科学家发现可能有助于识别外星生命的分子模式

Elsi科学家及其同事已经开发出新的质谱和机器学习技术,帮助将复杂的有机混合物进行分类,因为以极高的准确性来自生活或非生活过程。信用:Guttenberg等。

科学家已经开始认真地在太阳系中寻找地外生命,但这些生命可能与地球生命有着微妙或深刻的不同,而基于检测特定分子作为生物特征的方法可能不适用于具有不同进化史的生命。

由东京工业大学地球生命科学研究所(ELSI)的研究人员领导的日本/美国联合团队的一项新研究,开发了一种机器学习技术,利用质谱评估复杂的有机混合物,可靠地将它们分类为生物或非生物。

在第1季,第29集(“操作:歼灭!”)星际迷航,1966年播出,人民普拉曼混合特征Spock使“这不是我们所知道的或理解它的生活。然而,它显然很活跃;它存在。“现在这个现在55岁的流行文化模因仍然是一个点:如果我们从根本上不知道生活是什么,我们怎样才能发现生活,如果这种生活与我们所知道的生活真的不同?
“我们独自一人?”的问题由于宇宙中的生物已经着迷于世纪以来的人类,自1976年美国国家航空航天局的骑马2位马斯马斯的马斯,人类在太阳系上寻找了ET生活。目前有许多科学家正在寻找ET生活的方式。

其中包括听从深空中的高级文明的无线电信号,寻找其他恒星的行星大气成分的微妙差异,并直接试图在土壤和冰上测量它,他们可以在我们自己的太阳系中使用航天器收集。最后一个类别允许他们直接带来最先进的化学分析仪器,以忍受ET样品,也许甚至会将一些样品带回地球,在那里可以仔细仔细审查它们。

令人兴奋的任务,如美国宇航局的“毅力”号探测器今年将在火星上寻找生命;美国宇航局2024年发射的欧罗巴快艇(Europa Clipper)将尝试对木星卫星欧罗巴(Europa)喷出的冰进行取样,而蜻蜓号(Dragonfly)的任务将尝试从2027年开始让一架“八翼飞机”在土星卫星土卫六(Titan)上着陆。这些任务都将试图回答我们是否孤独的问题。

质谱(MS)是科学家们在宇宙飞船上寻找外星生命时将依赖的一项主要技术。质谱的优点是它可以同时测量样品中存在的大量化合物,从而为样品的组成提供一种“指纹”。然而,解释这些指纹可能是棘手的。

作为科学家可以说,地球上的所有生命都是基于同样的高度协调的分子原则,使科学家们信心所有地球生活都来自古老的古代陆地祖先。然而,在科学家们认为可能为地球上的原始工艺做出贡献的原始流程的模拟中,许多类似但略有不同的特定分子陆地生活用途的使用者通常被检测到。此外,天然存在的化学过程也能够产生许多生物分子的结构块。由于我们仍然没有知名的外星生活样本,这使得科学家与概念悖论:地球生命在进化中暂时做出一些任意选择,从而锁定,因此我们应该建造生命,或者我们应该预期所有的生活到处都是被限制的方式与地球上的方式完全相同?我们如何知道特定分子类型的检测表明它是否是不是(ET Life)的结果?

长期以来,科学家们一直困惑于,我们认为生命应该如何被检测,这在很大程度上是基于地球生命的现状,可能导致我们的检测方法失败。事实上,海盗2号在1976年从火星发回了奇怪的结果。它进行的一些测试给出的信号被认为是生命存在的阳性信号,但MS测量没有提供我们所知道的生命存在的证据。美国宇航局“好奇号”火星探测器的最新MS数据显示,火星上存在有机化合物,但仍不能提供生命存在的证据。一个相关的问题一直困扰着试图发现地球上生命存在最早证据的科学家:我们如何知道在古代陆地样本中检测到的信号是来自这些样本中保存的原始生物,还是来自目前遍布地球的生物的污染?

