Μπορούν οι επιστήμονες να ανιχνεύσουν τη ζωή χωρίς να γνωρίζουν πώς μοιάζει;

Όταν οι επιστήμονες της NASA άνοιξαν το δοχείο επιστροφής δειγμάτων από την αποστολή δειγματοληψίας αστεροειδών OSIRIS-REx στα τέλη του 2023, βρήκαν κάτι εκπληκτικό.

Σκόνη και βράχος συλλέγονται από τον αστεροειδή Bennu Η ζωή έχει πολλά δομικά στοιχεία14 από τα 20 αμινοξέα που βρίσκονται στις πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένων των πέντε νουκλεοβάσεων που χρησιμοποιούνται στο DNA και το RNA, και μια πλούσια συλλογή άλλων ουσιών. Οργανικά μόρια. Κατασκευάζονται κυρίως από άνθρακα και υδρογόνο και συχνά αποτελούν τη ραχοκοκαλιά της χημείας της ζωής.

Για δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν προβλέψει ότι οι πρώιμοι αστεροειδείς θα μπορούσαν να παρέχουν τα συστατικά για τη ζωή στη Γη, και αυτά τα αποτελέσματα έμοιαζαν πολλά υποσχόμενα στοιχεία.

Το πιο εκπληκτικό είναι ότι αυτά τα αμινοξέα στο Bennu κατανεμήθηκαν σχεδόν εξίσου μεταξύ των μορφών “αριστερόχειρας” και “δεξιόχειρας”. Τα αμινοξέα έρχονται σε δύο διαμορφώσεις κατοπτρικής εικόνας, όπως το αριστερό και το δεξί μας χέρι, που ονομάζονται Χειρική μορφή.

Στη Γη, σχεδόν όλη η βιολογία απαιτεί μια αριστερόχειρη έκδοση. Εάν οι επιστήμονες είχαν βρει έναν ισχυρό αριστερόχειρα στον Bennu, θα υποδηλώνουν ότι η μοριακή ασυμμετρία της ζωής θα μπορούσε να είχε κληρονομηθεί απευθείας από το διάστημα. Αντ ‘αυτού, το σχεδόν ίσο μείγμα δείχνει μια διαφορετική ιστορία: αντί να είναι προεκτυπωμένη σε υλικό που παρέχεται από αστεροειδείς, η προτίμηση του αριστερόχειρα της ζωής πιθανότατα προέκυψε αργότερα μέσω διεργασιών στη Γη.

Ένα «χειρικό» μόριο είναι ένα μόριο που δεν υπερτίθεται με ένα άλλο που είναι το είδωλό του, ακόμα κι αν το περιστρέψετε. NASA

Εάν οι διαστημικοί βράχοι μπορούν να φέρουν γνωστά στοιχεία αλλά όχι τις χημικές «υπογραφές» που αφήνει πίσω της η ζωή, τότε η ανίχνευση αληθινών σημαδιών της βιολογίας γίνεται εξαιρετικά δύσκολη.

Αυτές οι ανακαλύψεις εγείρουν ένα βαθύτερο ερώτημα – αυτό που γίνεται πιο επείγον όσο η νέα αποστολή Στόχος είναι η καλοσύνηΣελήνη του Άρη και ωκεάνιο κόσμο του ηλιακού μας συστήματος: Πώς μπορούν οι ερευνητές να ανιχνεύσουν τη ζωή όταν η χημεία από μόνη της αρχίζει να μοιάζει «σαν ζωή»; Εάν η μη ζωντανή ύλη μπορεί να σχηματίσει πλούσια, οργανωμένα μείγματα οργανικών μορίων, τα παραδοσιακά σύμβολα που χρησιμοποιούμε για να αναγνωρίσουμε τη βιολογία μπορεί να μην είναι πλέον επαρκή.

ως Υπολογιστής Μελετώντας τις βιολογικές υπογραφές, αντιμετωπίζω αυτή την πρόκληση κατά μέτωπο. Στην αστροβιολογική μου εργασία, ρωτάω πώς να προσδιορίσω εάν μια συλλογή μορίων σχηματίστηκε από σύνθετη γεωχημεία ή εξωγήινη βιολογία, όταν εξερευνώ άλλους πλανήτες.

Σε μια νέα μελέτη στο περιοδικό PNAS NexusΟι συνάδελφοί μου και εγώ αναπτύξαμε ένα πλαίσιο που ονομάζεται LifeTracer για να απαντήσουμε σε αυτές τις ερωτήσεις. Αντί να αναζητήσουμε ένα μόνο μόριο ή δομή που αποδεικνύει την παρουσία ζωής, προσπαθήσαμε να ταξινομήσουμε πόσο πιθανό είναι τα μείγματα ενώσεων που διατηρούνται σε βράχους και μετεωρίτες να περιέχουν σημάδια ζωής, εξετάζοντας τα πλήρη χημικά μοτίβα που περιέχουν.

