Los científicos han comenzado la búsqueda de vida extraterrestre en el sistema solar en serio, pero esa vida puede ser sutil o profundamente diferente de la vida en la Tierra, y los métodos basados ​​en la detección de moléculas particulares como biofirmas pueden no aplicarse a la vida con una historia evolutiva diferente. Un nuevo estudio realizado por un equipo conjunto con sede en Japón y EE. UU., dirigido por investigadores del Earth-Life Science Institute (ELSI) en el Instituto de Tecnología de Tokio, informa sobre una técnica de aprendizaje automático que evalúa mezclas orgánicas complejas utilizando espectrometría de masas para clasificarlas como biológicas o abiológicas.

En la temporada 1, episodio 29 de "Star Trek" ("Operación:¡Aniquilar!"), que se emitió en 1966, el personaje híbrido humano-vulcano Spock dice:"No es la vida como la conocemos o entendemos. Sin embargo, obviamente está viva; existe". Este episodio de ahora 55 años hace un punto:¿Cómo podemos detectar la vida si fundamentalmente no sabemos qué es la vida? y si esa vida es realmente diferente a 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 incluye escuchar señales de radio de civilizaciones avanzadas en el espacio profundo, buscando diferencias sutiles en la composición atmosférica de los planetas alrededor de otras estrellas, y tratando de medirlo directamente en muestras de suelo y hielo recolectadas usando naves espaciales en nuestro propio sistema solar. Esta última categoría les permite llevar su instrumentación analítica química más avanzada directamente a las muestras extraterrestres, y tal vez incluso traer algunas de las muestras a la Tierra, donde se puedan estudiar.

Misiones como el rover Perseverance de la NASA buscarán vida este año en Marte; Europa Clipper de la NASA, lanzamiento en 2024, intentará tomar muestras de hielo expulsado de la luna Europa de Júpiter, y su misión Dragonfly intentará aterrizar un "octacóptero" en la luna Titán de Saturno a partir de 2027. Todas estas misiones intentarán responder a la pregunta de si estamos solos.

La espectrometría de masas (MS) es una técnica principal en la que los científicos se basarán en las búsquedas de vida extraterrestre basadas en naves espaciales. La técnica puede medir simultáneamente multitud de compuestos presentes en muestras, y así proporcionar una especie de "huella digital" de su composición. Sin embargo, interpretar esas huellas dactilares puede ser complicado.

Lo mejor que pueden decir los científicos, toda la vida en la Tierra se basa en los mismos principios moleculares altamente coordinados, lo que da a los científicos la confianza de que toda la vida de la Tierra se deriva de un ancestro terrestre antiguo común. Sin embargo, en simulaciones de los procesos primitivos que los científicos creen que pueden haber contribuido al origen de la vida en la Tierra, A menudo se detectan muchas versiones similares pero ligeramente diferentes de las moléculas particulares que utiliza la vida terrestre. Es más, Los procesos químicos que ocurren naturalmente también pueden producir muchos de los componentes básicos de las moléculas biológicas.

Dado que todavía no tenemos muestras conocidas de vida extraterrestre, Esto deja a los científicos con una paradoja conceptual:¿la vida en la Tierra tomó algunas decisiones arbitrarias al principio de la evolución que estaban encerradas? y por lo tanto, ¿Se podría construir la vida de otra manera? ¿O deberíamos esperar que toda la vida en todas partes esté restringida exactamente de la misma manera que lo está en la Tierra? ¿Cómo podemos saber que la detección de un tipo de molécula en particular es indicativo de si fue o no producido por vida extraterrestre?

