Поиск точных биосигнатур — однозначных маркеров прошлой или настоящей жизни — является центральной целью палеобиологии и астробиологии. Группа исследователей под руководством Научного института Карнеги разработала надежный метод, который сочетает в себе измерения пиролизной газовой хроматографии и масс-спектрометрии (ГХ-МС) широкого спектра земных и внеземных углеродсодержащих материалов с классификацией на основе машинного обучения для достижения Точность 90 % при различении образцов абиотического происхождения и биотических образцов, включая сильно разложившиеся, древние образцы биологического происхождения.
С начала 1950-х годов ученые знали, что при правильных условиях смешивание простых химических веществ может привести к образованию некоторых более сложных молекул, необходимых для жизни, таких как аминокислоты.
С тех пор в космосе было обнаружено гораздо больше компонентов, необходимых для жизни, таких как нуклеотиды, необходимые для создания ДНК.
Но как нам узнать, имеют ли они биологическое происхождение или же они образовались в результате другого абиотического процесса с течением времени. Не зная этого, мы не знаем, обнаружили ли мы жизнь.
«Мы задаем фундаментальный вопрос: есть ли что-то принципиально иное в химии жизни по сравнению с химией неживого мира?» сказал профессор Института науки Карнеги Роберт Хейзен.
«Существуют ли «химические правила жизни», влияющие на разнообразие и распределение биомолекул?»
«Можем ли мы вывести эти правила и использовать их в своих усилиях по моделированию происхождения жизни или обнаружению едва заметных признаков жизни в других мирах? Мы обнаружили, что есть».
«С эволюционной точки зрения поддерживать жизнь непросто, поэтому есть определенные пути, которые работают, и определенные, которые нет».
«Наш анализ не опирается на абсолютную идентификацию соединения, а определяет биологическое/небиологическое происхождение, рассматривая соединение в контексте образца».
Профессор Хейзен и его коллеги использовали методы пиролиза ГХ-МС для анализа 134 различных богатых углеродом образцов живых клеток, разложившихся с возрастом образцов, геологически обработанного ископаемого топлива, богатых углеродом метеоритов, а также органических соединений и смесей, синтезированных в лаборатории.
«59 из них имели биологическое происхождение (биотическое), например, рисовое зерно, человеческий волос, сырая нефть и т. д.», — сказали они.
«75 из них имели небиологическое происхождение (абиотическое), например, соединения, синтезированные в лаборатории, такие как аминокислоты, или образцы из богатых углеродом метеоритов».
«Образцы сначала нагревались в бескислородной среде, что приводило к разрушению образцов (процесс, известный как пиролиз)».
Обработанные образцы затем анализировались с помощью ГХ-МС — аналитического устройства, которое разделяет смесь на составные части, а затем идентифицирует их.
Используя набор методов машинного обучения, трехмерные данные (время/интенсивность/масса) из каждого абиотического или биотического образца использовались в качестве обучающих или тестовых подмножеств, в результате чего была создана модель, которая может предсказывать абиотическую или биотическую природу образца. с точностью более 90%.
«С химической точки зрения различия между биотическими и абиотическими образцами связаны с такими вещами, как растворимость в воде, молекулярная масса, летучесть и так далее», — сказал доктор Джим Кливс из Института науки Карнеги.
«Я думаю, что у клетки есть мембрана и внутренняя часть, называемая цитозолем; мембрана практически нерастворима в воде, а содержимое клетки вполне растворимо в воде».
«Такая конструкция удерживает мембрану в сборе, поскольку она пытается свести к минимуму контакты ее компонентов с водой, а также предотвращает утечку «внутренних компонентов» через мембрану».
«Внутренние компоненты также могут оставаться растворенными в воде, несмотря на то, что они представляют собой чрезвычайно большие молекулы, такие как хромосомы и белки».
«Итак, если разбить живую клетку или ткань на компоненты, можно получить смесь очень водорастворимых и очень водонерастворимых молекул, распределенных по всему спектру. Такие вещи, как нефть и уголь, за свою долгую историю потеряли большую часть водорастворимых материалов».
«Абиологические образцы могут иметь уникальное распределение по всему спектру относительно друг друга, но они также отличаются от биологического распределения».
Новый метод может вскоре раскрыть ряд научных загадок на Земле, в том числе происхождение черных отложений возрастом 3,5 миллиарда лет из Западной Австралии — горячо обсуждаемых пород, которые, как утверждают некоторые исследователи, содержат древнейшие ископаемые микробы Земли, в то время как другие утверждают, что они лишены признаки жизни.
Аналогичные споры вызывают и другие образцы древних горных пород Северной Канады, Южной Африки и Китая.
«Сейчас мы применяем наши методы для решения давних вопросов о биогенности органического материала в этих породах», — сказал профессор Хейзен.
Появились новые идеи о потенциальном вкладе этого нового подхода в другие области, такие как биология, палеонтология и археология.
«Если ИИ сможет легко отличить биотическую жизнь от абиотической, а также современную жизнь от древней, какие еще идеи мы можем получить? Например, можем ли мы выяснить, имела ли древняя ископаемая клетка ядро или она была фотосинтетической?» Сказал профессор Хейзен.
«Может ли он анализировать обугленные останки и различать разные породы древесины на археологическом объекте? Это как если бы мы просто окунались в воду огромного океана возможностей».
No comments:
Post a Comment