האם התקיימו חיים על מאדים ועל כוכבי לכת אחרים? אנחנו עשויים לדעת בקרוב באמצעות בינה מלאכותית

“הגביע הקדוש של האסטרוביולוגיה” – טכניקת למידת מכונה חדשה יכולה לקבוע האם דגימה היא ממקור ביולוגי או לא-ביולוגי בדיוק של 90%.

מדענים פיתחו שיטה חדשנית המבוססת על בינה מלאכותית לזיהוי סימני חיים על כוכבי לכת אחרים. שיטה זו, עם דיוק של 90%, והיא מבדילה בין דגימות ביולוגיות לבין דגימות לא-ביולוגיות על-ידי ניתוח דפוסים מולקולריים. היא מבטיחה לגרום למהפכה בחקר החלל ובהבנתנו את מקורות החיים, עם יישומים פוטנציאליים בתחומים שונים כולל ביולוגיה וארכיאולוגיה.

“הגביע הקדוש של האסטרוביולוגיה” – טכניקת למידת מכונה חדשה יכולה לקבוע האם דגימה היא ממקור ביולוגי או לא-ביולוגי בדיוק של 90%.

מדענים גילו מבחן פשוט ואמין לסימני חיים בעבר ובהווה על כוכבי לכת אחרים – “הגביע הקדוש של האסטרוביולוגיה”.

במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences, צוות בן שבעה חוקרים, במימון קרן ג’ון טמפלטון ובהובלת ג’ים קליבס ורוברט הייזן ממכון קרנגי למדע, דיווח כי שיטת הבינה המלאכותית שלהם הבדילה בין דגימות ביולוגיות מודרניות ועתיקות לבין אלה ממקור לא-ביולוגי, בדיוק של 90%.

מהפכה בחקר החלל ובמדעי כדור הארץ

“לשיטה האנליטית השגרתית הזו יש פוטנציאל לגרום למהפכה בחיפוש אחר חיים חוצניים ולהעמיק את ההבנה שלנו הן במקור החיים והן בכימיה של החיים המוקדמים ביותר על-פני כדור הארץ”, אומר ד”ר הייזן. “זה פותח את הדרך לשימוש בחיישנים חכמים על-גבי חלליות, נחתות ורוברים רובוטיים כדי לחפש סימני חיים לפני שהדגימות חוזרות לכדור הארץ”.

באופן הכי מיידי, המבחן החדש יכול לחשוף את ההיסטוריה של סלעים עתיקים מסתוריים על-פני כדור הארץ, ואולי גם זו של דגימות שכבר נאספו על-ידי מכשיר ניתוח הדגימות על מאדים (SAM) של רובר הסקר נחיתת “ההתמדה” על מאדים.

“נצטרך להתאים את השיטה שלנו לפרוטוקולים של SAM, אבל ייתכן שכבר יש בידינו נתונים כדי לקבוע האם יש מולקולות על מאדים מהביוספרה המאדימאית האורגנית”.

נקודות מפתח מהמחקר החדש

“החיפוש אחר חיים חוצניים נותר אחד המאמצים החשובים ביותר במדע המודרני”, אומר החוקר הראשי ג’ים קליבס ממעבדת כדור-הארץ והכוכבים, במכון קרנגי למדע, וושינגטון די.סי.

“למחקר החדש הזה יש השלכות רבות, אבל יש שלוש נקודות עיקריות: ראשית, כימיה אורגנית ביולוגית שונה מכימיה אורגנית שאינה ביולוגית; שנית, אנחנו יכולים להסתכל על דגימות ממאדים ומכדור-הארץ העתיק ולגלות אם הן היו פעם חיות; ושלישית, סביר להניח שהשיטה החדשה הזאת תוכל להבדיל ביוספרות של כדור-הארץ לבין ביוספרות חלופיות, עם השלכות משמעותיות עבור משימות אסטרוביולוגיות עתידיות”.

התפקיד של בינה מלאכותית בהבחנה בין דגימות ביוטיות לאביוטיות

השיטה האנליטית החדשנית אינה מסתמכת פשוט על זיהוי מולקולה ספציפית או קבוצת תרכובות בדגימה.

