Поиск внеземной жизни долго упирался в одну и ту же стену: мы знаем только один пример жизни — земной. Поэтому почти все попытки найти биологию в других мирах начинались с поиска химии, похожей на нашу. Но что, если инопланетная жизнь устроена иначе? Что, если её химия не имеет ничего общего с земной? Исследователи из Университета Глазго предложили обходной путь: не искать знакомые молекулы, а оценивать, насколько сложно было их создать. Если молекула слишком замысловата для случайных процессов, возможно, за ней стоит нечто живое — или, как минимум, нечто разумное.

Сложность как улика

Новый метод, описанный в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, опирается на теорию сборки. Она пытается измерить молекулярную сложность, подсчитывая минимальное число шагов, необходимых для построения молекулы из простых блоков. Этот показатель назвали молекулярной сборкой, или MA (molecular assembly). Учёные рассуждают так: если в среде раз за разом появляются очень сложные молекулы, значит, какой-то процесс настойчиво направляет химию по определённым путям. Случайная химия так не умеет.

Ключевая особенность MA в том, что этот индекс фиксирован для каждой молекулы и не зависит от внешних условий — ни от среды, где молекулу нашли, ни от конкретной «чужой» биохимии. Это делает его «агностическим» биосигнатурным маркером: он не требует заранее знать, как может выглядеть инопланетная жизнь. Авторы исследования прямо пишут о растущем интересе к таким агностическим стратегиям — методам, которые выявляют молекулярные признаки жизни без точного понимания её возможного облика.

Метан, фосфин и прочие двусмысленности

Проблема, которую решает новый подход, хорошо знакома астробиологам. Метан на Марсе, фосфин в атмосфере Венеры, диметилсульфид как потенциальный биомаркер в атмосферах экзопланет — все эти соединения привлекают внимание, потому что их могут производить живые организмы. Но биология — не единственный их источник. Метан возникает и в геологических процессах. Диметилсульфид сильно связан с жизнью на Земле, однако его находили в кометном веществе и получали в лабораториях, моделирующих первичную химию.

Простое присутствие молекулы не говорит, что её создало. Теория сборки заходит с другой стороны: вместо вопроса «что это за молекула?» она спрашивает «насколько трудно её собрать?». Если у молекулы MA равен 40, кратчайший путь её постройки вдвое длиннее, чем у молекулы с MA 20. И здесь вступает вероятность. Ненаправленная химия имеет гигантское пространство возможных структур. Чем сложнее молекула, тем меньше шансов, что она будет возникать снова и снова без какого-то ограничивающего механизма. Биологические системы хранят и используют информацию, чтобы направлять реакции к конкретным результатам — и потому могут производить одни и те же сложные молекулы многократно, не блуждая по бескрайним просторам химических возможностей.

Предыдущие эксперименты, на которые ссылаются авторы, показали примерную границу между абиотическими и биологическими образцами: индекс сборки около 15. Всё, что заметно выше, уже подозрительно. И, что важно для поиска жизни на других планетах, учёным не обязательно знать, что это за молекула, чтобы понять: она необычно сложна.

Машинное обучение на борту зонда

Практическая задача — как измерять MA на космическом аппарате. Многие планетные миссии используют масс-спектрометры, которые анализируют молекулы по отношению массы к заряду. Более сложные многоступенчатые приборы могут дробить молекулы и восстанавливать их структуру, но на борту зонда жёсткие ограничения по энергии, массе, вычислительной мощности и сложности инструментов. Поэтому чаще всего там стоят простые одноступенчатые спектрометры.

Чтобы преодолеть этот разрыв, исследователи обучили модель машинного обучения XGBoost на стандартизированных масс-спектрах из базы данных Национального института стандартов и технологий. Модель научилась оценивать молекулярную сборку прямо по одноступенчатым спектрам. Результат: относительная среднеквадратичная ошибка снизилась втрое по сравнению с лучшей базовой моделью — с 0,12 до 0,04.

