Gli scienziati hanno iniziato seriamente la ricerca di vita extraterrestre nel sistema solare, ma tale vita può essere sottilmente o profondamente diversa dalla vita terrestre, e metodi basati sul rilevamento di particolari molecole come biofirme potrebbero non essere applicabili a forme di vita con una storia evolutiva diversa. Un nuovo studio condotto da un team congiunto Giappone/USA, guidato da ricercatori dell'Earth-Life Science Institute (ELSI) presso il Tokyo Institute of Technology, rapporti su una tecnica di apprendimento automatico che valuta miscele organiche complesse utilizzando la spettrometria di massa per classificarle come biologiche o abiologiche.

Nella stagione 1, episodio 29 di "Star Trek" ("Operazione:Annientamento!"), andato in onda nel 1966, il personaggio ibrido umano-vulcano Spock dice, "Non è la vita come la conosciamo o la comprendiamo. Eppure è ovviamente viva; esiste". Questo episodio di 55 anni fa un punto:come possiamo rilevare la vita se fondamentalmente non sappiamo che cos'è la vita, e se quella vita fosse davvero diversa dalla vita come la conosciamo?

La domanda se siamo soli come esseri viventi nell'universo ha affascinato l'umanità per secoli, e l'umanità è alla ricerca di vita extraterrestre nel sistema solare sin dalla missione Viking 2 della NASA su Marte nel 1976. La ricerca della vita include l'ascolto di segnali radio da civiltà avanzate nello spazio profondo, cercando sottili differenze nella composizione atmosferica dei pianeti intorno ad altre stelle, e provando direttamente a misurarlo in campioni di suolo e ghiaccio raccolti utilizzando veicoli spaziali nel nostro sistema solare. Quest'ultima categoria consente loro di portare la loro strumentazione analitica chimica più avanzata direttamente su campioni extraterrestri, e forse anche riportare alcuni dei campioni sulla Terra, dove possono essere studiati.

Missioni come il rover Perseverance della NASA quest'anno cercheranno la vita su Marte; Europa Clipper della NASA, lancio nel 2024, cercherà di campionare il ghiaccio espulso dalla luna di Giove Europa, e la sua missione Dragonfly tenterà di far atterrare un "ottacottero" sulla luna di Saturno Titano a partire dal 2027. Queste missioni cercheranno tutte di rispondere alla domanda se siamo soli.

La spettrometria di massa (MS) è una tecnica principale su cui gli scienziati faranno affidamento nelle ricerche sulla vita extraterrestre basate su veicoli spaziali. La tecnica può misurare contemporaneamente una moltitudine di composti presenti nei campioni, e quindi fornire una sorta di "impronta digitale" della loro composizione. Tuttavia, interpretare quelle impronte digitali può essere complicato.

Per quanto gli scienziati possano dire, tutta la vita sulla Terra si basa sugli stessi principi molecolari altamente coordinati, che dà agli scienziati la certezza che tutta la vita sulla Terra derivi da un comune antico antenato terrestre. Però, nelle simulazioni dei processi primitivi che gli scienziati ritengono possano aver contribuito alle origini della vita sulla Terra, vengono spesso rilevate molte versioni simili ma leggermente diverse delle particolari molecole utilizzate dalla vita terrestre. Per di più, i processi chimici naturali sono anche in grado di produrre molti degli elementi costitutivi delle molecole biologiche.

Dal momento che non abbiamo ancora alcun campione noto di vita aliena, questo lascia gli scienziati con un paradosso concettuale:la vita sulla Terra ha fatto alcune scelte arbitrarie all'inizio dell'evoluzione che erano bloccate, e quindi, potrebbe la vita essere costruita diversamente, o dovremmo aspettarci che tutta la vita ovunque sia vincolata esattamente nello stesso modo in cui è sulla Terra? Come possiamo sapere che il rilevamento di un particolare tipo di molecola è indicativo del fatto che sia stato o meno prodotto dalla vita extraterrestre?

Da tempo preoccupa gli scienziati che i pregiudizi verso forme di vita simili alla vita sulla Terra potrebbero causare il fallimento dei loro metodi di rilevamento. Vichingo 2, infatti, ha restituito strani risultati da Marte nel 1976. Alcuni dei test che ha condotto hanno dato segnali considerati positivi per la vita, ma le misurazioni della SM non hanno fornito prove della vita come la conosciamo. Dati MS più recenti dal rover Mars Curiosity della NASA suggeriscono che ci sono composti organici su Marte, ma ancora non forniscono prove per la vita. Un problema correlato ha afflitto gli scienziati che tentano di rilevare le prime prove della vita sulla Terra:possiamo dire se i segnali rilevati negli antichi campioni terrestri provengono dagli organismi viventi originali conservati in quei campioni, o derivate dalla contaminazione da organismi che attualmente occupano il pianeta?

