Zephyrnet-logo

Wetenschappers vinden moleculaire patronen die kunnen helpen bij het identificeren van buitenaards leven

Datum:

Aankomende verkenningsmissies van het zonnestelsel zullen op zoek gaan naar buitenaards (ET) leven, maar ET-leven is misschien niet zoals het leven op aarde; een nieuwe analysetechniek voor massaspectrometrie kan procesgebaseerde manieren mogelijk maken om ET-leven te vinden dat qua compositie vreemd is

Wetenschappers zijn serieus begonnen met het zoeken naar buitenaards leven in het zonnestelsel, maar dergelijk leven kan subtiel of diepgaand verschillen van het leven op aarde, en methoden die zijn gebaseerd op het detecteren van bepaalde moleculen als biosignaturen zijn mogelijk niet van toepassing op leven met een andere evolutionaire geschiedenis. Een nieuwe studie door een gezamenlijk Japan / VS-team, geleid door onderzoekers van het Earth-Life Science Institute (ELSI) aan het Tokyo Institute of Technology, heeft een machine learning-techniek ontwikkeld die complexe organische mengsels beoordeelt met behulp van massaspectrometrie om betrouwbaar te classificeren ze als biologisch of abiologisch.

In seizoen 1, aflevering 29 ("Operatie: Annihilate!") van Star Trek, die in 1966 werd uitgezonden, maakte het mens-Vulcan-hybride personage Spock de opmerking: “Het is niet het leven zoals we het kennen of begrijpen. Toch leeft het duidelijk; het bestaat." Deze nu 55-jarige popcultuur-meme maakt nog steeds een punt: hoe kunnen we het leven detecteren als we fundamenteel niet weten wat het leven is, en als dat leven echt verschilt van het leven zoals we het kennen?

De vraag "Zijn we alleen?" aangezien levende wezens in het heelal de mensheid al eeuwenlang hebben gefascineerd, en de mensheid op zoek is naar buitenaards leven in het zonnestelsel sinds NASA's Viking 2 missie naar Mars in 1976. Er zijn momenteel talloze manieren waarop wetenschappers naar buitenaards leven zoeken. Deze omvatten het luisteren naar radiosignalen van geavanceerde beschavingen in de diepe ruimte, het zoeken naar subtiele verschillen in de atmosferische samenstelling van planeten rond andere sterren, en het rechtstreeks proberen te meten in bodem- en ijsmonsters die ze kunnen verzamelen met behulp van ruimtevaartuigen in ons eigen zonnestelsel. Deze laatste categorie stelt hen in staat om hun meest geavanceerde chemische analytische instrumenten rechtstreeks op ET-monsters te gebruiken, en misschien zelfs enkele monsters terug te brengen naar de aarde, waar ze zorgvuldig kunnen worden onderzocht.

Spannende missies zoals die van NASA Volharding de rover zal dit jaar op Mars leven zoeken; NASA's Europa-klipper, lancering in 2024, zal proberen ijs te bemonsteren dat is uitgeworpen door Jupiters maan Europa, en zijn Libel missie zal proberen om vanaf 2027 een "octacopter" op Saturnusmaan Titan te laten landen. Deze missies zullen allemaal proberen de vraag te beantwoorden of we alleen zijn.

Massaspectrometrie (MS) is een belangrijke techniek waarop wetenschappers zullen vertrouwen in op ruimtevaartuigen gebaseerde zoekopdrachten naar buitenaards leven. MS heeft het voordeel dat het gelijktijdig een groot aantal verbindingen in monsters kan meten en zo een soort "vingerafdruk" van de samenstelling van het monster kan geven. Desalniettemin kan het interpreteren van die vingerafdrukken lastig zijn.

Voor zover wetenschappers kunnen nagaan, is al het leven op aarde gebaseerd op dezelfde sterk gecoördineerde moleculaire principes, die wetenschappers het vertrouwen geven dat al het leven op aarde is afgeleid van een gemeenschappelijke oude aardse voorouder. In simulaties van de primitieve processen waarvan wetenschappers denken dat ze mogelijk hebben bijgedragen aan de oorsprong van het leven op aarde, worden vaak veel vergelijkbare maar enigszins verschillende versies van de specifieke moleculen die het aardse leven gebruikt, vaak gedetecteerd. Bovendien zijn natuurlijk voorkomende chemische processen ook in staat om veel van de bouwstenen van biologische moleculen te produceren. Aangezien we nog steeds geen monster van buitenaards leven bekend hebben, laat dit wetenschappers met een conceptuele paradox achter: heeft het leven op aarde in het begin van de evolutie een aantal willekeurige keuzes gemaakt die vast kwamen te zitten, en dus zou het leven anders kunnen worden geconstrueerd, of moeten we verwachten dat al het leven overal wordt gedwongen om precies hetzelfde te zijn als op aarde? Hoe kunnen we weten dat de detectie van een bepaald type molecuul een indicatie is of het al dan niet werd geproduceerd door ET-leven?