Προσδιορισμός πιθανών βιουπογραφών

Η βασική ιδέα πίσω από το πλαίσιο μας είναι ότι η ζωή δημιουργεί μόρια με σκοπό, ενώ η ζωντανή χημεία όχι. Τα κύτταρα πρέπει να αποθηκεύουν ενέργεια, να δημιουργούν μεμβράνες και να μεταδίδουν πληροφορίες. Αβιοτική Χημεία Παράγεται από μη ζωντανές χημικές διεργασίες, ακόμη και όταν είναι άφθονη, ακολουθεί διαφορετικούς κανόνες επειδή δεν διαμορφώνεται από το μεταβολισμό ή την εξέλιξη.

Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις βιουπογραφής επικεντρώνονται στην αναζήτηση συγκεκριμένων ενώσεων, όπως συγκεκριμένα αμινοξέα ή λιπιδικές δομές, ή Χειρικές προτιμήσεις, όπως ο αριστερόχειρας.

Αυτά τα σήματα μπορεί να είναι ισχυρά, αλλά βασίζονται εξ ολοκλήρου σε μοριακά μοτίβα Χρησιμοποιείται από τη ζωή στη Γη. αν εμείς Ας υποθέσουμε ότι η εξωγήινη ζωή χρησιμοποιεί την ίδια χημείαΜας λείπει η βιολογία παρόμοια – αλλά όχι πανομοιότυπη – με τη δική μας, ή κινδυνεύουμε να προσδιορίσουμε εσφαλμένα τη μη ζωντανή χημεία ως σημάδι ζωής.

Τα αποτελέσματα Bennu τονίζουν αυτό το ζήτημα. Τα δείγματα αστεροειδών περιέχουν μόρια που είναι γνωστό ότι σχηματίζουν ζωή, ωστόσο τίποτα δεν φαίνεται να ήταν ζωντανό.

Για να μειώσουμε τον κίνδυνο να υποθέσουμε ότι αυτά τα μόρια δείχνουν ζωή, συγκεντρώσαμε ένα μοναδικό σύνολο δεδομένων οργανικής ύλης στη διαχωριστική γραμμή μεταξύ ζωής και μη ζωής. Χρησιμοποιήσαμε δείγματα από οκτώ Πλούσιοι σε άνθρακα μετεωρίτες που διατηρεί την ανόργανη χημεία του πρώιμου ηλιακού συστήματος, καθώς και 10 δείγματα εδάφους και ιζημάτων από τη Γη, τα οποία περιέχουν τα υπολείμματα βιολογικών μορίων από την προηγούμενη ή την παρούσα ζωή. Κάθε δείγμα περιέχει χιλιάδες οργανικά μόρια, πολλά από τα οποία υπάρχουν σε μικρή αφθονία και πολλά των οποίων οι δομές δεν έχουν πλήρως χαρακτηριστεί.

και της NASA Κέντρο διαστημικών πτήσεων GoddardΗ ομάδα των επιστημόνων μας συνθλίβει κάθε δείγμα, προσθέτει διαλύτες και το θερμαίνει για να εξαγάγει τα οργανικά – μια διαδικασία παρόμοια με την παρασκευή τσαγιού. Στη συνέχεια, πήραμε το εκχυλισμένο βιολογικό «τσάι» και το περάσαμε από δύο στήλες φιλτραρίσματος οι οποίες διαχωρισμένα σύνθετα μείγματα οργανικών μορίων. Στη συνέχεια, τα οργανικά ωθήθηκαν σε ένα θάλαμο όπου τα βομβαρδίσαμε με ηλεκτρόνια μέχρι να διαλυθούν σε μικροσκοπικά κομμάτια.

Παραδοσιακά, οι χημικοί χρησιμοποιούν αυτά τα θραύσματα μάζας ως κομμάτια παζλ για να ανακατασκευάσουν κάθε μοριακή δομή, αλλά η ύπαρξη χιλιάδων ενώσεων σε κάθε δείγμα αποτελεί πρόκληση.

Lifetracer

Lifetracer Είναι μια μοναδική προσέγγιση στην ανάλυση δεδομένων: αντί να ανακατασκευάζει κάθε δομή, λειτουργεί λαμβάνοντας κατακερματισμένα κομμάτια παζλ και αναλύοντάς τα για να βρει συγκεκριμένα μοτίβα.

Προσδιορίζει αυτά τα κομμάτια του παζλ από τη μάζα τους και δύο άλλες χημικές ιδιότητες και στη συνέχεια τα οργανώνει σε μια μεγαλύτερη μήτρα που περιγράφει το σύνολο των μορίων που υπάρχουν σε κάθε δείγμα. Στη συνέχεια εκπαίδευσε ένα μοντέλο μηχανικής μάθησης για τη διάκριση μεταξύ μετεωριτών και γήινων υλικών από την επιφάνεια της Γης με βάση τους τύπους μορίων που υπάρχουν σε καθένα.

