Les scientifiques ont sérieusement commencé à rechercher une vie extraterrestre dans le système solaire, mais une telle vie peut être subtilement ou profondément différente de la vie terrestre, et les méthodes basées sur la détection de molécules particulières en tant que biosignatures peuvent ne pas s'appliquer à la vie avec une histoire évolutive différente. Une nouvelle étude réalisée par une équipe conjointe Japon/États-Unis, dirigé par des chercheurs du Earth-Life Science Institute (ELSI) du Tokyo Institute of Technology, rend compte d'une technique d'apprentissage automatique qui évalue des mélanges organiques complexes à l'aide de la spectrométrie de masse pour les classer comme biologiques ou abiologiques.

Dans la saison 1, épisode 29 de "Star Trek" ("Opération:Annihilate!"), diffusé en 1966, le personnage hybride humain-vulcain Spock dit, "Ce n'est pas la vie telle que nous la connaissons ou la comprenons. Pourtant, elle est manifestement vivante, elle existe." Cet épisode vieux de 55 ans montre un point :comment pouvons-nous détecter la vie si nous ne savons fondamentalement pas ce qu'est la vie, et si cette vie est vraiment différente de la vie telle que nous la connaissons ?

La question de savoir si nous sommes seuls en tant qu'êtres vivants dans l'univers fascine l'humanité depuis des siècles, et l'humanité recherche une vie extraterrestre dans le système solaire depuis la mission Viking 2 de la NASA sur Mars en 1976. La recherche de la vie comprend l'écoute des signaux radio des civilisations avancées dans l'espace lointain, à la recherche de différences subtiles dans la composition atmosphérique des planètes autour d'autres étoiles, et en essayant directement de le mesurer dans des échantillons de sol et de glace collectés à l'aide d'engins spatiaux dans notre propre système solaire. Cette dernière catégorie leur permet d'apporter directement leur instrumentation d'analyse chimique la plus avancée sur des échantillons extraterrestres, et peut-être même ramener certains des échantillons sur Terre, où ils peuvent être étudiés.

Des missions telles que le rover Perseverance de la NASA chercheront la vie cette année sur Mars; Europa Clipper de la NASA, lancement en 2024, va essayer de prélever de la glace éjectée de la lune Europe de Jupiter, et sa mission Dragonfly tentera de faire atterrir un "octacopter" sur la lune Titan de Saturne à partir de 2027. Ces missions tenteront toutes de répondre à la question de savoir si nous sommes seuls.

La spectrométrie de masse (MS) est une technique principale sur laquelle les scientifiques s'appuieront dans les recherches de vie extraterrestre à partir d'engins spatiaux. La technique permet de mesurer simultanément une multitude de composés présents dans les échantillons, et fournissent ainsi une sorte d'« empreinte » de leur composition. Néanmoins, l'interprétation de ces empreintes digitales peut être délicate.

Pour autant que les scientifiques puissent le dire, toute vie sur Terre est basée sur les mêmes principes moléculaires hautement coordonnés, ce qui donne aux scientifiques l'assurance que toute la vie sur Terre est dérivée d'un ancien ancêtre terrestre commun. Cependant, dans les simulations des processus primitifs qui, selon les scientifiques, pourraient avoir contribué aux origines de la vie sur Terre, de nombreuses versions similaires mais légèrement différentes des molécules particulières utilisées par la vie terrestre sont souvent détectées. Par ailleurs, les processus chimiques naturels sont également capables de produire de nombreux éléments constitutifs des molécules biologiques.

Comme nous n'avons toujours pas d'échantillon connu de vie extraterrestre, cela laisse les scientifiques avec un paradoxe conceptuel :la vie sur Terre a-t-elle fait des choix arbitraires au début de l'évolution qui ont été verrouillés, Et ainsi, La vie pourrait-elle être construite autrement, ou devrions-nous nous attendre à ce que toute vie, partout, soit contrainte exactement de la même manière qu'elle l'est sur Terre ? Comment pouvons-nous savoir que la détection d'un type de molécule particulier indique s'il a été ou non produit par la vie extraterrestre ?

Cela a longtemps troublé les scientifiques que les préjugés envers des formes de vie similaires à la vie terrestre pourraient faire échouer leurs méthodes de détection. Viking 2, En réalité, a renvoyé des résultats étranges de Mars en 1976. Certains des tests qu'il a effectués ont donné des signaux considérés comme positifs pour la vie, mais les mesures MS n'ont fourni aucune preuve de la vie telle que nous la connaissons. Des données MS plus récentes du rover Mars Curiosity de la NASA suggèrent qu'il y a des composés organiques sur Mars, mais ils ne fournissent toujours pas de preuves pour la vie. Un problème connexe a tourmenté les scientifiques qui tentent de détecter les premières preuves de la vie sur Terre :pouvons-nous dire si les signaux détectés dans d'anciens échantillons terrestres proviennent des organismes vivants d'origine conservés dans ces échantillons ? ou dérivé d'une contamination par des organismes qui occupent actuellement la planète ?