Het heeft wetenschappers lange tijd gekweld die vooringenomenheid hebben in hoe we over het leven denken moet detecteerbaar zijn, die grotendeels gebaseerd zijn op hoe het leven op aarde momenteel is, kan ervoor zorgen dat onze detectiemethoden mislukken. Viking 2 in 1976 leverde Mars zelfs vreemde resultaten op. Sommige van de uitgevoerde tests gaven signalen die als positief voor het leven werden beschouwd, maar de MS-metingen leverden geen bewijs voor het leven zoals we dat kennen. Meer recente MS-gegevens van NASA's Mars nieuwsgierigheid rover suggereren daar zijn organische verbindingen op Mars, maar ze leveren nog steeds geen bewijs voor leven. Een gerelateerd probleem heeft wetenschappers geplaagd die proberen het vroegste bewijs voor leven op aarde op te sporen: hoe kunnen we zien of signalen die zijn gedetecteerd in oude aardse monsters afkomstig zijn van de oorspronkelijke levende organismen die in die monsters zijn bewaard of afkomstig zijn van verontreiniging door de organismen die momenteel onze planeet doordringen ?

Wetenschappers van het Earth-Life Science Institute van het Tokyo Institute of Technology in Japan en het National High Magnetic Field Laboratory (The National MagLab) in de VS besloten dit probleem aan te pakken met behulp van een gecombineerde computationele benadering van experimenteel leren en machine learning. Het National MagLab wordt ondersteund door de Amerikaanse National Science Foundation via NSF / DMR-1644779 en de staat Florida om de allernieuwste technologieën voor onderzoek te leveren. Met behulp van ultrahoge resolutie MS (een techniek die bekend staat als Fourier-Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry (of FT-ICR MS)) maten ze de massaspectra van een breed scala aan complexe organische mengsels, inclusief die afgeleid van biologische monsters gemaakt in het laboratorium (waarvan ze vrij zeker zijn dat ze niet leven), organische mengsels gevonden in meteorieten (dit zijn ~ 4.5 miljard jaar oude monsters van abiologisch geproduceerde organische verbindingen die nooit levend lijken te zijn geworden), in het laboratorium gekweekte micro-organismen (die in alle moderne levenscriteria, waaronder nieuwe microbiële organismen die zijn geïsoleerd en gekweekt door ELSI-co-auteur Tomohiro Mochizuki), en onverwerkte aardolie (of ruwe natuurlijke ruwe olie, het soort dat we uit de grond pompen en verwerken tot benzine, die is afgeleid van organismen die lang geleden op aarde leefden, wat een voorbeeld geeft van hoe de ‘vingerafdruk’ van bekende levende organismen in de loop van de geologische tijd zou kunnen veranderen). Deze monsters bevatten elk tienduizenden afzonderlijke moleculaire verbindingen, die een groot aantal MS-spectra opleverden die konden worden vergeleken en geclassificeerd.

In tegenstelling tot benaderingen die de nauwkeurigheid van MS-metingen gebruiken om elke piek uniek te identificeren met een bepaald molecuul in een complex organisch mengsel, verzamelden de onderzoekers in plaats daarvan hun gegevens en keken naar de brede statistieken en distributie van signalen. Complexe organische mengsels, zoals die welke zijn afgeleid van levende wezens, petroleum en abiologische monsters, vertonen heel verschillende "vingerafdrukken" wanneer ze op deze manier worden bekeken. Dergelijke patronen zijn voor een mens veel moeilijker te detecteren dan de aan- of afwezigheid van individuele moleculetypen.

De onderzoekers voerden hun onbewerkte gegevens in een computeralgoritme voor machine learning en ontdekten verrassend genoeg dat de algoritmen in staat waren om de monsters nauwkeurig te classificeren als levend of niet-levend met een nauwkeurigheid van ~ 95%. Belangrijk is dat ze dit deden nadat ze de onbewerkte gegevens aanzienlijk hadden vereenvoudigd, waardoor het aannemelijk werd gemaakt dat instrumenten met een lagere precisie, op ruimtevaartuigen gebaseerde instrumenten vaak een laag vermogen hebben, gegevens konden verkrijgen met voldoende resolutie om de biologische classificatienauwkeurigheid die het team heeft verkregen mogelijk te maken.

De onderliggende redenen waarom deze classificatienauwkeurigheid mogelijk is, moeten nog worden onderzocht, maar het team suggereert dat dit komt door de manieren waarop biologische processen, die organische verbindingen op een andere manier modificeren dan abiologische processen, verband houden met de processen die het leven mogelijk maken om zichzelf voort te planten. Levende processen moeten kopieën van zichzelf maken, terwijl abiologische processen geen intern proces hebben dat dit controleert.

