Докопались до молекул: ученые придумали, как найти внеземную жизнь
Алгоритм, способный определить наличие жизни на других планетах, разработали британские специалисты. Метод основан на анализе сложности молекул — более простые могут образовываться случайно, но после пересечения определенного порога сложности молекулы могут создаваться только благодаря жизни в какой-либо форме, в том числе и неизвестной человечеству. Исследователи надеются, что их разработка позволит более надежно изучить небесные тела, в том числе спутники Сатурна, миссии к которым будут запущены в ближайшие годы.
Первый проект по поиску внеземной жизни был запущен еще в 1959 году и был направлен на улавливание радиосигналов от далеких цивилизаций. Сегодня усилия во многом сконцентрированы на поиске химических признаков жизни на фрагментах метеоритов и других небесных тел. До сих пор ученые не слишком преуспели в поиске инопланетной жизни, и одна из причин этого — недостаточное понимание, что именно можно считать ее признаками, а что — нет. В последние годы удалось открыть тысячи экзопланет, где потенциально могла бы существовать жизнь, поэтому вопрос того, как ее можно надежно обнаружить, стоит довольно остро.
Специалисты Университета Глазго придумали новый способ находить признаки жизни. Подробнее о нем они рассказали в статье в журнале Nature Communications.
Профессор Лерой Кронин и его коллеги разработали концепцию, которую назвали теорией сборки.
Эта теория описывает, как живые системы можно отличить от неживых, определяя сложные молекулы, которые появляются в большом количестве и при этом не могут образовываться случайным образом.
Теория сборки определяет молекулы как биосигнатуры — проявления последствий жизнедеятельности.
«Наша система — первая гипотеза обнаружения жизни, которую можно проверить экспериментально, — говорит Кронин. — Она основана на идее, что только живые системы могут производить сложные молекулы, которые не способны образовываться случайным образом в любом количестве, и это позволяет нам обойти проблему определения того, что считать жизнью».
Сфромулировав гипотезу, команда занялась разработкой алгоритма, позволяющего оценить сложность молекул. Для этого ученые ввели понятие числа молекулярной сборки, основанного на количестве связей, необходимых для образования той или иной молекулы. Естественно, у крупных биогенных молекул число будет больше, чем у мелких и не биогенных.
Чтобы проверить свой метод, команда использовала алгоритм присвоения чисел молекулярной сборки для базы данных, содержащей записи примерно о 2,5 млн молекул. Затем они отобрали еще около сотни малых молекул и фрагментов белка (пептидов), чтобы проверить ожидаемую корреляцию между числом молекулярной сборки и количеством пептидов, которые молекула будет генерировать при воздействии масс-спектрометра. При масс-спектрометрии молекулы сначала ионизируются, а затем образовавшиеся ионы разделяются в магнитном или электрическом поле в соответствии с массовым числом — отношением массы иона к его заряду.
В сотрудничестве с NASA команда также исследовала образцы молекул со всего мира и даже из космоса. Так, специалистам удалось поработать с фрагментом Мурчисонского метеорита — углистого хондрита, богатого органическими молекулами и образцами донных отложений времен голоцена (30 тыс. лет назад) и среднего миоцена (14 млн лет назад).
На основе полученных данных команда смогла показать, что жизнь — единственный процесс, который может создавать молекулы с высоким числом молекулярной сборки. Кроме того, ученые установили, что есть определенный порог, пересечение которого однозначно свидетельствует о присутствии жизни.
«Этот метод позволяет идентифицировать жизнь без каких-либо предварительных знаний о ее биохимии, — отмечает соавтор исследования Сара Имари Уокер. — Его можно использовать для поиска инопланетной жизни в будущих миссиях NASA. Это совершенно новый экспериментальный и теоретический подход, который позволит раскрыть природу жизни во Вселенной и показать, как она может возникать из безжизненных химических элементов».
«Живые и неживые системы отличаются степенью, в которой в них могут надежно и в обнаруживаемых количествах образовываться очень сложные молекулярные структуры», — добавляет ее коллега Даг Мур. — Мы решили показать, что это так, и предложить полезную и биохимически независимую биосигнатуру».
После более тщательной проверки и подтверждения эффективности алгоритм может лечь в основу будущих поисков внеземной жизни. Кроме того, с его помощью можно узнать больше и о том, как зародилась жизнь на Земле, уверены исследователи. Теоретическая основа алгоритма — одна из первых методик, позволяющих количественно оценить, как химические системы обрабатывают информацию.
«Мы думаем, что это даст возможность совершенно нового подхода к пониманию происхождения живых систем на Земле, в других мирах и, надеюсь, к выявлению живых систем в лабораторных экспериментах, — говорит соавтор исследования Коул Матис. — С практической точки зрения, если мы сможем понять, как живые системы способны самоорганизовываться и производить сложные молекулы, мы сможем использовать эти знания для разработки и производства новых лекарств и новых материалов».
В ближайшие годы во внешнюю часть Солнечной системы отправится несколько миссий, нацеленных на поиск жизни. Если использовать в них спектрометры, оснащенные алгоритмом анализа чисел молекулярной сборки, то это позволит изучить атмосферу, поверхность и метановые озера спутников Сатурна Европы, Титана и Энцелада на наличие молекул, которые могут образоваться только при наличии жизни.