Les scientifiques peuvent-ils détecter la vie sans savoir à quoi elle ressemble ?

Les scientifiques peuvent-ils détecter la vie sans savoir à quoi elle ressemble ? La recherche utilisant l’apprentissage automatique offre une nouvelle perspective. 

Une étude de : Amirali Aghazadeh, professeur adjoint de génie électrique et informatique, Georgia Institute of Technology

Lorsque les scientifiques de la NASA ont ouvert le conteneur de retour d'échantillons de la mission OSIRIS-REx fin 2023, ils ont fait une découverte étonnante.

01 Photo – échantillon Osiris.

La poussière et les roches recueillies sur l'astéroïde Bennu contenaient de nombreux éléments constitutifs de la vie , notamment les cinq bases nucléiques de l'ADN et de l'ARN, 14 des 20 acides aminés présents dans les protéines, ainsi qu'une riche variété d'autres molécules organiques. Composées principalement de carbone et d'hydrogène, elles constituent souvent la base des réactions chimiques du vivant.

Depuis des décennies, les scientifiques prédisent que les premiers astéroïdes auraient pu apporter sur Terre les ingrédients de la vie, et ces découvertes semblaient constituer une preuve prometteuse.

Plus surprenant encore, ces acides aminés de Bennu se répartissaient presque également entre les formes « lévogyres » et « dextrogyres ». Les acides aminés existent sous deux formes symétriques, comme nos mains gauche et droite, appelées formes chirales.

Sur Terre, la quasi-totalité du vivant nécessite les formes lévogyres. Si les scientifiques avaient constaté une forte prédominance de formes lévogyres dans Bennu, cela aurait suggéré que l'asymétrie moléculaire de la vie aurait pu être directement héritée de l'espace. Or, le mélange quasi égal observé indique une autre explication : la préférence de la vie pour les formes lévogyres est probablement apparue plus tard, par des processus terrestres, plutôt que d'être inscrite dans la matière apportée par les astéroïdes.

02 - Photo : Une molécule « chirale » est une molécule qui n'est pas superposable à son image miroir, même en la faisant pivoter.
NASA

Si les roches spatiales peuvent transporter des ingrédients familiers mais pas la « signature » chimique que laisse la vie, alors identifier les véritables signes de la vie devient extrêmement compliqué.

Ces découvertes soulèvent une question plus fondamentale, qui devient d'autant plus urgente que de nouvelles missions ciblent Mars, ses lunes et les mondes océaniques de notre système solaire : comment les chercheurs détectent-ils la vie lorsque la chimie à elle seule présente des caractéristiques « vivantes » ? Si des matériaux inanimés peuvent produire des mélanges riches et organisés de molécules organiques, alors les critères traditionnels de reconnaissance du vivant pourraient ne plus suffire.

En tant que chercheuse en sciences computationnelles spécialisée dans l'étude des signatures biologiques, je suis directement confrontée à ce défi. Dans mes travaux en astrobiologie, je cherche à déterminer, lors de l'exploration d'autres planètes, si un ensemble de molécules s'est formé par une géochimie complexe ou par une biologie extraterrestre.

Dans une nouvelle étude publiée dans la revue PNAS Nexus, mes collègues et moi avons développé un cadre d'analyse appelé Life Tracer pour tenter de répondre à cette question. Au lieu de rechercher une molécule ou une structure unique prouvant la présence de vie, nous avons cherché à déterminer la probabilité que des mélanges de composés préservés dans les roches et les météorites contiennent des traces de vie, en examinant leurs profils chimiques complets.

Identification des biosignatures potentielles

L'idée fondamentale de notre modèle est que la vie produit des molécules fonctionnelles, contrairement à la chimie abiotique. Les cellules doivent stocker de l'énergie, construire des membranes et transmettre des informations. La chimie abiotique, issue de processus chimiques non vivants, même abondante, obéit à des règles différentes car elle n'est pas façonnée par le métabolisme ou l'évolution.

Les approches traditionnelles de biosignature se concentrent sur la recherche de composés spécifiques, tels que certains acides aminés ou structures lipidiques, ou de préférences chirales, comme la gaucherie.

Ces signaux peuvent être puissants, mais ils reposent entièrement sur les schémas moléculaires utilisés par la vie sur Terre. Si nous supposons que la vie extraterrestre utilise la même chimie, nous risquons de passer à côté d'une biologie similaire – mais non identique – à la nôtre, ou d'identifier à tort une chimie inerte comme un signe de vie.

Les résultats de l'étude de Bennu mettent en évidence ce problème. L'échantillon d'astéroïde contenait des molécules apparentées à la vie, pourtant rien à l'intérieur ne semble avoir été vivant.

