Los científicos están a punto de descubrir vida extraterrestre, lo que se predijo hace décadas que sería difícil. Las nuevas técnicas sugieren que puede haber trucos analíticos inteligentes que utilicen el aprendizaje automático para este propósito. Crédito: NASA
Los científicos han comenzado en serio su búsqueda de vida extraterrestre en el sistema solar, pero dicha vida puede ser leve o profundamente diferente de la vida en la Tierra, y los métodos se basan en la detección de moléculas específicas porque las firmas biológicas pueden no ser aplicables a la vida con una evolución diferente historia. Un nuevo estudio realizado por un equipo conjunto japonés-estadounidense dirigido por científicos del Earth-Life Science Institute (ELSI) del Instituto de Tecnología de Tokio informa sobre una técnica de aprendizaje automático que evalúa mezclas orgánicas complejas utilizando espectrometría de masas para clasificarlas. como biológico o abiológico.
En la temporada 1, episodio 29 de “Star Trek” (“Operación: ¡Aniquilar!”), Que salió al aire en 1966, Spock dice: “Esta no es la vida que conocemos o entendemos. vive; existe. “Este episodio de 55 años habla sobre esto: ¿Cómo podemos detectar la vida si básicamente no sabemos qué es la vida, y esta vida es realmente diferente de la vida tal como la conocemos?
La cuestión de si estamos solos como seres vivos en el universo ha fascinado a la humanidad durante siglos, y la humanidad ha estado buscando vida extraterrestre en el sistema solar desde la misión Viking 2 de la NASA a Marte en 1976. La búsqueda de vida implica escuchar señales de radio de civilizaciones avanzadas en el espacio, buscar diferencias sutiles en la composición atmosférica de los planetas alrededor de otras estrellas y tratar directamente de medir esto en muestras de suelo y hielo recolectadas con naves espaciales en nuestro sistema solar. La última categoría les permite usar sus instrumentos analíticos químicos más avanzados directamente en muestras extraterrestres, y quizás incluso traer algunos de ellos a la Tierra para su estudio.
Misiones como el rover Perseverance de la NASA buscarán vida en Marte este año; El Europa Clipper de la NASA, lanzado en 2024, intentará tomar muestras de hielo expulsado de la luna Europa de Júpiter, y la misión Dragonfly intentará aterrizar un “octacóptero” en la luna Titán de Saturno a partir de 2027. Todas estas misiones intentarán responder a la pregunta, estamos solos.
La espectrometría de masas (MS) es la técnica principal en la que los científicos confiarán cuando busquen vida extraterrestre con naves espaciales. Esta técnica permite medir una multitud de compuestos presentes en las muestras simultáneamente y así proporcionar una especie de “huella” de su composición. Sin embargo, interpretar estas huellas dactilares puede resultar difícil.
Las bacterias y otros seres vivos están formados por un conjunto complejo de sustancias químicas. Dado que la vida extraterrestre puede ser fundamentalmente diferente de la vida en la Tierra, puede ser difícil para las futuras sondas espaciales determinar si las mezclas químicas complejas se derivan de procesos vivos o inanimados. Fuente: Josef Reischig
Por lo que los científicos pueden decir, toda la vida en la Tierra se basa en los mismos principios moleculares altamente coordinados, lo que les da a los científicos la confianza de que toda la vida en la Tierra desciende de un ancestro terrestre antiguo común. Sin embargo, las simulaciones de los procesos primitivos que los científicos creen que pueden haber contribuido a la vida en la Tierra a menudo revelan muchas versiones similares pero ligeramente diferentes de las moléculas individuales utilizadas por la vida en la Tierra. Además, los procesos químicos que ocurren naturalmente también pueden producir muchos de los componentes básicos de las moléculas biológicas.
Dado que todavía no tenemos una muestra conocida de vida extraterrestre, esto deja a los científicos con una paradoja conceptual: ¿tomó la vida en la Tierra alguna elección arbitraria en las primeras etapas de la evolución y, por lo tanto, si podría construirse de una manera diferente o debería? ¿Esperamos que toda la vida en todas partes esté limitada exactamente de la misma manera que en la Tierra? ¿Cómo podemos saber si la detección de un tipo particular de molécula indica si fue producida por vida extraterrestre o no?
Durante mucho tiempo ha preocupado a los científicos que los prejuicios hacia formas de vida similares a la vida en la Tierra podrían hacer que sus métodos de detección fallen. De hecho, Viking 2 arrojó resultados extraños de Marte en 1976. Algunas de sus pruebas dieron señales consideradas positivas para la vida, pero las mediciones de la esclerosis múltiple no proporcionaron evidencia de la vida tal como la conocemos. Los datos de MS más recientes del rover Mars Curiosity de la NASA sugieren que hay compuestos orgánicos en Marte, pero aún no proporcionan evidencia de vida. Un problema similar ha plagado a los científicos que intentan descubrir la evidencia más temprana de la existencia de vida en la Tierra: ¿podemos decir si las señales detectadas en muestras de la Tierra antigua provienen de los organismos vivos originales conservados en estas muestras o si provienen de la contaminación por organismos ahora? habitando el planeta?