Gli scienziati dell'Earth-Life Science Institute presso il Tokyo Institute of Technology in Giappone e del National High Magnetic Field Laboratory (The National MagLab) negli Stati Uniti hanno affrontato questo problema utilizzando un approccio computazionale combinato sperimentale e di apprendimento automatico. Utilizzando MS ad altissima risoluzione (una tecnica nota come spettrometria di massa a risonanza ciclotronica ionica a trasformata di Fourier (o FT-ICR MS)), hanno misurato gli spettri di massa di un'ampia varietà di miscele organiche complesse, compresi quelli derivati ​​da campioni biologici realizzati in laboratorio (che sono abbastanza certi non siano viventi), miscele organiche trovate nei meteoriti (che sono campioni di ~ 4,5 miliardi di anni di composti organici prodotti biologicamente che sembrano non essere mai stati vivi), microrganismi coltivati ​​in laboratorio che si adattano a tutti i moderni criteri di vita, inclusi nuovi organismi microbici isolati e coltivati ​​dal coautore di ELSI Tomohiro Mochizuki, e petrolio greggio, che deriva da organismi vissuti molto tempo fa sulla Terra, fornendo un esempio di come l'"impronta digitale" di organismi viventi conosciuti potrebbe cambiare nel tempo geologico. Ciascuno di questi campioni conteneva decine di migliaia di composti molecolari discreti, che ha fornito un ampio set di spettri MS che potevano essere confrontati e classificati.

A differenza degli approcci che utilizzano l'accuratezza delle misurazioni MS per identificare ogni picco con una particolare molecola in una miscela organica complessa, i ricercatori hanno invece aggregato i loro dati e esaminato le statistiche generali e la distribuzione dei segnali. Miscele organiche complesse, come quelli derivati ​​da esseri viventi, petrolio, e campioni biologici, presentano "impronte digitali" molto diverse se viste in questo modo. Tali modelli sono molto più difficili da rilevare per un essere umano rispetto alla presenza o all'assenza di singoli tipi di molecole.

I ricercatori hanno inserito i loro dati grezzi in un algoritmo di apprendimento automatico, e sorprendentemente ha scoperto che gli algoritmi erano in grado di classificare accuratamente i campioni come viventi o non viventi con una precisione del 95% circa. È importante sottolineare che lo hanno fatto dopo aver semplificato notevolmente i dati grezzi, rendendo plausibile che strumenti di precisione inferiore utilizzati sui veicoli spaziali possano ottenere dati con una risoluzione sufficiente per consentire l'accuratezza della classificazione biologica ottenuta dal team.

Le ragioni alla base dell'accuratezza della classificazione restano da esplorare, ma il team suggerisce che è a causa dei modi in cui i processi biologici, che modificano i composti organici in modo diverso dai processi abiologici, riguardano i processi che consentono alla vita di propagarsi. I processi viventi devono fare copie di se stessi, mentre i processi biologici non hanno un processo interno che lo controlli.

"Questo lavoro apre molte strade entusiasmanti per l'utilizzo della spettrometria di massa ad altissima risoluzione per applicazioni astrobiologiche, ", afferma il coautore Huan Chen del National MagLab degli Stati Uniti.

L'autore principale Nicholas Guttenberg aggiunge, "Mentre è difficile se non impossibile caratterizzare ogni picco in una miscela chimica complessa, l'ampia distribuzione dei componenti può contenere modelli e relazioni che sono informativi sul processo mediante il quale quella miscela si è formata o si è sviluppata. Se vogliamo comprendere la complessa chimica dei prebiotici, abbiamo bisogno di modi di pensare in termini di questi modelli generali:come si verificano, cosa implicano, e come cambiano, piuttosto che la presenza o l'assenza di singole molecole. Questo documento è un'indagine iniziale sulla fattibilità e sui metodi di caratterizzazione a quel livello e mostra che anche scartando misurazioni di massa ad alta precisione, ci sono informazioni significative nella distribuzione dei picchi che possono essere utilizzate per identificare i campioni in base al tipo di processo che li ha prodotti."

Il coautore Jim Cleaves di ELSI afferma:"Questo tipo di analisi relazionale può offrire ampi vantaggi per la ricerca della vita nel sistema solare, e forse anche in esperimenti di laboratorio progettati per ricreare le origini della vita." Il team prevede di proseguire con ulteriori studi per capire esattamente quali aspetti di questo tipo di analisi dei dati consente una classificazione così efficace.