Вчені запропонували кардинально новий способ для пошуку позаземного життя

Дослідники з Університету Глазго розробили метод пошуку позаземного життя, який принципово відрізняється від існуючих підходів: він не вимагає заздалегідь знати, якою саме має бути біохімія позаземних організмів. Замість того щоб шукати конкретні молекули, характерні для земного життя, вчені пропонують оцінювати, наскільки складно було створити виявлену речовину.

В основі методу лежить теорія збірності — концепція, яка дозволяє визначати складність молекули за мінімальною кількістю послідовних кроків, необхідних для її побудови з простіших компонентів. Для кожної молекули можна визначити найкоротший можливий шлях побудови: наприклад, молекула з індексом збірності 40 має вдвічі довший мінімальний шлях, ніж молекула зі значенням 20. Технічно метод поєднує масс-спектрометрію та машинне навчання.

Висока складність сама по собі ще не доводить наявність життя. Однак якщо дуже складні молекули виникають багаторазово і у значних кількостях, це може вказувати на процес, який постійно спрямовує хімічні реакції певними шляхами. Саме так працюють біологічні системи: організми використовують закладену в них інформацію, щоб знову і знову виробляти одні й ті самі складні сполуки. Із зростанням складності кількість потенційних молекулярних структур різко збільшується, а ймовірність їх випадкового багаторазового утворення — зменшується.

Цей підхід покликаний вирішити одну з головних проблем сучасної астробіології. Виявлення окремої молекули ще не означає, що її створив живий організм. Метан на Марсі, фосфін в атмосфері Венери та диметилсульфід в атмосферах екзопланет привертали увагу саме тому, що на Землі ці сполуки можуть мати біологічне походження. Проте всі вони утворюються і в результаті небіологічних процесів: метан виникає геологічним шляхом, а диметилсульфід виявляли навіть у кометній речовині та отримували в лабораторних умовах, моделюючи хімію ранньої Сонячної системи.

Щоб компенсувати обмежені можливості бортових приладів, дослідники навчили модель машинного навчання XGBoost на стандартизованих масс-спектрах із бази Chem­istry Web­Book Національного інституту стандартів і технологій США. Алгоритм навчився оцінювати молекулярну збірність безпосередньо за даними одноступеневої масс-спектрометрії — саме такі прилади найчастіше використовуються в планетарних місіях через жорсткі обмеження за масою та енергоспоживанням. За результатами дослідження, модель знизила відносну середньоквадратичну похибку утричі порівняно з найефективнішою базовою моделлю — з 0,12 до 0,04. Попередні експерименти зафіксували приблизну межу між абіотичними та біологічними зразками при індексі збірності близько 15.

Практично такий алгоритм можна буде використовувати безпосередньо на борту космічних апаратів. Виявивши сполуки з незвично високими показниками збірності, система зможе автоматично позначити ділянку для додаткового вивчення, відібрати зразки для детальнішого аналізу або визначити матеріал, найцікавіший для доставки на Землю. Метод може виявитися корисним при дослідженні Марса, Європи, Енцелада і Титана — тіл, де космічні апарати можуть зіткнутися з хімічними сполуками, практично невідомими на Землі.

Втім, вчені поки що розглядають розробку як доказ принципу, а не готову систему виявлення позаземного життя. Випробування показали, що точність суттєво залежить від параметрів роботи масс-спектрометра: зміна енергії іонів при ударі могла майже вдвічі збільшити похибку прогнозування, а в одному з порівнянь похибка зростала більш ніж у 2,3 раза. Для практичного застосування знадобляться стандартизовані бази даних, точне калібрування приладів і хроматографічне розділення речовин. У перспективі метод планують доповнити ядерним магнітним резонансом та інфрачервоною спектроскопією, яка також може розширити підхід для дистанційного вивчення атмосфер екзопланет. Окремо дослідники припускають, що деякі надзвичайно складні синтетичні молекули в майбутньому можна буде розглядати як молекулярні техносигнатури — хімічні сліди технологічної цивілізації.