может быть полезна для системы поиска жизни. Осторожная оценка позволяет уменьшить вероятность ошибочной идентификации относительно простых молекул как убедительных биосигнатур.

В перспективе разработанный алгоритм может быть интегрирован непосредственно в системы управления космических аппаратов. В случае если марсоход или посадочный модуль зафиксирует соединения, демонстрирующие аномально высокие показатели молекулярной сборки, он сможет автоматически выделить соответствующую область для более детального исследования, выбрать образцы для углубленного анализа или определить наиболее перспективный материал для транспортировки на Землю.

В ходе тестирования исследователи также оценили эффективность метода в условиях, имитирующих характеристики приборов, которые могут быть использованы в будущих миссиях к Титану и Европе. Результаты показали, что точность прогнозирования напрямую зависит от параметров функционирования масс-спектрометра. Изменение энергии ударяющихся ионов могло привести к увеличению погрешности прогноза почти вдвое, а в одном из проведенных сравнений ошибка возросла более чем на 2,3 раза.

Существенные сложности связаны с особенностями распада молекул. Вещества, склонные к легкому фрагментированию, могут исказить результаты, приводя к завышенной оценке молекулярной сборки, в то время как устойчивые соединения могут быть недооценены.

В настоящее время ученые рассматривают эту разработку скорее как демонстрацию принципиальной возможности, а не как готовое решение для поиска внеземной жизни. Для практического применения потребуются унифицированные базы данных, точная калибровка оборудования и хроматографическое разделение, позволяющее анализировать отдельные молекулы перед проведением масс-спектрометрии.

В перспективе предложенный подход можно усовершенствовать, интегрировав дополнительные аналитические инструменты, такие как ядерный магнитный резонанс и инфракрасная спектроскопия. Специалисты полагают, что использование инфракрасных измерений может расширить возможности данного метода для дистанционного анализа атмосферы экзопланет.

Существует также менее очевидное возможное применение данной технологии. В ходе сопоставления обширных баз данных молекул было выявлено несколько фармацевтических соединений с исключительно высокими показателями молекулярной сборки. Такая сложность обусловлена не только биологическими процессами, но и намеренным синтезом человеком.

Исходя из этого, учёные выдвинули гипотезу о том, что в будущем некоторые чрезвычайно сложные искусственные молекулы могут быть интерпретированы как молекулярные техносигнатуры – химические индикаторы деятельности технологической цивилизации, а не прямые свидетельства существования жизни.

В настоящее время данный сценарий носит скорее гипотетический характер. Главная значимость разработанного метода заключается в потенциале поиска признаков жизни без необходимости заранее определять конкретные вещества, которые она должна генерировать. Вместо этого исследователи предлагают выявлять химические системы, характеризующиеся многократным образованием сложных молекул в результате целенаправленного процесса.

Предлагаемый метод способен переосмыслить сам процесс поиска внеземной жизни: вместо того чтобы искать химию, аналогичную земной биологии, исследователи получат возможность оценивать вероятность её появления даже в отсутствие механизмов, способных направлять химические реакции на создание сложных структур.

Исследование опубликованоОб этом было заявлено в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.