Новый метод определяет потенциальный биомаркер по сложности молекул и уже позволяет оценивать её по масс-спектрам с втрое меньшей ошибкой
Поиск внеземной жизни упирается в фундаментальную проблему: есть только один пример биологии — земной. Практически все существующие методы ищут химические следы, похожие на те, что оставляет жизнь на Земле. Группа исследователей из Университета Глазго предложила обойти это ограничение с помощью вопроса не «похожа ли молекула на биологическую», а «насколько трудно её было собрать». Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Метод опирается на теорию сборки (Assembly Theory), которая оценивает молекулярную сложность через минимальное число шагов, необходимых для построения молекулы из простых блоков. Исследователи называют этот показатель индексом молекулярной сборки (molecular assembly, MA). Ключевой аргумент: в неживой химии невообразимо много возможных комбинаций, и чем сложнее молекула, тем меньше шансов, что она возникнет случайно и многократно. Жизнь, напротив, использует информацию для направленного синтеза — биологические системы способны раз за разом производить одни и те же сложные структуры.
Предыдущие эксперименты показали примерную границу между абиотическими и биологическими образцами на уровне индекса сборки около 15. Молекулы выше этого порога с высокой вероятностью имеют биологическое происхождение, причём метод не требует заранее знать, что именно представляет собой обнаруженное соединение. Это делает его «агностическим биомаркером», не зависящим от конкретной биохимии.
Практическая проблема — как измерить «индекс сборки» на другом космическом объекте. Многие планируемые экзопланетные миссии используют масс-спектрометры, но из-за ограничений по массе, питанию и вычислительным ресурсам на борту обычно применяются простые приборы. Чтобы замкнуть этот разрыв, исследователи обучили простую модель XGBoost на стандартизированных спектрах из базы данных по химии NIST Chemistry WebBook. Обученная модель научилась оценивать молекулярную сборку напрямую по одноступенчатым спектрам, снизив относительную среднеквадратичную ошибку втрое по сравнению с лучшим базовым методом — с 0,12 до 0,04.
Авторы особенно отмечают, что модель склонна недооценивать молекулы с очень высоким индексом сборки. Для детектора жизни это полезная асимметрия: она означает, что прибор скорее проявит консервативность, чем по ошибке классифицирует абиотическую молекулу как сильный биомаркер. В перспективе ровер или посадочный модуль, обнаружив молекулы с необычно высокими значениями MA, мог бы автономно разметить окружающую область для детального изучения, приоритезировать образцы или выделить материал для доставки на Землю.
Исследователи протестировали метод в условиях, приближенных к приборам, предложенным для миссий к Титану и Европе. Попутно выяснилась любопытная деталь: при сравнении крупных молекулярных баз некоторые медицинские соединения показали необычно высокий индекс сборки, обязанный не биологии, а целенаправленному синтезу. Это навело команду на мысль, что особо сложные искусственные молекулы могли бы служить «молекулярными техномаркерами» — химическими свидетельствами технологии, а не самой жизни.
Пока что метод остаётся доказательством концепции. Настройки прибора сильно влияют на результат: в симуляциях изменение энергии могло почти удвоить ошибку предсказания, а одно из сравнений увеличило её более чем в 2,3 раза. Для превращения подхода в рабочий инструмент потребуются стандартизированные базы данных, тщательная калибровка приборов и хроматографическое разделение молекул до анализа. Будущие версии могли бы сочетать масс-спектрометрию с ядерным магнитным резонансом или инфракрасной спектроскопией, что, по мнению авторов, расширило бы применимость метода на дистанционное изучение атмосфер экзопланет.
Цель же шире: вместо того чтобы заранее решать, что должна производить чужая биология, учёные смогут искать доказательства того, что некий процесс последовательно направляет химию к высокоспецифичным, сложным результатам.
