Forskare har börjat sökandet efter utomjordiskt liv i solsystemet på allvar, men sådant liv kan vara subtilt eller djupt olikt livet på jorden, och metoder baserade på att detektera särskilda molekyler som biosignaturer kanske inte gäller för liv med en annan evolutionär historia. En ny studie av ett gemensamt Japan/USA-baserat team, ledd av forskare vid Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology, rapporterar om en maskininlärningsteknik som bedömer komplexa organiska blandningar med hjälp av masspektrometri för att klassificera dem som biologiska eller abiologiska.

I säsong 1, avsnitt 29 av "Star Trek" ("Operation:Annihilate!"), som sändes 1966, människa-vulkan hybridkaraktären Spock säger, "Det är inte livet som vi känner till eller förstår det. Ändå är det uppenbarligen levande, det finns." Detta nu 55 år gamla avsnitt gör en poäng:Hur kan vi upptäcka liv om vi i grunden inte vet vad livet är, och om det livet verkligen skiljer sig från livet som vi känner det?

Frågan om vi är ensamma som levande varelser i universum har fascinerat mänskligheten i århundraden, och mänskligheten har letat efter utomjordiskt liv i solsystemet sedan NASA:s Viking 2-uppdrag till Mars 1976. Sökandet efter liv inkluderar att lyssna efter radiosignaler från avancerade civilisationer i rymden, letar efter subtila skillnader i atmosfärens sammansättning av planeter runt andra stjärnor, och direkt försöka mäta det i jord- och isprover som samlats in med hjälp av rymdfarkoster i vårt eget solsystem. Denna sista kategori låter dem ta med sin mest avancerade kemiska analytiska instrumentering direkt till utomjordiska prover, och kanske till och med ta med några av proverna tillbaka till jorden, där de kan studeras.

Uppdrag som NASA:s Perseverance-rover kommer att leta efter liv i år på Mars; NASA:s Europa Clipper, lanseras 2024, kommer att försöka ta prov på is som kastats ut från Jupiters måne Europa, och dess Dragonfly-uppdrag kommer att försöka landa en "oktakopter" på Saturnus måne Titan med start 2027. Dessa uppdrag kommer alla att försöka svara på frågan om vi är ensamma.

Masspektrometri (MS) är en huvudsaklig teknik som forskare kommer att förlita sig på i rymdskeppsbaserade sökningar efter utomjordiskt liv. Tekniken kan samtidigt mäta mängder av föreningar som finns i prover, och därmed ge ett slags "fingeravtryck" av deras sammansättning. Ändå, Det kan vara svårt att tolka dessa fingeravtryck.

Så gott som forskarna kan säga, allt liv på jorden är baserat på samma högt koordinerade molekylära principer, vilket ger forskare förtroende för att allt jordiskt liv härrör från en gemensam forntida jordlevande förfader. Dock, i simuleringar av de primitiva processer som forskare tror kan ha bidragit till livets ursprung på jorden, många liknande men lite olika versioner av de speciella molekylerna som jordlevande använder detekteras ofta. Vidare, naturligt förekommande kemiska processer kan också producera många av byggstenarna i biologiska molekyler.

Eftersom vi fortfarande inte har något känt prov på främmande liv, detta lämnar forskare med en konceptuell paradox:gjorde jordens liv några godtyckliga val tidigt i evolutionen som var låsta, och sålunda, skulle livet kunna byggas på annat sätt, eller ska vi förvänta oss att allt liv överallt är begränsat på exakt samma sätt som det är på jorden? Hur kan vi veta att upptäckten av en viss molekyltyp indikerar om den producerades av utomjordiskt liv eller inte?

Det har länge bekymrat forskare att fördomar mot livsformer som liknar jordens liv kan göra att deras upptäcktsmetoder misslyckas. Viking 2, faktiskt, gav udda resultat från Mars 1976. Några av testerna som den genomförde gav signaler som ansågs vara positiva för livet, men MS-mätningarna gav inga bevis för liv som vi känner det. Nyare MS-data från NASA:s Mars Curiosity-rover tyder på att det finns organiska föreningar på Mars, men de ger fortfarande inga bevis för livet. Ett relaterat problem har plågat forskare som försöker upptäcka de tidigaste bevisen för liv på jorden:Kan vi se om signaler som upptäckts i forntida terrestra prover kommer från de ursprungliga levande organismerna som bevarats i dessa prover, eller härrör från kontaminering av organismer som för närvarande ockuperar planeten?