Μία από τις πιο κοινές μορφές μηχανικής μάθησης ονομάζεται εποπτευόμενη μάθηση. Λειτουργεί με πολλά ζεύγη εισόδου και εξόδου ως παραδείγματα και μαθαίνει κανόνες για τη μετάβαση από είσοδο σε έξοδο. Ακόμη και με μόνο 18 δείγματα όπως σε εκείνο το παράδειγμα, το LifeTracer απέδωσε εξαιρετικά καλά. Διέκρινε σταθερά την αβιοτική από τη βιοτική προέλευση.

Αυτό που είχε μεγαλύτερη σημασία για το LifeTracer δεν ήταν η παρουσία ενός συγκεκριμένου μορίου αλλά η συνολική κατανομή των χημικών αποτυπωμάτων που βρέθηκαν σε κάθε δείγμα. Τα δείγματα μετεωριτών έτειναν να έχουν πιο πτητικές ενώσεις – εξατμίζονται ή διασπώνται πιο εύκολα – αντανακλώντας τον τύπο της χημείας που είναι πιο συνηθισμένος στο ψυχρό περιβάλλον του διαστήματος.

Αυτό το σχήμα δείχνει ενώσεις που ταυτοποιήθηκαν από το Lifetracer, υπογραμμίζοντας τα πιο προγνωστικά μοριακά θραύσματα που διακρίνουν τα αβιοτικά από τα βιοτικά δείγματα. Οι ενώσεις στο κόκκινο συνδέονται με την αβιοτική χημεία, ενώ οι ενώσεις με το μπλε συνδέονται με την οργανική χημεία. Saidi et al., 2025, CC BY-NC-ND

Ορισμένοι τύποι μορίων γνωστών ως πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες υπήρχαν και στις δύο ομάδες, αλλά είχαν διακριτές δομικές διαφορές που το μοντέλο μπορούσε να αναλύσει. Μια ένωση που περιέχει θείο, το 1,2,4-τριθειολάνιο, εμφανίστηκε ως ισχυρός δείκτης για αβιοτικά δείγματα, όπου τα επίγεια υλικά περιέχουν προϊόντα που σχηματίζονται μέσω βιολογικών διεργασιών.

Αυτές οι ανακαλύψεις υποδηλώνουν ότι η αντίθεση μεταξύ ζωής και μη ζωής δεν ορίζεται από έναν μόνο χημικό τύπο αλλά από το πώς είναι οργανωμένη μια ολόκληρη σειρά οργανικών μορίων. Εστιάζοντας σε μοτίβα και όχι σε υποθέσεις σχετικά με τα μόρια που «πρέπει» να χρησιμοποιήσει η ζωή, μέθοδοι όπως το LifeTracer ανοίγουν νέες δυνατότητες για την αξιολόγηση των δειγμάτων που επιστράφηκαν. Αποστολή στον Άρη, Τα φεγγάρια του είναι ο Φόβος και ο ΔείμοςΤο φεγγάρι του Δία Ευρώπη και το φεγγάρι του Κρόνου Εγκέλαδος.

Κάψουλα επιστροφής δείγματος αστεροειδή Bennu που χρησιμοποιείται από την αποστολή OSIRIS-REx. Keegan Barber/NASA μέσω AP

Τα μελλοντικά δείγματα πιθανότατα θα περιέχουν ένα μείγμα οργανικής ύλης από πολλαπλές πηγές, άλλες οργανικές και άλλες όχι. Αντί να βασιζόμαστε σε μερικά μόνο γνωστά μόρια, μπορούμε τώρα να αξιολογήσουμε εάν ολόκληρο το χημικό τοπίο μοιάζει με βιολογία ή τυχαία γεωχημεία.

Το LifeTracer δεν είναι ένας καθολικός ανιχνευτής ζωής. Αντιθέτως, παρέχει μια βάση για την ερμηνεία πολύπλοκων οργανικών μιγμάτων. Τα ευρήματα του Bennu μας υπενθυμίζουν ότι η φιλική προς τη ζωή χημεία μπορεί να είναι ευρέως διαδεδομένη σε όλο το Ηλιακό Σύστημα, αλλά ότι η χημεία από μόνη της δεν ισοδυναμεί με βιολογία.

Για να κάνουν τη διαφορά, οι επιστήμονες θα χρειαστούν όλα τα εργαλεία που μπορούμε να κατασκευάσουμε – όχι μόνο καλύτερα διαστημόπλοια και όργανα, αλλά πιο έξυπνους τρόπους για να διαβάσουν τις ιστορίες που γράφτηκαν στα μόρια που φέρνουν στο σπίτι.

Ο Amirali Aghazadeh είναι επίκουρος καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια. Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. διαβάστε παρακάτω Κύριο άρθρο.