Naukowcy odkryli prosty i niezawodny test na oznaki przeszłego lub obecnego życia na innych planetach – „święty Graal astrobiologii”.
W czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences siedmioosobowy zespół ufundowany przez Fundację Johna Templetona i kierowany przez Jima Cleavesa i Roberta Hazena z Carnegie Institution for Science donosi, że z 90% dokładnością ich sztuczna inteligencja: oparta na tej metodzie odróżniła współczesne i starożytne próbki biologiczne od próbek pochodzenia abiotycznego.
„Ta rutynowa metoda analityczna może zrewolucjonizować poszukiwania życia pozaziemskiego i pogłębić naszą wiedzę zarówno na temat pochodzenia, jak i składu chemicznego najwcześniejszego życia na Ziemi” – mówi dr Hazen. „To otwiera drogę do wykorzystania inteligentnych czujników w zrobotyzowanych statkach kosmicznych, lądownikach i łazikach do wyszukiwania oznak życia, zanim próbki powrócą na Ziemię”.
Nowy test może od razu ujawnić historię tajemniczych, starożytnych skał na Ziemi i być może próbek już pobranych przez instrument Sample Analysis at Mars (SAM) łazika Mars Curiosity. Te ostatnie testy można przeprowadzić przy użyciu pokładowego instrumentu analitycznego o nazwie „SAM” (od analizy próbek na Marsie.
„Będziemy musieli ulepszyć naszą metodę, aby pasowała do protokołów SAM, ale możliwe, że mamy już dane, które pozwolą nam określić, czy na Marsie znajdują się cząsteczki pochodzące z organicznej biosfery marsjańskiej”.
„Poszukiwanie życia pozaziemskiego pozostaje jednym z najbardziej kuszących przedsięwzięć współczesnej nauki” – mówi główny autor Jim Cleaves z Earth and Planets Laboratory w Carnegie Institution for Science w Waszyngtonie.
„Konsekwencje tych nowych badań są liczne, ale można wyciągnąć z nich trzy istotne wnioski: po pierwsze, biochemia na pewnym głębokim poziomie różni się od abiotycznej chemii organicznej; po drugie, możemy przyjrzeć się próbkom Marsa i starożytnej Ziemi, aby stwierdzić, czy kiedyś żyły; i po trzecie, jest prawdopodobne, że dzięki tej nowej metodzie możliwe będzie odróżnienie biosfer alternatywnych od ziemskich, co będzie miało istotne implikacje dla przyszłych misji astrobiologicznych.”
Innowacyjna metoda analityczna nie polega po prostu na identyfikacji konkretnej cząsteczki lub grupy związków w próbce.
Zamiast tego naukowcy wykazali, że sztuczna inteligencja może odróżnić próbki biotyczne od abiotycznych, wykrywając subtelne różnice we wzorach molekularnych próbki, co ujawniła analiza chromatografii gazowej z pirolizą (która oddziela i identyfikuje części składowe próbki), a następnie spektrometria mas (która określa masy cząsteczkowe) tych składników).
Obszerne, wielowymiarowe dane pochodzące z analiz molekularnych 134 znanych próbek abiotycznych lub biotycznych bogatych w węgiel wykorzystano do szkolenia sztucznej inteligencji w zakresie przewidywania pochodzenia nowej próbki. Sztuczna inteligencja zidentyfikowała próbki z około 90% dokładnością:
Istoty żywe, takie jak współczesne muszle, zęby, kości, owady, liście, ryż, ludzkie włosy i komórki zakonserwowane w drobnoziarnistej skale Pozostałości starożytnego życia zmienione w wyniku obróbki geologicznej (np. węgiel, ropa naftowa, bursztyn i skamieniałości bogate w węgiel ) lub Próbki pochodzenia abiotycznego, takie jak czyste chemikalia laboratoryjne (np. aminokwasy) i meteoryty bogate w węgiel.
Autorzy dodają, że do tej pory trudno było ustalić pochodzenie wielu starożytnych próbek zawierających węgiel, ponieważ zbiory cząsteczek organicznych, zarówno biotycznych, jak i abiotycznych, z czasem ulegają degradacji.
Co zaskakujące, pomimo znacznego rozkładu i zmian, nowa metoda analityczna wykryła oznaki biologii zachowane w niektórych przypadkach przez setki milionów lat.
Mówi dr Hazen: „Zaczęliśmy od pomysłu, że chemia życia zasadniczo różni się od chemii świata nieożywionego; że istnieją „chemiczne zasady życia”, które wpływają na różnorodność i rozmieszczenie biomolekuł. Gdybyśmy mogli wydedukować te zasady, możemy ich używać do kierowania naszymi wysiłkami w modelowaniu początków życia lub wykrywaniu subtelnych oznak życia w innych światach.
