Нова система штучного інтелекту береться за одне з найскладніших питань науки: чи походить певна хімія від життя, чи ні? Створена дослідниками з Технологічного інституту Джорджії та Центру космічних польотів NASA імені Ґоддарда, технологія аналізує метеорити та ґрунти Землі у пошуках закономірностей, які можуть свідчити про біологічне походження.
Система під назвою LifeTracer — це інструмент машинного навчання, який порівнює складні суміші органічних молекул. У тестах LifeTracer правильно розрізняв неживі космічні породи та зразки землі з ознаками життя приблизно у 87% випадків, використовуючи лише хімічні дані.
Чому нас плутає «прибульська» хімія
Щоб створити тренувальний набір, команда під керівництвом Амералі Аґазаде, доцента кафедри електротехніки та обчислювальної техніки в Georgia Tech, виміряла розчинні органічні речовини у восьми вуглецевих метеоритах і десяти зразках ґрунтів та сланців Землі. Експерти використовували мас-спектрометрію — метод, який визначає молекули за їхньою масою та фрагментними патернами.
Космічні породи та ґрунти Землі містять багато органіки, тому відрізнити молекули біологічного походження від «сирої» хімії непросто. Деякі абіотичні органічні речовини, створені неживими процесами у космосі або на поверхні каміння, містять амінокислоти й нуклеобази — і такі вже знаходили у вуглецевих метеоритах.
LifeTracer перетворює піки на патерни
Замість пошуку окремих молекул LifeTracer аналізує масив сигналів, які мас-спектрометри записують як піки у двовимірних хроматограмах. У цьому дослідженні команда зафіксувала 9475 окремих піків у метеоритних екстрактах і 9070 у земних зразках. На основі цих піків програма створює тисячі ознак, що кодують масу кожної сполуки та час її проходження через дві колонки газового хроматографа.
Ядром класифікації є логістична регресія — статистичний метод, який оцінює ймовірність належності зразка до абіотичного чи біотичного класу.
Швидке створення хімічних «відбитків пальців»
Оскільки багато піків походять від фрагментів однієї й тієї ж молекули, дослідники згрупували їх за схожим часом утримання. Кожна така група — це хімічний відбиток, що позначає сімейство молекул, характерних для метеоритів або земних зразків.
Алгоритм навчається, які «відбитки» схиляють зразок до абіотичного походження, а які — до біотичного. Після тренування модель може аналізувати невідомий набір піків і визначати, на що він більше схожий.
Підказки, заховані у стародавніх космічних породах
Багато метеоритів у вибірці належать до вуглецевих хондритів — дуже старих кам’яних метеоритів з високим вмістом вуглецю, що зберігають матеріал ранньої Сонячної системи. Раніші дослідження показали, що вони містять десятки тисяч різних органічних молекул.
У аналізі LifeTracer фрагментні іони з метеоритів зазвичай виходили з першої колонки хроматографа швидше, ніж земні. Це свідчить про те, що абіотичні суміші загалом більш леткі.
Хімія, що нагадує життя
Серед найбільш інформативних відбитків були поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ) — кільцеподібні молекули з атомів карбону й водню, які часто виникають у високоенергетичних середовищах. Простий представник цієї групи — нафталін — часто траплявся у метеоритах і був найсильнішим предиктором абіотичного походження.
На земних зразках ключовим відбитком стала сполука з бензольним кільцем і довгими розгалуженими вуглецевими ланцюгами — традиційний елемент мембран сучасних клітин. Їхня присутність підвищувала ймовірність біотичності.
Де хімічні патерни натякають на життя
Науковці називають такі хімічні підказки біосигнатурами — ознаками того, що хімія на планеті могла бути змінена життям. Багато команд вважають, що найнадійніші біосигнатури — це не окремі молекули, а цілі патерни органіки.
«Визначення того, чи походять органічні молекули з біологічних або небіологічних процесів, є ключовим у пошуках життя поза Землею», — сказав Деніел Саїді, провідний автор дослідження з Georgia Tech. Команда створила LifeTracer так, щоб він працював із шумними, неповними даними — саме такі принесуть космічні місії.
LifeTracer для майбутніх космічних місій
Місії зі збирання зразків із астероїдів і планет привозять дуже мало матеріалу — інколи лише грами пилу й каміння. Такі зразки змішують органіку з різних джерел: космічних процесів, поверхневого вивітрювання та можливої давньої біології.
Майбутні проєкти, як-от програма повернення зразків з Марса чи японська місія Martian Moons Exploration, можуть привезти матеріал з потенційно придатних для життя місць. Інструменти типу LifeTracer допоможуть швидко сортувати ці суміші, відзначаючи ті, що найбільше схожі на хімію, змінену життям.
Пошук нових підказок щодо життя
Оскільки LifeTracer працює з повним розподілом молекул, а не з коротким списком біомаркерів, він може виявити незвичну, невідому хімію, яка все ж виглядає «організованою», як у життя. Це не доведе існування позаземного життя само собою, але допоможе спрямувати детальні аналізи на потрібні зразки.
Якщо поєднати такі алгоритми з системами, здатними пропонувати та тестувати наукові гіпотези, майбутні місії зможуть шукати найтонші ознаки біології у величезних масивах даних — і, можливо, кожна порошинка з космосу стане натяком на те, як зароджується життя.
Дослідження опубліковано в журналі PNAS Nexus.