科學家能在不知道生命是什麼樣子的情況下發現生命嗎？使用機器學習的研究提供了一種新方法
本文最初發表於 對話。 該出版物為 Space.com 上的文章做出了貢獻 專家之聲：專欄與見解。
當美國宇航局科學家打開返回樣本的盒子時 奧西里斯-雷克斯 在 2023 年底的小行星樣本任務中，他們發現了一些令人驚訝的事情。
幾十年來，科學家們一直預測早期小行星可能為地球提供了生命的成分，這些發現看起來像是有希望的證據。
更令人驚訝的是，這些氨基酸來自 決定 “左撇子”和“右撇子”形式幾乎均分。氨基酸有兩種鏡像配置，就像我們的左手和右手一樣，稱為 手性形式。
在地球上，幾乎所有的生物學都需要左撇子版本。如果科學家在貝努上發現了強烈的左旋過剩現象，那就表明生命的分子不對稱性可能是直接從太空繼承的。相反，近乎平等的混合講述了一個不同的故事：生命的左撇子偏好可能是後來通過地球上的過程出現的，而不是預先嵌入到小行星分散的物質中。
如果太空岩石可以攜帶已知的化合物，但不能攜帶生命留下的化學“特徵”，那麼識別真正的生物學特徵就變得極其複雜。
這些發現提出了一個更深層次的問題——隨著新的任務的展開，這個問題變得更加緊迫 目標火星火星衛星和 海洋世界 我們太陽系的：當只有化學開始看起來“有活力”時，研究人員如何發現生命？如果非生命材料可以產生豐富且有組織的有機分子混合物，那麼我們用來識別生物學的傳統標記可能不再足夠。
喜歡 計算機科學家 通過研究生物特徵，我直面這一挑戰。在我的天體生物學工作中，我詢問在探索其他行星時如何確定分子集合是由複雜的地球化學形成還是由外星生物學形成。
在該雜誌的一項新研究中 美國國家科學院院刊我和我的同事開發了一個名為 LifeTracer 的框架來幫助回答這個問題。我們沒有尋找證明生物存在的單個分子或結構，而是試圖通過檢查岩石和隕石中保存的化合物混合物所包含的完整化學模式來對它們含有生命痕蹟的可能性進行分類。
潛在生物特徵的識別
我們框架背後的主要思想是生命有目的地產生分子，而非生命化學則不然。細胞必須儲存能量、構建細胞膜並傳輸信息。 非生物化學 由非生命化學過程產生的物質，即使數量豐富，也遵循不同的規則，因為它不是通過新陳代謝或進化形成的。
傳統的生物印記方法側重於尋找特定的化合物，例如某些氨基酸或脂質結構，或 手性偏好，例如左撇子。
這些信號可能很強大，但它們完全基於分子模式 被地球上的生命所利用。如果我們 我們假設外星生命使用相同的化學物質我們可能會錯過與我們自己相似但不相同的生物學，或者將無生命的化學物質錯誤地視為生命的標誌。
Bennu 的結果凸顯了這個問題。小行星樣本中含有已知存在生命的分子，但其內部似乎沒有任何生命體。
為了降低假設這些分子代表生命的風險，我們在生命與非生命的分界線上收集了一個獨特的有機材料數據集。我們使用了八個樣本 富碳隕石 保存了早期太陽系的非生物化學物質，以及來自地球的 10 個土壤和沈積材料樣本，其中包含過去或現在生命的生物分子的降解殘留物。每個樣本都含有數以萬計的有機分子，其中許多分子的豐度較低，而且許多分子的結構無法完全識別。
和美國宇航局 戈達德太空飛行中心我們的科學家團隊粉碎每個樣品，添加溶劑，然後加熱以提取有機物——這個過程就像泡茶一樣。接下來，我們將含有提取有機物的“茶”通過兩個過濾柱， 分離有機分子的複雜混合物。然後將有機物放入一個室中，用電子轟擊它，直到它分解成更小的碎片。
傳統上，化學家使用這些巨大的碎片作為拼圖來重建每個分子結構，但每個樣品中包含數以萬計的化合物提出了挑戰。
生命追踪器
生命追踪器 是一種獨特的數據分析方法：它的工作原理是獲取拼圖的碎片並分析它們以找到特定的模式，而不是重建每個結構。
他通過質量和其他兩種化學性質來表徵這些拼圖，然後將它們組織成一個大矩陣，描述每個樣本中存在的分子集。然後，它訓練一個機器學習模型，根據隕石和地球表面的陸地材料中存在的分子類型來區分它們。
機器學習最常見的形式之一稱為監督學習。它的工作原理是以許多輸入和輸出對為例，並學習從輸入切換到輸出的規則。即使像這些例子一樣只有 18 個樣本，LifeTracer 的表現也非常好。他始終將非生物起源與生物起源分開。
對於 LifeTracer 來說，最重要的不是特定分子的存在，而是每個樣本中發現的化學指紋的總體分佈。隕石樣本往往含有更多的揮發性化合物——它們更容易蒸發或分解——這反映了在寒冷的太空環境中更常見的化學類型。
某些類型的分子（稱為多環芳烴）存在於這兩個組中，但它們具有模型可以解釋的明顯結構差異。含硫化合物 1,2,4-三硫戊環似乎是非生物樣品的強標記物，而陸地材料則包含通過生物過程形成的產物。
這些發現表明，生命與非生命之間的對比不是由單一的化學線索決定的，而是由一整套有機分子的組織方式決定的。通過關注模型而不是關於生命“必須”使用哪些分子的假設，LifeTracer 等方法為評估從 火星任務, 它的衛星火衛一和火衛二木星的衛星 歐洲 和土星的衛星 土衛二。
未來的樣本可能會含有多種來源的有機混合物，有些是生物來源的，有些不是。我們現在可以評估整個化學景觀是否更像隨機生物學或地球化學，而不是僅僅依賴幾個已知分子。
LifeTracer 不是通用生命探測器。相反，它為解釋複雜的有機混合物提供了基礎。貝努的發現提醒我們，對生命友好的化學可以在全世界廣泛傳播 太陽系但僅化學並不等於生物學。
為了改變現狀，科學家們需要我們能夠製造的所有工具——不僅僅是更好的航天器和儀器，還有更智能的方式來閱讀他們帶回家的分子中寫的故事。