Forskare vid Earth-Life Science Institute vid Tokyo Institute of Technology i Japan och National High Magnetic Field Laboratory (The National MagLab) i USA åtgärdade detta problem med hjälp av en kombinerad experimentell och maskininlärningsmetod. Med hjälp av ultrahögupplöst MS (en teknik känd som Fourier-transformjoncyklotronresonansmasspektrometri (eller FT-ICR MS)), de mätte masspektra för en mängd olika komplexa organiska blandningar, inklusive de som härrör från biologiska prover gjorda i labbet (som de är ganska säkra på att inte lever), organiska blandningar som finns i meteoriter (som är ~ 4,5 miljarder år gamla prover av biologiskt framställda organiska föreningar som aldrig verkar ha varit levande), laboratorieodlade mikroorganismer som passar alla moderna livskriterier, inklusive nya mikrobiella organismer isolerade och odlade av ELSI medförfattare Tomohiro Mochizuki, och obearbetad petroleum, som kommer från organismer som levde för länge sedan på jorden, ger ett exempel på hur "fingeravtryck" av kända levande organismer kan förändras över geologisk tid. Dessa prover innehöll vart och ett tiotusentals diskreta molekylära föreningar, vilket gav en stor uppsättning MS-spektra som kunde jämföras och klassificeras.

I motsats till metoder som använder noggrannheten hos MS-mätningar för att identifiera varje topp med en viss molekyl i en komplex organisk blandning, forskarna aggregerade istället sina data och tittade på den breda statistiken och distributionen av signaler. Komplexa organiska blandningar, som de som härrör från levande varelser, petroleum, och biologiska prover, uppvisa mycket olika "fingeravtryck" när de ses på detta sätt. Sådana mönster är mycket svårare för en människa att upptäcka än närvaron eller frånvaron av enskilda molekyltyper.

Forskarna matade in sina rådata i en maskininlärningsalgoritm, och fann överraskande nog att algoritmerna kunde exakt klassificera proverna som levande eller icke-levande med ~95% noggrannhet. Viktigt, de gjorde det efter att ha förenklat rådata avsevärt, vilket gör det troligt att instrument med lägre precision som används på rymdfarkoster skulle kunna erhålla data med tillräcklig upplösning för att möjliggöra den biologiska klassificeringsnoggrannhet som laget erhöll.

De bakomliggande orsakerna till klassificeringsnoggrannheten återstår att utforska, men teamet antyder att det beror på hur biologiska processer, som modifierar organiska föreningar annorlunda än biologiska processer, relatera till de processer som gör att livet kan fortplanta sig. Levande processer måste göra kopior av sig själva, medan abiologiska processer inte har någon intern process som styr detta.

"Detta arbete öppnar många spännande vägar för att använda masspektrometri med ultrahög upplösning för astrobiologiska tillämpningar, säger medförfattaren Huan Chen från U.S. National MagLab.

Huvudförfattaren Nicholas Guttenberg tillägger, "Även om det är svårt om inte omöjligt att karakterisera varje topp i en komplex kemisk blandning, den breda fördelningen av komponenter kan innehålla mönster och relationer som är informativa om den process genom vilken den blandningen uppstod eller utvecklades. Om vi ​​ska förstå komplex prebiotisk kemi, vi behöver sätt att tänka i termer av dessa breda mönster – hur de uppstår, vad de innebär, och hur de förändras – snarare än närvaron eller frånvaron av enskilda molekyler. Detta dokument är en första undersökning av genomförbarheten och metoderna för karakterisering på den nivån och visar att även om man kasserar högprecisionsmassmätningar, det finns betydande information i toppfördelningen som kan användas för att identifiera prover efter vilken typ av process som producerade dem."

Medförfattare Jim Cleaves från ELSI säger, "Den här typen av relationsanalys kan erbjuda breda fördelar för att söka efter liv i solsystemet, och kanske till och med i laboratorieexperiment utformade för att återskapa livets ursprung." Teamet planerar att följa upp med ytterligare studier för att förstå exakt vilka aspekter av denna typ av dataanalys som möjliggör en sådan framgångsrik klassificering.