Kada su znanstvenici NASA-e krajem 2023. otvorili spremnik s uzorcima koje je na Zemlju donijela misija OSIRIS-REx, dočekalo ih je iznenađenje. Prašina i stijene prikupljene s asteroida Bennu sadržavale su niz molekula koje se smatraju temeljnim sastavnicama života, ali bez jasnog znaka da je ondje ikada postojao biološki proces.
Analiza uzoraka pokazala je prisutnost svih pet nukleobaza koje se koriste u DNK i RNA, kao i 14 od 20 aminokiselina koje čine proteine. Uz njih je pronađen i bogat skup drugih organskih molekula, uglavnom izgrađenih od ugljika i vodika, koje često tvore kemijsku osnovu života. Takvi rezultati uklapaju se u dugogodišnje pretpostavke da su rani asteroidi mogli dopremiti osnovni materijal za nastanak života na Zemlju.
No jedno otkriće posebno je privuklo pozornost istraživača. Aminokiseline iz Bennua bile su gotovo ravnomjerno raspodijeljene između takozvanih lijevih i desnih oblika. Te molekule postoje u dvjema zrcalnim konfiguracijama, slično ljudskim rukama, a ta se osobina naziva kiralnost. Na Zemlji gotovo sav poznati život koristi isključivo lijevoruke oblike. Da je u uzorku pronađen izražen višak lijevih aminokiselina, to bi upućivalo na mogućnost da je biološka asimetrija naslijeđena iz svemira. Umjesto toga, gotovo savršena ravnoteža sugerira drukčiji scenarij. Sklonost života prema lijevorukim molekulama vjerojatno se razvila kasnije, kroz procese na Zemlji, a nije bila unaprijed zapisana u materijalu koji su donijeli asteroidi.
Takav nalaz dodatno komplicira potragu za životom izvan Zemlje. Ako svemirska tijela mogu nositi poznate kemijske sastojke, ali ne i prepoznatljiv trag biologije, postaje nejasno kako pouzdano razlikovati neživu kemiju od one koju je oblikovao život.
Kada kemija počne nalikovati životu
Ta dilema postaje sve važnija kako se planiraju nove misije prema Marsu, njegovim mjesecima te oceanima skrivenim ispod ledenih površina Europa i Enkelada. Ako neživi procesi mogu proizvesti složene i organizirane smjese organskih molekula, tradicionalni pokazatelji života možda više nisu dovoljni.
Tim se pitanjem bavi Amirali Aghazadeh, docent elektrotehnike i računalnog inženjerstva na Georgia Institute of Technology. U svom astrobiološkom radu Aghazadeh i suradnici istražuju kako razlikovati smjese molekula nastale složenim geokemijskim procesima od onih koje bi mogle upućivati na izvanzemaljski život.
U novoj studiji objavljenoj u časopisu PNAS Nexus Aghazadeh i njegov tim predstavili su analitički okvir nazvan LifeTracer. Umjesto potrage za jednom “dokaznom” molekulom ili strukturom, LifeTracer procjenjuje vjerojatnost da smjese spojeva očuvane u stijenama i meteoritima sadrže tragove života, analizirajući cjelokupne kemijske obrasce koje te smjese nose.
Obrasci umjesto pojedinačnih molekula
Temeljna ideja LifeTracera polazi od razlike između biologije i nežive kemije. Život proizvodi molekule s funkcijom. Stanice moraju pohranjivati energiju, graditi membrane i prenositi informacije. Neživi kemijski procesi, koliko god bili bogati, ne slijede ista pravila jer nisu oblikovani metabolizmom ni evolucijom.
Dosadašnji pristupi traženju biopotpisa uglavnom su se usredotočavali na specifične spojeve, poput određenih aminokiselina ili lipida, ili na kiralne sklonosti, primjerice prevlast lijevih oblika. Takvi signali mogu biti snažni, ali se u potpunosti oslanjaju na kemijske obrasce života kakav poznajemo na Zemlji. Time se riskira da se previdi život koji je sličan, ali ne identičan zemaljskom, ili da se neživa kemija pogrešno protumači kao biološka.
Rezultati s Bennua jasno ilustriraju taj problem. Uzorci sadrže molekule poznate biologiji, ali nema dokaza da je ondje ikada postojao život.