在日本东京技术研究所的地球生命科学研究所和美国国有高磁场实验室(国家磁铁)使用组合的实验和机器学习计算方法决定解决这个问题。美国国家科学基金会通过NSF / DMR-1644779和佛罗里达州提供支持国家磁泥,为研究提供尖端技术。使用超高分辨率MS(一种称为傅里叶变换离子回旋谐振质谱(或FT-ICR MS)的技术,它们测量了各种复杂的有机混合物的质谱,包括衍生自实验室中制造的灭绝样品的质谱(它们相当肯定的不是生活),在陨石中发现的有机混合物(这是〜4.5亿岁的药物产生的有机化合物样品,似乎从未成为生活),实验室种植的微生物(适合所有​​的生活的现代标准,包括Elsi Co-Author Tomohiro Mochizuki和未加工的石油(或原料天然原油,我们泵出地面和过程中的汽油,衍生自生物体,包括新的微生物生物很久以前在地球上生活,提供了如何如何在地质时间改变“指纹”如何改变的“指纹”。这些样品各自包含成千上万的离散分子化合物,其提供了一组可以比较和分类的大组MS光谱。

与使用MS测量的准确性的方法相反,在复杂的有机混合物中用特定分子唯一地识别每个峰,研究人员汇总了它们的数据并查看了广泛的统计和信号分布。复杂的有机混合物,例如衍生自生物,石油和灭绝样品的有机混合物在以这种方式观察时存在非常不同的“指纹”。对于人类检测比存在或不存在单独分子类型的存在更难以检测这些模式。

研究人员将其原始数据充满到计算机机学习算法,令人惊讶地发现该算法能够准确地将样品分类为生活或非生活的精度约为95%。重要的是,在大大简化原始数据之后,它们所做的是,使得较低精度仪器,基于空间的仪器往往是低功率,可以获得足够分辨率的数据,以实现团队获得的生物分类准确性。

这种分类准确性的潜在原因仍有待探索,但该团队认为,这是因为改变有机化合物的生物过程不同于改变非生物过程的生物过程,与使生命得以繁殖的过程相关。生命过程必须自我复制,而非生物过程没有控制这一点的内部过程。
“这项工作开辟了许多令人兴奋的途径,用于使用超高分辨率质谱进行天然气学应用,”美国国家默克拉布共同作者欢欢。

领导作者尼古拉斯·古滕贝格增加了“虽然难以在复杂的化学混合物中表征每一个峰值,但组件的广泛分布可以包含与该混合物来源的过程的模式和关系。如果我们要了解复杂的益生菌化学,我们需要在这些广泛的模式方面思考 - 他们如何来,他们意味着什么,以及他们如何改变 - 而不是存在单个分子的存在。这篇论文是一个初步调查该级别的可行性和表征方法,表明甚至丢弃了高精度质量测量,峰值分布中存在重要信息,可用于通过产生它们的过程的类型识别样本。“

联合作者的Elsi Jim Cleaves补充说:“这种关系分析可能为在太阳系中寻找寿命的广泛优势,也许甚至在设计用于重建生命的起源的实验室实验中。”该团队计划跟进进一步的研究以确切地理解这种类型的数据分析的哪些方面允许此类成功分类。

东京工业大学(Tokyo Institute of Technology,简称:东京理工大学)是日本领先的科技大学,在研究和高等教育方面处于领先地位。东京工业大学的研究人员在从材料科学到生物、计算机科学和物理等领域都很出色。东京工业大学成立于1881年,每年招收超过10000名本科生和研究生,他们将成为科学领袖和一些最受欢迎的工业工程师。东京工学院致力于通过高影响力的研究为社会做出贡献,体现了日本“技术独创性和创新”的哲学。

地球生命科学研究所(ELSI)是日本雄心勃勃的世界首映式国际研究中心之一,其目的是通过鼓励世界上最伟大的思想来到日本并合作最具挑战性的科学的思想问题。埃尔西的主要目标是解决地球和生活的起源和共同演变。

世界总理国际研究中心倡议(WPI)于2007年由教育部,文化,体育,科技(MEXT)发起,以帮助在日本建立全球可见的研究中心。这些机构促进了高研究标准和杰出的研究环境,吸引了来自世界各地的前线研究人员。这些中心是高度自主的,允许他们彻底改变日本的传统研究运作和管理模式。

参考:
Nicholas guttenberg 1,2,3, Huan Chen4, Tomohiro Mochizuki1, H. James Cleaves ii1,5,6,*,复杂有机混合物的常生性分类用于检测外星生命的,生活,DOI:10.3390 / Life11030234

1.东京工业科学院,东京工程学院,东京,东京152-8550,日本
2.日本东京中央区新川2-9-11-9F十字罗盘有限公司,十字实验室,104-0033
3. Goodai,Na Petynce 213 / 23B,169 00布拉格,捷克共和国
4.美国佛罗里达州塔拉哈西市东保罗狄拉克路1800号佛罗里达州立大学国家强磁场实验室32310-4005
5.2 .美国新泽西州普林斯顿大学高等研究所,1 Einstein Drive, NJ 08540
6.蓝色大理石空间科学研究所,美国华盛顿州西雅图98104

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