Теперь можно искать микробов на Марсе и спутниках Юпитера?
В истории Земли существуют огромные периоды, о которых известно крайне мало. Чем древнее порода, тем сильнее она успела измениться под воздействием давления, химических реакций, нагрева и процессов, происходящих при движении литосферных плит. Эти изменения стирают первичные признаки биологических систем, оставляя исследователей без надёжных ориентиров. В породах, существовавших раньше примерно чем 2 миллиарда лет назад, степень преобразования настолько велика, что они не сохранили первоначальное строение. Поэтому любые маркеры, потенциально созданные живыми организмами, выглядят смазанными и неоднозначными.
Группа специалистов из нескольких подразделений Университета Джонса Хопкинса утверждает, что сумела продвинуться дальше прежних границ и обнаружить способы различать биологические сигналы в породах возрастом до 3,3 миллиарда лет. В статье авторы описывают алгоритм, который отличает органические соединения, сформированные химическими реакциями без участия живых систем, от молекул, связанных с метаболизмом древних микробов. По оценке исследователей, обнаруженные результаты вдвое увеличивают временной промежуток, в котором возможно уверенно распознавать биомолекулярные признаки на основании химических фрагментов. Ранее рекордным считался возраст порядка 1,6 миллиарда лет.
Дополнительным результатом работы стали признаки фотосинтеза в породах возрастом 2,5 миллиарда лет. Предыдущие подтверждения появления этого процесса относились к эпохе, наступившей примерно на 800 миллионов лет позже. Авторы считают, что полученная методика способна помочь в поиске следов биологических процессов на Марсе и на ледяных спутниках газовых гигантов, где под поверхностью могут скрываться слоистые океаны.
Важно и то, что подобные исследования не обязательно требуют доставки образцов на Землю. Один из авторов работы, астрофизик Майкл Вонг из института Карнеги, подчёркивает, что описанный подход может работать непосредственно на Марсе. То есть определённые признаки можно анализировать прямо на месте, используя прибор, способный нагревать образец и фиксировать фрагменты молекул.
По мнению Кэрин Ллойд из Университета Южной Калифорнии, которая не участвовала в этом проекте, методика интересна тем, что не опирается на предположения, характерные именно для земных экосистем. Такой подход якобы формируется на основе большого набора молекул из известных источников: от органики современных организмов до веществ из метеоритов. Поэтому модель способна рассматривать породы с неизвестной историей без строгих предварительных ограничений, что важно как для анализа древних пород Земли, так и для исследования образцов с других планет.
Распространённые окаменелости, вроде скелетов животных или отпечатков древних растений, дают лишь представление о последних 10% истории планеты. Для каждого периода продолжительностью около 500 миллионов лет, когда уже существовали многоклеточные организмы, приходится почти 9 раз по столько же времени, заполненного микробными сообществами, оставлявшими лишь отдельные химические следы наподобие липидов и аминокислот. Именно такие молекулы чаще всего исчезают при движении пород в глубинных слоях коры.
Отдельные молекулы со временем разрушаются и становятся недоступными для прямого анализа. Поэтому задача состоит в выделении общих структур, возникающих при распаде биологических систем. Можно сравнить новую схему с алгоритмами, которые восстанавливали текст на обугленных свитках из Геркуланума. Для неподготовленного наблюдателя эти изображения выглядят как пятна и надрывы, но компьютер способен выделять закономерности и распознавать недостающие элементы.
Команда собрала более 400 образцов. Часть из них представляла собой современные материалы, другая часть включала древние породы, некоторые содержали ископаемые микроорганизмы или остатки многоклеточных, а в некоторых присутствовали только органические соединения без явных структур биологического происхождения. В набор также вошли вещества из космических тел, где любая биологическая активность исключена. Образцы нагревали в приборе Py GC MS, который разлагает материал на фрагменты, превращает его в газ и сортирует по массе и другим характеристикам. В результате каждая порода получала уникальную «химическую карту», где фиксировались десятки тысяч, а иногда сотни тысяч пиков, соответствующих различным соединениям.
Данные разделили на 2 части: основную и проверочную. Первую использовали для обучения алгоритма, вторую — для оценки точности. После обработки оставшихся образцов система выявила происхождение соединений с вероятностью выше 90 процентов. Однако уровень уверенности снижался по мере увеличения возраста пород и степени разрушения содержащихся молекул. Для образцов старше 2,5 миллиарда лет модель фиксировала биологический след менее чем в половине случаев и с более низкой степенью достоверности.
Несмотря на это, самые древние образцы из Южной Африки дали наиболее весомые результаты. В породах возрастом 3,3 миллиарда лет из формации Josefsdal Chert, представляющей собой древний кремнистый слой, система выявила следы биологических процессов. А в образцах возрастом 2,5 миллиарда лет из формации Gamohaan были обнаружены химические признаки раннего кислородного фотосинтеза. Эти слои уже изучались другими методами, поэтому новые данные органично дополняют существующее представление об их истории. Добавление молекулярного анализа заметно усиливает аргументы, которые ранее строились на изотопных и геохимических наблюдениях. Один из авторов, геоинформатик Анируд Прабху, подчёркивает, что в проверочный набор вошли образцы, вокруг которых на протяжении многих лет возникали научные споры. Модель продемонстрировала независимые прогнозы, которые в ряде случаев совпали с оценками, обсуждавшимися разными специалистами.
Некоторые результаты оказались неожиданными. ИИ указал на признаки фотосинтеза в современной раковине, которая не имеет отношения к процессам, проходящим в живых клетках. Ошибка объяснялась наличием водорослей, разросшихся на её поверхности. Аналогичная ситуация возникла с осиным гнездом. Алгоритм связал его с древесиной, которую насекомые измельчают для строительства. Оказалось, что вывод корректен, но причина, по которой он был сделан, лежит в иной плоскости.
Геохимик Линда Кэ из Теннесси считает проведённое исследование впечатляющим примером анализа больших массивов данных. По её словам, методика поднимает несколько вопросов. Среди них есть проблема различения максимально древних образцов: возможно, существует фундаментальная граница, за которой невозможно выделить следы биологической активности. Либо наоборот — ранние слои просто содержат больше соединений, возникших без участия микробов, потому что жизнь ещё не успела распространиться по доступным нишам.
Исследователи планируют расширить набор пород, чтобы проверить модель на материалах ещё более глубоких периодов и на более широком спектре внеземельных образцов. Некоторые межпланетные аппараты, вроде марсианского ровера Curiosity, уже оснащены приборами Py GC MS, поэтому возможность экспериментальной проверки в другой части Солнечной системы выглядит вполне реальной.