במקום זאת, החוקרים הראו שבינה מלאכותית יכולה להבדיל בין דגימות ביוטיות לאביוטיות על-ידי זיהוי הבדלים עדינים בתבניות המולקולריות של הדגימה כפי שהן נחשפות על-ידי ניתוח כרומטוגרפיית גז פירוליזה (המפרידה ומזהה את מרכיבי הדגימה), ולאחר מכן על-ידי ספקטרומטריית מסות (הקובעת את המשקלים המולקולריים של אותם מרכיבים).

נתונים נרחבים רבי-ממדים מניתוחים מולקולריים של 134 דגימות פחמן-עשירות, ידועות כאביוטיות או ביוטיות, שימשו לאימון בינה מלאכותית כך שתוכל לנבא את מקורה של דגימה חדשה. בינה מלאכותית זיהתה בהצלחה בדיוק של כ-90%, דגימות שמקורן ביצורים חיים, כגון קונכיות, שיניים, עצמות, חרקים, עלים, אורז, שיער אנושי ותאים השמורים בסלעים דקי-גרגיר; שאריות של חיים עתיקים שעברו עיבוד גיאולוגי (למשל פחם, נפט, ענבר ומאובנים עשירים בפחמן), או דגימות ממקור אביוטי, כגון חומרים כימיים טהורים ממעבדה (למשל חומצות אמינו) ומטאוריטים עשירים בפחמן.

המחברים מוסיפים כי עד כה היה קשה לקבוע את מקורן של דגימות פחמן-עתיקות רבות מכיוון שאוספים של מולקולות אורגניות, בין אם ביוטיות ובין אם אביוטיות, נוטים להתפרק עם הזמן.

להפתעתם, למרות התפרקות ושינוי משמעותיים, השיטה האנליטית החדשה גילתה סימנים של ביולוגיה ששרדו במקרים מסוימים לאורך מאות מיליוני שנים.

פענוח הכימיה של החיים והפוטנציאל לתגליות עתידיות

אומר ד”ר רוברט הייזן ממכון קרנגי למדע: “התחלנו עם הרעיון שהכימיה של החיים שונה מהותית מזו של העולם הדומם; שישנם “כללים כימיים של החיים” המשפיעים על המגוון והתפוצה של ביומולקולות. אם נוכללאפיין את הכללים האלה, נוכל להשתמש בהם כדי לכוון את מאמצינו למדל את מקורות החיים או לזהות סימני חיים עדינים בעולמות אחרים”.

“משמעות התוצאות האלה היא שייתכן שנוכל למצוא צורת חיים מכוכב לכת אחר, מביוספרה אחרת, גם אם היא שונה מאוד מהחיים שאנו מכירים על כדור-הארץ. אם נמצא סימני חיים במקומות אחרים, נוכל לדעת אם החיים על כדור-הארץ וכוכבי לכת אחרים מקורם משותף או שונה”.

“במילים אחרות, השיטה צריכה להיות מסוגלת לזהות ביוכימיה חייזרית, כמו גם חיים על כדור-הארץ. זה עניין גדול מכיוון שקל יחסית לזהות את הסמנים הביולוגיים המולקולריים של החיים בכדור-הארץ, אך איננו יכולים להניח שחיים חייזריים ישתמשו בדנ”א, חומצות אמינו וכו’. השיטה שלנו מחפשת דפוסים בהתפלגות מולקולרית הנובעים מדרישת החיים למולקולות “פונקציונליות”.

“מה שהדהים אותנו באמת היה שאימנו את מודל למידת המכונה שלנו לחזות רק שני סוגי דגימות – ביוטי או אביוטי – אבל השיטה גילתה מעצמה שלוש אוכלוסיות נפרדות: אביוטית, ביוטית חיה וביוטית מאובנת. במילים אחרות, היא יכולה להבחין בין דגימות ביולוגיות עכשוויות לבין דגימות מאובנים – עלה או ירק שזה עתה נקטף, למשל, לעומת משהו שמת לפני זמן רב. הממצא המפתיע הזה נותן לנו אופטימיות שאפשר להבחין גם בתכונות אחרות כמו חיים פוטוסינתטיים או איקריוטיים (תאים עם גרעין)”.

