Wetenschappers hebben een methode ontwikkeld die kan vaststellen of een monster een biologische oorsprong heeft.

Van ziektes diagnosticeren en rechtspraak tot (te) levensechte chatbots en natuurkundige vergelijkingen. Kunstmatige intelligentie (AI) betekent een revolutie op bijna elk denkbaar gebied. Zo ook de astrobiologie. Dat hopen althans onderzoekers van het Carnegie Institute of Science. Zij komen met een veelbelovende AI-techniek – beschreven in Proceedings of the National Academy of Sciences – die de zoektocht naar leven een boost moet geven.

Lees ook:

• Zo denkt Google’s Bard over de opkomst van AI-chatbots
• Vijf keer: AI-programma spoort ziekte op
• Gaat AI een rol spelen in de rechtspraak?

Kán op leven duiden

Alle huidige methoden om leven op te sporen zijn gebaseerd op het identificeren van specifieke moleculen. Denk aan de bouwstenen van DNA (nucleïnezuren) en eiwitten (aminozuren), maar ook bepaalde organische (koolstofrijke) stoffen. Komen die voor in je monster, dan kun je met (vroeger) leven te maken hebben.

Maar eigenlijk is deze manier best lastig. “De biologische moleculen waarnaar gezocht wordt, zitten in het analysespectrum namelijk verborgen in een woud van pieken die afkomstig zijn van andere stoffen in hetzelfde monster”, legt astrobioloog Inge Loes Ten Kate van de Universiteit Utrecht uit.

Woud van pieken

Kortom, een betere biologische detectiemethode is nodig en het 7-koppige team onder leiding van James Cleaves en Robert Hazen denken dat AI daarbij de sleutel vormt. “Het idee is dat er subtiele verschillen zitten tussen het eerdergenoemde piekenwoud van een biologisch monster ten opzichte van een levenloos monster”, legt Ten Kate uit. “Een mens zou dit nooit kunnen zien in die enorme berg gegevens, maar een slim computeralgoritme wel.”

Maar hoe ontstaan die verschillen dan? Alle cellen bestaan grofweg uit een celmembraan (de ‘schil’ van de cel) en het cytosol (het spul binnenin). Die eerste is niet oplosbaar in water, de tweede wel. Als het organisme sterft, dan breekt de cel open en krijg je een mengsel van membraan en cytosol. Toch zullen de twee onderdelen, vanwege hun respectievelijke afstoting en aantrekking van water, dezelfde verdeling van moleculen houden.

Die moleculaire verdeling zorgt voor een specifiek woud van pieken op een analysespectrum. Alle levende cellen veroorzaken dus zo’n zelfde soort patroon. Iets niet-biologisch, zoals gesteente, bevat vaak maar weinig wateroplosbare onderdelen. Dit patroon van pieken is dus heel anders dan die van de cel.

Drie categorieën

Het AI-programma herkent dus die patroonverschillen. Maar niet zonder eerst training te krijgen. Dat deden Cleaves, Hazen en collega’s door de software de analysedata te geven van in totaal 134 bekende biologische en niet-biologische monsters. Die data werden vergaard door de monsters door een geavanceerd analyseapparaat (voor de liefhebbers: een pyrolyse-gaschromatografie-massaspectrometrie-opstelling) te halen.

Vervolgens kan het getrainde computeralgoritme van een onbekend monster met 90 procent zekerheid vaststellen in welke van de volgende drie categorieën het valt: levend biologisch, fossiel biologisch of niet-biologisch. De onderzoekers waren blij verrast dat de AI dus ook kon herkennen of iets vroeger heeft geleefd. De methode is met succes toegepast op een hele waslijst aan biologische en niet-biologische monsters, onder andere: schelpen, tanden, bladeren, insecten, rijst, oliën, harsen, trilobieten, diverse lab-chemicaliën en koolstofrijke meteorieten.

Echt fossiel of niet?

De AI-techniek biedt vele mogelijkheden. Zo is er al lange tijd discussie over wat nu het oudste fossiel ter wereld is. Sommige wetenschappers claimen dat het een fossiel van een bacterie uit de Apex Chert, een rotsformatie in de Pilbara-regio van Australië, is. Dit microfossiel zou maar liefst 3,5 miljard jaar oud zijn. Maar de bevinding wordt nogal in twijfel getrokken. Het zou namelijk ook een stuk gesteente in de vorm van een microbe kunnen zijn, ontstaan door een chemisch proces bij de vroegere onderzeese warmwaterbronnen op deze plek.

Het debat over de echtheid van het fossiel zou dankzij de nieuwe methode weleens definitief beslecht kunnen worden. En wat te denken van de zoektocht naar leven in buitenaardse oorden? Toekomstige missies naar Mars en de manen rondom Jupiter en Saturnus zouden de apparatuur kunnen meenemen om daar te speuren naar mogelijke levenstekens.

“Veelbelovende methode“

Dat is niet alles. De Marsrover Curiosity verzamelde in 2021 monsters op de rode planeet (zie foto boven dit artikel), waarover inmiddels heel wat analysedata is vergaard. Volgens het team van Cleaves en Hazen is het zelfs mogelijk om het AI-algoritme los te laten op deze gegevens om te kijken of er misschien iets biologisch tussen zit. De methode moet dan nog wel worden getweakt om te kunnen matchen met het Sample Analysis at Mars (SAM)-instrument van Curiosity. Maar het is een spannend vooruitzicht.

“Deze nieuwe methode lijkt inderdaad veelbelovend”, zegt Ten Kate. “Het bijbehorende analyseapparaat is ook een zeer makkelijk inzetbaar instrument voor ruimtemissies. Ik ben nu erg benieuwd naar de uitkomsten van vervolgonderzoek, want we hebben genoeg monsters waarover nog geen overeenstemming is of het nu leven is of niet. En met 90 procent betrouwbaarheid komen we mogelijk een flink stuk dichterbij.”

Bronnen: PNAS, Carnegie Science Earth and Planets Laboratory via EurekAlert!

Beeld: NASA/JPL-Caltech

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!