Durante mucho tiempo ha preocupado a los científicos que los sesgos hacia formas de vida similares a la vida en la Tierra podrían hacer que sus métodos de detección fallen. Vikingo 2, De hecho, arrojó resultados extraños de Marte en 1976. Algunas de las pruebas que realizó dieron señales consideradas positivas para la vida, pero las mediciones de la EM 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 por vida. Un problema relacionado ha plagado a los científicos que intentan detectar la evidencia más temprana de vida en la Tierra:¿Podemos decir si las señales detectadas en muestras terrestres antiguas son de los organismos vivos originales preservados en esas muestras? o derivado de la contaminación por organismos que actualmente ocupan 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 computacional combinado experimental y de aprendizaje automático. Usando MS de ultra alta resolución (una técnica conocida como espectrometría de masas por resonancia de ciclotrón de iones de transformada de Fourier (o FT-ICR MS)), midieron los espectros de masas de una amplia variedad de mezclas orgánicas complejas, incluidas las derivadas de muestras biológicas obtenidas en el laboratorio (de las que están bastante seguros de que no están vivas), mezclas orgánicas encontradas en meteoritos (que son muestras de ~ 4.500 millones de años de compuestos orgánicos producidos biológicamente que parecen no haber estado nunca vivos), microorganismos cultivados en laboratorio que se ajustan a todos los criterios modernos de la vida, incluidos los nuevos organismos microbianos aislados y cultivados por el coautor de ELSI, Tomohiro Mochizuki, y petróleo crudo, que se deriva de organismos que vivieron hace mucho tiempo en la Tierra, proporcionando un ejemplo de cómo la "huella dactilar" de organismos vivos conocidos podría cambiar a lo largo del tiempo geológico. Cada una de estas muestras contenía decenas de miles de compuestos moleculares discretos, que proporcionaba un gran conjunto de espectros de EM que podían compararse y clasificarse.

A diferencia de los enfoques que utilizan la precisión de las mediciones de MS para identificar cada pico con una molécula en particular en una mezcla orgánica compleja, en cambio, los investigadores agregaron sus datos y observaron las estadísticas generales y la distribución de señales. Mezclas orgánicas complejas, como los derivados de los seres vivos, petróleo, y muestras biológicas, presentan "huellas dactilares" muy diferentes cuando se ven de esta manera. Tales patrones son mucho más difíciles de detectar para un ser humano que la presencia o ausencia de tipos de moléculas individuales.

Los investigadores introdujeron sus datos sin procesar en un algoritmo de aprendizaje automático, y descubrió sorprendentemente que los algoritmos podían clasificar con precisión las muestras como vivas o no vivas con una precisión de ~ 95%. En tono rimbombante, lo hicieron después de simplificar considerablemente los datos sin procesar, por lo que es plausible que los instrumentos de menor precisión utilizados en las naves espaciales puedan obtener datos de resolución suficiente para permitir la precisión de clasificación biológica que obtuvo el equipo.

Las razones subyacentes de la precisión de la clasificación quedan por explorar, pero el equipo sugiere que se debe a las formas en que los procesos biológicos, que modifican los compuestos orgánicos de manera diferente a los procesos biológicos, se relacionan con los procesos que permiten que la vida se propague. Los procesos vivos tienen que hacer copias de sí mismos, mientras que los procesos biológicos no tienen un proceso interno que lo controle.

"Este trabajo abre muchas vías interesantes para el uso de espectrometría de masas de ultra alta resolución para 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 todos los picos de una mezcla química compleja, la amplia distribución de componentes puede contener patrones y relaciones que son informativos sobre el proceso por el cual esa mezcla surgió o se desarrolló. Si vamos a entender la química prebiótica compleja, necesitamos formas de pensar en términos de estos patrones generales:cómo surgen, lo que implican, y cómo cambian, en lugar de la presencia o ausencia de moléculas individuales. Este artículo es una investigación inicial sobre la viabilidad y los métodos de caracterización a ese nivel y muestra que incluso descartando las mediciones de masa de alta precisión, hay información significativa en la distribución de picos que se puede utilizar para identificar las muestras por el tipo de proceso que las produjo ".

El coautor Jim Cleaves de ELSI dice:"Este tipo de análisis relacional puede ofrecer amplias ventajas para buscar vida en el sistema solar, y quizás incluso en experimentos de laboratorio diseñados para recrear los orígenes de la vida ”. El equipo planea continuar con más estudios para comprender exactamente qué aspectos de este tipo de análisis de datos permiten una clasificación tan exitosa.