Kako bi smanjili taj rizik, Aghazadeh i suradnici sastavili su jedinstven skup podataka koji obuhvaća materijale na samoj granici između života i neživog. Analizirali su osam ugljikom bogatih meteorita koji čuvaju abiotičku kemiju ranog Sunčeva sustava te deset uzoraka tla i sedimentnih materijala sa Zemlje, koji sadrže razgrađene ostatke bioloških molekula iz sadašnjeg ili prošlog života. Svaki uzorak sadržavao je desetke tisuća organskih spojeva, od kojih su mnogi bili prisutni u vrlo malim količinama, a brojnima se struktura nije mogla u potpunosti odrediti.
U Centru za svemirske letove Goddard znanstvenici su svaki uzorak usitnili, dodali otapalo i zagrijali kako bi izdvojili organske spojeve. Dobiveni ekstrakt potom je proveden kroz dva kromatografska stupca, čime je razdvojena složena smjesa organskih molekula. Nakon toga spojevi su uvedeni u analitičku komoru, gdje su izloženi elektronskom udaru i razlomljeni na manje fragmente radi daljnje analize.
U klasičnoj kemiji ti se fragmenti koriste kao dijelovi slagalice za rekonstrukciju pojedinih molekula. No kod uzoraka s desecima tisuća spojeva takav pristup postaje iznimno zahtjevan.
LifeTracer se zato ne bavi rekonstrukcijom svake strukture. Sustav analizira fragmente prema njihovoj masi i dvama dodatnim kemijskim svojstvima te ih organizira u veliku matricu koja opisuje skup molekula u svakom uzorku. Na temelju tih podataka trenira se model strojnog učenja koji uči razlikovati meteorite od materijala sa Zemljine površine prema općem kemijskom profilu.
Pristup nadziranog učenja
Primijenjen je pristup nadziranog učenja, u kojem se algoritmu daju primjeri ulaza i očekivanih ishoda kako bi naučio pravilo koje ih povezuje. Iako je model treniran na samo 18 uzoraka, LifeTracer je dosljedno razdvajao abiotičko i biotičko podrijetlo materijala.
Presudna nije bila prisutnost jedne određene molekule, nego raspodjela kemijskih obilježja u cijeloj smjesi. Uzorci meteorita sadržavali su veći udio hlapljivih spojeva, koji lakše isparavaju ili se raspadaju, što odražava kemiju tipičnu za hladno svemirsko okruženje. Policiklički aromatski ugljikovodici pojavili su se u obje skupine, ali s jasno razlikovnim strukturnim značajkama koje je model prepoznao. Spoj koji sadrži sumpor, 1,2,4-tritiolan, istaknuo se kao snažan pokazatelj abiotičkih uzoraka, dok su zemaljski materijali pokazivali produkte nastale kroz biološke procese.
Rezultati upućuju na to da razlika između biološkog i abiotičkog podrijetla ne proizlazi iz pojedinačnog kemijskog signala, nego iz strukture i organizacije cijelog skupa organskih molekula. Takav pristup, kakav primjenjuje LifeTracer, otvara mogućnost sustavne analize uzoraka s Marsa, njegovih mjeseca Phobosa i Deimosa, te s Europa i Enkelada, bez oslanjanja na pretpostavke temeljene isključivo na zemaljskoj biologiji.
Budući uzorci vjerojatno će sadržavati mješavine organskih spojeva iz različitih izvora, bioloških i abiotičkih. Umjesto oslanjanja na nekoliko poznatih molekula, sada je moguće procijeniti nalikuje li cjelokupni kemijski krajolik više biologiji ili slučajnoj geokemiji.
Važno je anpomenuti da LifeTracer nije univerzalni detektor života. Ali predstavlja temelj za tumačenje složenih organskih smjesa. Nalazi s Bennua podsjećaju da kemija pogodna za život može biti raširena u Sunčevu sustavu, ali da sama po sebi ne znači i postojanje biologije. Razlikovanje ta dva svijeta zahtijevat će ne samo naprednije letjelice i instrumente, nego i pametnije načine čitanja priča zapisanih u molekulama koje se donose natrag na Zemlju
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