"Dit werk opent vele opwindende wegen voor het gebruik van massaspectrometrie met ultrahoge resolutie voor astrobiologische toepassingen", zegt co-auteur Huan Chen van het Amerikaanse National MagLab.

Hoofdauteur Nicholas Guttenberg voegt toe: “Hoewel het moeilijk, zo niet onmogelijk is om elke piek in een complex chemisch mengsel te karakteriseren, kan de brede verdeling van componenten patronen en relaties bevatten die informatief zijn over het proces waarmee dat mengsel tot stand kwam of zich ontwikkelde. Als we complexe prebiotische chemie gaan begrijpen, hebben we manieren nodig om te denken in termen van deze brede patronen - hoe ze ontstaan, wat ze impliceren en hoe ze veranderen - in plaats van de aan- of afwezigheid van individuele moleculen. Dit artikel is een eerste onderzoek naar de haalbaarheid en karakteriseringsmethoden op dat niveau en laat zien dat zelfs het negeren van zeer nauwkeurige massametingen, er significante informatie is in de piekverdeling die kan worden gebruikt om monsters te identificeren door het type proces dat ze heeft geproduceerd. "

Co-auteur Jim Cleaves van ELSI voegt eraan toe: "Dit soort relationele analyse kan brede voordelen bieden bij het zoeken naar leven in het zonnestelsel, en misschien zelfs bij laboratoriumexperimenten die zijn ontworpen om de oorsprong van het leven na te bootsen." Het team is van plan om vervolgstudies te volgen om precies te begrijpen welke aspecten van dit soort gegevensanalyse een dergelijke succesvolle classificatie mogelijk maken.

###

Referentie:

Nicolaas Guttenberg1,2,3, Huan Chen4, Tomohiro Mochizuki1, H. James Cleaves II1,5,6, *, Classificatie van de biogeniciteit van complexe organische mengsels voor de detectie van buitenaards leven, Life, DOI: 10.3390 / life11030234

1. Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology, Ookayama, Tokyo 152-8550, Japan

2. Cross Labs, Cross Compass Ltd., 2-9-11-9F Shinkawa, Chuo-ku, Tokio 104-0033, Japan

3. GoodAI, Na Petynce 213 / 23b, 169 00 Praag, Tsjechië

4. Nationaal laboratorium voor hoge magnetische velden, Florida State University, 1800 East Paul Dirac Drive,
Tallahassee, FL 32310-4005, VS.

5. Institute for Advanced Study, 1 Einstein Drive, Princeton, NJ 08540, VS.

6. Blue Marble Space Institute of Science, Seattle, WA 98104, VS.

Meer informatie:

Tokyo Instituut voor Technologie (Tokyo Tech) staat in de voorhoede van onderzoek en hoger onderwijs als de toonaangevende universiteit voor wetenschap en technologie in Japan. Tokyo Tech-onderzoekers blinken uit op gebieden variërend van materiaalkunde tot biologie, informatica en natuurkunde. Opgericht in 1881, herbergt Tokyo Tech meer dan 10,000 niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten per jaar, die zich ontwikkelen tot wetenschappelijke leiders en enkele van de meest gewilde ingenieurs in de industrie. De Tokyo Tech-gemeenschap belichaamt de Japanse filosofie van 'monotsukuri', wat 'technisch vernuft en innovatie' betekent, en streeft ernaar een bijdrage te leveren aan de samenleving door middel van hoogwaardig onderzoek.

Het Earth-Life Science Institute (ELSI) is een van de ambitieuze onderzoekscentra van World Premiere International in Japan, met als doel vooruitgang te boeken op breed interdisciplinaire wetenschappelijke gebieden door de grootste geesten van de wereld te inspireren om naar Japan te komen en samen te werken aan de meest uitdagende wetenschappelijke problemen. ELSI's primaire doel is om de oorsprong en co-evolutie van de aarde en het leven aan te pakken.

Het World Premier International Research Center Initiative (WPI) werd in 2007 gelanceerd door het ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en Technologie (MEXT) om te helpen bij het bouwen van wereldwijd zichtbare onderzoekscentra in Japan. Deze instituten promoten hoge onderzoeksnormen en uitstekende onderzoeksomgevingen die eerstelijnsonderzoekers van over de hele wereld aantrekken. Deze centra zijn in hoge mate autonoom, waardoor ze een revolutie teweeg kunnen brengen in de conventionele methoden van onderzoek en administratie in Japan.

Coinsmart. Beste Bitcoin-beurs in Europa
Bron: https://bioengineer.org/scientists-find-molecular-patterns-that-may-help-identify-extraterrestrial-life/

spot_img

Laatste intelligentie

spot_img