יכולות הניתוח של בינה מלאכותית בחשיפת דפוסים מורכבים

כדי להסביר את תפקידה של הבינה המלאכותית, אחד ממחברי המחקר, אנירוד פראבהו, ממכון קרנגי למדע, משתמש ברעיון של הפרדת מטבעות באמצעות תכונות שונות – ערך כספי, מתכת, שונה, משקל או רדיוס, למשל – ואז הולך רחוק יותר כדי למצוא שילובים של תכונות שיוצרות הפרדות והקבצות בעלי ניואנסים רבים יותר. “כאשר מאות תכונות כאלה מעורבות, אלגוריתמים של בינה מלאכותית הם יקרי ערך כדי לאסוף את המידע וליצור תובנות בעלות ניואנסים גבוהים”.

מוסיף ד”ר קליבס: “מנקודת מבט כימית, ההבדלים בין דגימות ביוטיות ואביוטיות קשורים לדברים כמו מסיסות מים, משקלים מולקולריים, תנודתיות וכן הלאה”.

“הדרך הפשוטה שבה הייתי חושב על זה היא שלתא יש קרום ופנים, שנקראים ציטוזול; בדרך כלל הממברנה היא בלתי מסיסה במים, בעוד שתכולת התא היא מסיסה במים. סידור זה שומר על הממברנה מורכבת כשהיא מנסה למזער את המגע של מרכיביה עם מים, וגם שומר על ‘הרכיבים הפנימיים’ מפני דליפה על-פני הממברנה”.
“המרכיבים הפנימיים יכולים גם להישאר מומסים במים למרות היותם מולקולות גדולות מאוד כמו כרומוזומים וחלבונים”, הוא אומר.

“לכן, אם מפרקים תא או רקמה חיים למרכיביהם, מקבלים תערובת של מולקולות מסיסות מאוד במים ומולקולות בלתי מסיסות במים המפוזרות על-פני ספקטרום. דברים כמו נפט ופחם איבדו את רוב החומר המסיס במים במהלך ההיסטוריה הארוכה שלהם”.

“לדגימות א-ביולוגיות יכולות להיות התפלגות ייחודית על-פני הספקטרום הזה ביחס זו לזו, אך הן גם נבדלות מההתפלגות הביולוגית”.

משקעים שחורים בני 3.5 מיליארד שנה

הטכניקה עשויה לפתור בקרוב מספר תעלומות מדעיות על-פני כדור-הארץ, כולל מקורם של משקעים שחורים בני 3.5 מיליארד שנה ממערב אוסטרליה. סלעים אלו שנויים במחלוקת חריפה, שחלק מהחוקרים טוענים שהם מחזיקים את המיקרובים המאובנים העתיקים ביותר בכדור-הארץ, בעוד שאחרים טוענים שהם נטולי סימני חיים.

דגימות אחרות מסלעים עתיקים בצפון קנדה, דרום אפריקה וסין מעוררות ויכוחים דומים.

“אנחנו מיישמים את השיטות שלנו עכשיו כדי לענות על השאלות ארוכות השנים האלה לגבי הביוגניות של החומר האורגני בסלעים האלה”, אומר הייזן.

רעיונות חדשים הועלו לגבי התרומות הפוטנציאליות של גישה חדשה זו בתחומים אחרים כגון ביולוגיה, פליאונטולוגיה וארכיאולוגיה.

“אם בינה מלאכותית יכולה להבחין בקלות בין ביוטי לא-ביוטי, כמו גם בין מודרני לחיים הקדומים, אז אילו תובנות נוספות נוכל להשיג? למשל, האם נוכל לברר אם לתא מאובן קדום היה גרעין, או שהוא היה פוטוסינתטי?”, אומר ד”ר הייזן.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• רכבי המאדים עלולים להפגע מסופות אבק
• הפיסיקה שמאחורי הכדורגל
• נאס”א מכריזה על שיגור שני לוויינים למדידת שדה המשיכה על הירח