Los científicos del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida en el Instituto de Tecnología de Tokio en Japón y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (The National MagLab) en los EE. UU. Abordaron este problema utilizando un enfoque experimental combinado de aprendizaje computacional y automático. Usando MS de ultra alta resolución (una técnica conocida como espectrometría de masas por resonancia de ciclotrón por transformada de Fourier (o FT-ICR MS)), midieron espectros de masas de una amplia gama de mezclas orgánicas complejas, incluidas las derivadas de muestras biológicas elaboradas en el laboratorio ( de los cuales están bastante seguros de que están muertos), mezclas orgánicas encontradas en meteoritos (que son muestras de compuestos orgánicos producidos biológicamente que tienen aproximadamente 4.500 millones de años), microorganismos cultivados en un laboratorio que se ajusta a todos los criterios de la vida moderna, incluidos los nuevos microorganismos aislados y cultivados por el coautor de ELSI, Tomohiro Mochizuki, y el petróleo crudo sin procesar que proviene de organismos de hace mucho tiempo en la Tierra, que es un ejemplo de cómo las ‘huellas dactilares’ de organismos de vida conocida pueden cambiar a lo largo del tiempo geológico. Cada una de estas muestras contenía decenas de miles de compuestos moleculares distintos, lo que proporcionaba un gran conjunto de espectros de EM que podían compararse y clasificarse.
A diferencia de los enfoques que utilizan la precisión de la medición de MS para identificar cada pico con una molécula específica en una mezcla orgánica compleja, los científicos en cambio agruparon los datos y observaron estadísticas generales y distribución de señales. Las mezclas orgánicas complejas, como las de organismos vivos, petróleo y muestras biológicas, muestran “huellas dactilares” muy diferentes cuando se ven de esta manera. Estos patrones son mucho más difíciles de detectar para los humanos que la presencia o ausencia de tipos específicos de moléculas.
Los científicos introdujeron sus datos en bruto en un algoritmo de aprendizaje automático e inesperadamente descubrieron que los algoritmos podían clasificar con precisión las muestras como vivas o inanimadas con una precisión de ~ 95%. Es importante destacar que lo hicieron después de simplificar en gran medida los datos sin procesar, por lo que es probable que los instrumentos de menor precisión utilizados en las naves espaciales pudieran obtener datos con suficiente resolución para permitir la precisión de la clasificación biológica del equipo.
Los investigadores de ELSI y sus colegas desarrollaron nuevas técnicas de espectrometría de masas y aprendizaje automático para ayudar a clasificar mezclas orgánicas complejas como provenientes de procesos vivos o no vivos con alta precisión. Fuente: Guttenberg et al.
Las razones que subyacen a la precisión de la clasificación quedan por explorar, pero el equipo sugiere que esto se debe a la forma en que los procesos biológicos que modifican compuestos orgánicos distintos de los procesos biológicos están relacionados con procesos que permiten que la vida se propague. Los procesos vivos deben copiarse unos a otros, mientras que los procesos biológicos no tienen un proceso interno que lo controle.
“Este trabajo abre muchas oportunidades interesantes para el uso de espectrometría de masas de ultra alta resolución en aplicaciones astrobiológicas”, dice el coautor Huan Chen del MagLab nacional de EE. UU.
El autor principal, Nicholas Guttenberg, agrega: “Si bien es difícil, si no imposible, caracterizar cada pico en una mezcla química compleja, una amplia distribución de componentes puede contener patrones y relaciones que brinden información sobre el proceso mediante el cual se formó o desarrolló la mezcla. . vamos a entender la química prebiótica compleja, más bien necesitamos formas de pensar en términos de estos patrones generales – cómo surgen, qué implican y cómo cambian – en lugar de la presencia o ausencia de moléculas individuales. un estudio preliminar de los métodos de viabilidad y caracterización a este nivel y muestra que, incluso aparte de las mediciones de masa muy precisas, existe información significativa en la distribución de picos que puede usarse para identificar muestras por el tipo de proceso que las produjo.
El coautor Jim Cleaves de ELSI dice: “Este tipo de análisis de relaciones puede ofrecer amplios beneficios en la búsqueda de vida en el sistema solar y quizás incluso en experimentos de laboratorio para recrear los orígenes de la vida”. El equipo planea continuar investigando para comprender exactamente qué aspectos de este tipo de análisis de datos permiten una clasificación tan exitosa.
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Tokio