Des scientifiques du Earth-Life Science Institute de l'Institut de technologie de Tokyo au Japon et du National High Magnetic Field Laboratory (The National MagLab) aux États-Unis ont abordé ce problème en utilisant une approche informatique combinée expérimentale et d'apprentissage automatique. En utilisant la MS ultra-haute résolution (une technique connue sous le nom de spectrométrie de masse à résonance cyclotron ionique à transformée de Fourier (ou FT-ICR MS)), ils ont mesuré les spectres de masse d'une grande variété de mélanges organiques complexes, y compris ceux dérivés d'échantillons biologiques prélevés en laboratoire (dont ils sont pratiquement certains qu'ils ne sont pas vivants), les mélanges organiques trouvés dans les météorites (qui sont des échantillons de ~ 4,5 milliards d'années de composés organiques produits biologiquement qui semblent n'avoir jamais été vivants), des micro-organismes cultivés en laboratoire qui répondent à tous les critères de vie modernes, y compris de nouveaux organismes microbiens isolés et cultivés par le co-auteur d'ELSI, Tomohiro Mochizuki, et le pétrole brut, qui est dérivé d'organismes qui ont vécu il y a longtemps sur Terre, fournissant un exemple de la façon dont l'« empreinte digitale » d'organismes vivants connus pourrait changer au cours du temps géologique. Ces échantillons contenaient chacun des dizaines de milliers de composés moléculaires discrets, qui a fourni un large éventail de spectres MS qui pouvaient être comparés et classés.

Contrairement aux approches qui utilisent la précision des mesures MS pour identifier chaque pic avec une molécule particulière dans un mélange organique complexe, les chercheurs ont plutôt agrégé leurs données et examiné les statistiques générales et la distribution des signaux. Mélanges organiques complexes, tels que ceux dérivés des êtres vivants, pétrole, et des échantillons biologiques, présentent des "empreintes digitales" très différentes lorsqu'elles sont vues de cette manière. De tels modèles sont beaucoup plus difficiles à détecter pour un humain que la présence ou l'absence de types de molécules individuelles.

Les chercheurs ont introduit leurs données brutes dans un algorithme d'apprentissage automatique, et a étonnamment découvert que les algorithmes étaient capables de classer avec précision les échantillons comme vivants ou non vivants avec une précision d'environ 95 %. Surtout, ils l'ont fait après avoir considérablement simplifié les données brutes, ce qui rend plausible que les instruments de moindre précision utilisés sur les engins spatiaux pourraient obtenir des données d'une résolution suffisante pour permettre la précision de classification biologique obtenue par l'équipe.

Les raisons sous-jacentes de l'exactitude de la classification restent à explorer, mais l'équipe suggère que c'est à cause de la façon dont les processus biologiques, qui modifient les composés organiques différemment des processus biologiques, se rapportent aux processus qui permettent à la vie de se propager. Les processus vivants doivent faire des copies d'eux-mêmes, tandis que les processus biologiques n'ont aucun processus interne contrôlant cela.

"Ce travail ouvre de nombreuses voies passionnantes pour l'utilisation de la spectrométrie de masse à ultra-haute résolution pour des applications astrobiologiques, ", déclare le co-auteur Huan Chen du US National MagLab.

L'auteur principal Nicholas Guttenberg ajoute :« Bien qu'il soit difficile, voire impossible, de caractériser chaque pic d'un mélange chimique complexe, la large distribution des composants peut contenir des modèles et des relations qui renseignent sur le processus par lequel ce mélange s'est formé ou s'est développé. Si nous voulons comprendre la chimie prébiotique complexe, nous avons besoin de façons de penser en termes de ces grands schémas - comment ils se produisent, ce qu'ils impliquent, et comment ils changent, plutôt que la présence ou l'absence de molécules individuelles. Cet article est une première enquête sur la faisabilité et les méthodes de caractérisation à ce niveau et montre que même en rejetant les mesures de masse de haute précision, il existe des informations importantes dans la distribution des pics qui peuvent être utilisées pour identifier les échantillons par le type de processus qui les a produits. »

Le co-auteur Jim Cleaves d'ELSI déclare :"Ce type d'analyse relationnelle peut offrir de larges avantages pour la recherche de la vie dans le système solaire, et peut-être même dans des expériences de laboratoire conçues pour recréer les origines de la vie. » L'équipe prévoit de poursuivre avec d'autres études pour comprendre exactement quels aspects de ce type d'analyse de données permettent une telle classification réussie.