„Te wyniki oznaczają, że być może uda nam się znaleźć formę życia z innej planety, innej biosfery, nawet jeśli bardzo różni się ona od życia, które znamy na Ziemi. A jeśli znajdziemy oznaki życia gdzie indziej, będziemy mogli stwierdzić, czy życie tam istnieje na Ziemi i innych planetach mających wspólne lub różne pochodzenie.”
„Innymi słowy, metoda powinna umożliwiać wykrywanie biochemii obcych, a także życia na Ziemi. To wielka sprawa, ponieważ stosunkowo łatwo jest wykryć biomarkery molekularne życia na Ziemi, ale nie możemy zakładać, że obce życie będzie korzystać z DNA, aminokwasy itp. Nasza metoda szuka wzorców rozkładów molekularnych, które wynikają z zapotrzebowania życia na „funkcjonalne” cząsteczki.
„Naprawdę zaskoczyło nas to, że wytrenowaliśmy nasz model uczenia maszynowego tak, aby przewidywał tylko dwa typy próbek – biotyczne lub abiotyczne – ale metoda pozwoliła odkryć trzy odrębne populacje: abiotyczną, żywą biotyczną i kopalną. Innymi słowy, mogła odróżniają nowsze próbki biologiczne od próbek kopalnych – na przykład nowo zerwany liść lub warzywo, w porównaniu z czymś, co obumarło dawno temu. To zaskakujące odkrycie napawa nas optymizmem, że inne cechy, takie jak życie fotosyntetyczne czy eukarioty (komórki z jądrem) również mogą być wybitny.”
Aby wyjaśnić rolę sztucznej inteligencji, współautor Anirudh Prabhu z Carnegie Institution for Science wykorzystuje koncepcję oddzielania monet na podstawie różnych atrybutów – na przykład wartości pieniężnej, metalu, roku, wagi lub promienia – a następnie idzie dalej, aby znaleźć kombinacje atrybutów, które tworzą bardziej szczegółowe podziały i grupowania. „A gdy w grę wchodzą setki takich atrybutów, algorytmy sztucznej inteligencji są nieocenione przy zestawianiu informacji i tworzeniu bardzo szczegółowych spostrzeżeń”.
Dodaje dr Cleaves: „Z chemicznego punktu widzenia różnice między próbkami biotycznymi i abiotycznymi dotyczą np. rozpuszczalności w wodzie, masy cząsteczkowej, lotności i tak dalej”.
„Myślę o tym najprościej, że komórka ma błonę i wnętrze, zwane cytozolem; membrana jest raczej nierozpuszczalna w wodzie, podczas gdy zawartość komórki jest dość rozpuszczalna w wodzie. Dzięki takiemu układowi membrana jest zmontowana, ponieważ stara się minimalizować kontakt swoich komponentów z wodą, a także zapobiega wyciekaniu „wewnętrznych komponentów” przez membranę.
„Wewnętrzne składniki również mogą pozostać rozpuszczone w wodzie, mimo że są to niezwykle duże cząsteczki, takie jak chromosomy i białka” – mówi.
„Tak więc, jeśli rozbijemy żywą komórkę lub tkankę na składniki, otrzymamy mieszankę cząsteczek bardzo rozpuszczalnych w wodzie i cząsteczek bardzo nierozpuszczalnych w wodzie rozmieszczonych w całym spektrum. Substancje takie jak ropa naftowa i węgiel utraciły większość materiału rozpuszczalnego w wodzie w ich długiej historii.”
„Próbki abiologiczne mogą mieć unikalne rozkłady w tym spektrum względem siebie, ale różnią się one również od rozkładów biologicznych”.
Technika ta może wkrótce rozwiązać szereg naukowych zagadek Ziemi, w tym pochodzenie liczących 3,5 miliarda lat czarnych osadów z Australii Zachodniej – skał będących przedmiotem gorących dyskusji, w których według niektórych badaczy znajdują się najstarsze kopalne drobnoustroje na Ziemi, podczas gdy inni twierdzą, że są one pozbawione znaki życia.
Inne próbki starożytnych skał w północnej Kanadzie, Republice Południowej Afryki i Chinach wywołują podobne debaty.
„W tej chwili stosujemy nasze metody, aby odpowiedzieć na odwieczne pytania dotyczące biogeniczności materiału organicznego w tych skałach” – mówi Hazen.
Pojawiły się nowe pomysły na temat potencjalnego wkładu tego nowego podejścia w inne dziedziny, takie jak biologia, paleontologia i archeologia.
„Jeśli sztuczna inteligencja może z łatwością odróżnić życie biotyczne od abiotycznego, a także życie współczesne od starożytnego, jakie inne spostrzeżenia możemy uzyskać? Czy moglibyśmy na przykład sprawdzić, czy starożytna komórka kopalna miała jądro, czy też była fotosyntetyczna?” mówi dr Hazen.
„Czy mógłby przeanalizować zwęglone szczątki i rozróżnić różne rodzaje drewna ze stanowiska archeologicznego? To tak, jakbyśmy po prostu zanurzali palce w wodzie ogromnego oceanu możliwości”.