У модели есть и полезная особенность: она склонна недооценивать молекулы с особенно высоким MA. Для системы поиска жизни такое смещение предпочтительнее, чем наоборот. Консервативность означает меньше ложных срабатываний — меньше шансов ошибочно принять что-то за сильный биосигнал.

Исследователи представляют, как будущие роверы или посадочные модули смогут автономно использовать такой анализ. Если аппарат находит молекулы с аномально высокими показателями сборки, он может пометить область для более пристального изучения, выбрать образцы для детального анализа или даже отметить материал, который стоит доставить на Землю.

От биосигнатур к техносигнатурам

В исследовании отдельно оценивались условия, имитирующие приборы, предложенные для миссий к Титану и Европе. Но возникла и более спекулятивная идея. Когда учёные сравнили очень большие базы молекулярных данных, они обнаружили несколько медицинских соединений с необычно высокими значениями MA. Их сложность — продукт не только биологии, но и целенаправленного человеческого синтеза. Это навело команду на мысль: особо сложные искусственные молекулы могут служить «молекулярными техносигнатурами» — химическими свидетельствами технологии, а не самой жизни.

Пока метод далёк от готового к полёту детектора жизни. Настройки приборов сильно влияют на результат. В симулированных экспериментах изменение энергии удара почти удваивало ошибку предсказания, а в одном сравнении ошибка выросла более чем в 2,3 раза. Молекулы, которые легко разваливаются, могут привести к завышению оценки сборки, а устойчивые к фрагментации — к занижению. Поэтому авторы называют работу доказательством концепции. Чтобы превратить подход в рабочий инструмент для планетных исследований, нужны стандартизированные базы данных, тщательная калибровка приборов и хроматографическое разделение для изоляции отдельных молекул перед анализом.

В будущих версиях масс-спектрометрию можно комбинировать с другими методами, включая ядерный магнитный резонанс или инфракрасную спектроскопию. Инфракрасные измерения, по мнению исследователей, могли бы распространить подход на дистанционное изучение атмосфер экзопланет. Но главная цель шире: вместо того чтобы заранее решать, что должна производить чужая биология, учёные смогут искать доказательства того, что некий процесс настойчиво направлял химию к очень специфичным и сложным результатам.

«В этой работе мы представили доказательство концепции, демонстрирующее потенциальное использование машинного обучения для предсказания молекулярной сложности MA как биосигнатуры с помощью масс-спектрометров in situ во время будущих космических миссий», — пишут авторы. «Хотя применение машинного обучения в поиске жизни остаётся начинанием на ранней стадии, оно обещает многое».

Исследование «Molecular Assembly as a Universal Biosignature Measurable by Mass Spectrometry» опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Стоит вспомнить, что неоднозначные химические сигналы уже не раз ставили учёных в тупик. Например, эксперимент «Викинга» 1976 года дал противоречивый результат, который до сих пор разделяет исследователей: одни видят в нём намёк на жизнь, другие — неизвестную химию. Мы уже писали об этом в материале «Эксперимент «Викинга» 1976 года дал сигнал жизни, но учёные спорят до сих пор». Новый агностический подход, возможно, поможет наконец разобраться в подобных случаях — не спрашивая, похожа ли молекула на земную, а оценивая, могла ли она возникнуть сама собой.

И ещё одна параллель: если уж мы ищем не просто жизнь, а технологию, то стоит держать в уме, что инопланетные цивилизации могут оставлять следы не только в химии. Учёные из PSETI, например, предложили искать мегаструктуры не у звёзд, а у чёрных дыр, где энергии вдесятеро больше. Об этом мы рассказывали в статье «Энергию для инопланетян предложили брать не у звезд, а у черных дыр». Молекулярные техносигнатуры — ещё один способ заметить чужой разум, даже если он не строит гигантских конструкций.