Afin de réduire le risque d'interpréter ces molécules comme des signes de vie, nous avons constitué un ensemble de données unique de matières organiques, situé précisément à la frontière entre le vivant et le non-vivant. Nous avons utilisé des échantillons provenant de huit météorites riches en carbone, qui conservent la chimie abiotique du système solaire primitif, ainsi que dix échantillons de sols et de sédiments terrestres, contenant des vestiges de molécules biologiques issues d'une vie passée ou présente. Chaque échantillon contenait des dizaines de milliers de molécules organiques, dont beaucoup étaient présentes en faible abondance et dont la structure n'a pu être entièrement identifiée.

Au Centre de vol spatial Goddard de la NASA, notre équipe de scientifiques a broyé chaque échantillon, ajouté un solvant et l'a chauffé pour en extraire les composés organiques – un procédé comparable à l'infusion du thé. Ensuite, nous avons récupéré le « thé » contenant les composés organiques extraits et l'avons fait passer à travers deux colonnes de filtration qui ont permis de séparer le mélange complexe de molécules organiques. Enfin, les composés organiques ont été introduits dans une chambre où ils ont été bombardés d'électrons jusqu'à leur fragmentation.

Traditionnellement, les chimistes utilisent ces fragments de masse comme des pièces de puzzle pour reconstituer chaque structure moléculaire, mais la présence de dizaines de milliers de composés dans chaque échantillon représentait un défi.

LifeTracer

LifeTracer propose une approche unique de l'analyse de données : elle fonctionne en prenant en compte les éléments fragmentés du puzzle et en les analysant pour trouver des schémas spécifiques, plutôt que de reconstruire chaque structure.

Cette méthode caractérise les fragments de météorites par leur masse et deux autres propriétés chimiques, puis les organise dans une grande matrice décrivant l'ensemble des molécules présentes dans chaque échantillon. Elle entraîne ensuite un modèle d'apprentissage automatique à distinguer les météorites des matériaux terrestres de la surface de la Terre, en fonction du type de molécules présentes dans chacun.

L'une des formes les plus courantes d'apprentissage automatique est l'apprentissage supervisé. Il consiste à utiliser de nombreuses paires entrée-sortie comme exemples et à apprendre une règle permettant de passer de l'entrée à la sortie. Même avec seulement 18 exemples, LifeTracer a obtenu des résultats remarquables, distinguant systématiquement les origines abiotiques des origines biotiques.

Pour LifeTracer, l'important n'était pas la présence d'une molécule spécifique, mais la distribution globale des signatures chimiques de chaque échantillon. Les échantillons de météorites contenaient généralement davantage de composés volatils – ils s'évaporent ou se désagrègent plus facilement – ​​ce qui reflétait le type de chimie le plus courant dans l'environnement froid de l'espace.

Photo 03 - Cette figure présente les composés identifiés par LifeTracer, mettant en évidence les fragments moléculaires les plus prédictifs permettant de distinguer les échantillons abiotiques des échantillons biotiques. Les composés en rouge sont liés à la chimie abiotique, tandis que les composés en bleu sont liés à la chimie biotique.
Saeedi et al., 2025 , CC BY-NC-ND

Certains types de molécules, appelées hydrocarbures aromatiques polycycliques, étaient présents dans les deux groupes, mais présentaient des différences structurales marquées que le modèle a pu identifier. Un composé soufré, le 1,2,4-trithiolane, s'est révélé être un marqueur pertinent des échantillons abiotiques, tandis que les matériaux terrestres contenaient des produits issus de processus biologiques.

Ces découvertes suggèrent que la distinction entre la vie et la non-vie ne se résume pas à un seul indice chimique, mais à l'organisation d'un ensemble de molécules organiques. En privilégiant l'étude des schémas plutôt que les hypothèses sur les molécules que la vie « devrait » utiliser, des approches comme LifeTracer ouvrent de nouvelles perspectives pour l'analyse des échantillons rapportés par les missions sur Mars , ses lunes Phobos et Deimos , Europe (lune de Jupiter) et Encelade (lune de Saturne) .

Photo 04 - Capsule de retour d'échantillons de l'astéroïde Bennu utilisée lors de la mission OSIRIS-REx.
Keegan Barber/NASA via AP

Les futurs échantillons contiendront probablement des mélanges de composés organiques d'origines multiples, certaines biologiques et d'autres non. Au lieu de nous fier uniquement à quelques molécules connues, nous pouvons désormais évaluer si le paysage chimique global ressemble davantage à un processus biologique qu'à une géochimie aléatoire.

LifeTracer n'est pas un détecteur de vie universel. Il fournit plutôt une base pour l'interprétation de mélanges organiques complexes. Les découvertes concernant Bennu nous rappellent que des réactions chimiques compatibles avec la vie sont peut-être répandues dans le système solaire, mais que la chimie seule ne suffit pas à définir la biologie.

Pour faire la différence, les scientifiques auront besoin de tous les outils que nous pouvons construire – non seulement de meilleurs engins spatiaux et instruments, mais aussi de méthodes plus intelligentes pour déchiffrer les histoires inscrites dans les molécules qu'ils ramèneront sur Terre.

Cet article est republié de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l' article original .