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KI erkennt Signatur des Lebens

Entstehung und Entwicklung von Leben, Wahrscheinlichkeit für extraterrestrisches Leben
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KI erkennt Signatur des Lebens

Beitrag von Frank » 26. Sep 2023, 19:56

Echte Lebensspuren oder nicht? Bei organischen Molekülen ist bisher nur schwer feststellbar, ob sie biologischen oder nichtbiologischen Ursprungs sind – das gilt auch für den Mars und andere außerirdische Probenstellen. Jetzt haben Forschende ein KI-basiertes Analysesystem entwickelt, das echte molekulare Lebensspuren erstmals mit rund 90-prozentiger Sicherheit identifizieren kann. Das eröffnet neue Möglichkeiten für die Fahndung nach außerirdischem Leben auf anderen Planeten, aber auch für die eindeutige Zuordnung frühester Mikrofossilien auf der Erde.
https://www.scinexx.de/news/biowissen/k ... es-lebens/
Und tatsächlich: Das KI-System identifizierte signifikante Unterschiede zwischen den verschiedenen Probenkategorien. Anhand der Anteile verschiedener Analyseprodukte konnte der lernfähige Algorithmus die 39 nicht im Training verwendeten Testproben weitgehend korrekt zuordnen. In einem zweiten Test lag die Treffsicherheit für alle 134 Proben bei 90 Prozent wie das Team berichtet. „Dies ist ein wichtiger Fortschritt in unserer Fähigkeit, biochemische Lebenssignaturen zu erkennen – auch auf anderen Welten“, so Hazen.
Zwar können all diese Moleküle theoretisch auch durch nichtbiologische Prozesse entstehen. Die Verteilung der verschiedenen Molekülklassen differiert aber deutlich von der der biologischen Proben, wie das Team erklärt. „Dies bestätigt, dass sich die Biochemie auf fundamentaler Ebene von der abiotischen organischen Chemie unterscheidet“, sagt Cleaves.
Wenn ich jetzt noch verstanden hätte, was sich genau auf fundamentaler Ebene unterscheidet...... :wn:
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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Re: KI erkennt Signatur des Lebens

Beitrag von Diagnostiker » 26. Sep 2023, 20:16

Ich schreibe morgen mal etwas dazu. Im Artikel steht, dass es die Molekülmischung macht, ob etwas biogen ist oder nicht. Das betrifft das Verhältnis wasserlöslicher Moleküle zu nicht wasserlöslichen Molekülen, das Verhältnis von chiralen Molekülen zu nichtchiralen (D-Zucker und L-Aminosäuren z.B.) sowie die auftretenden Molekülklassen. Der Fachartikel liegt hinter einer Bezahlschranke, aber die Supports sind frei zugänglich. Auch daraus lässt sich einiges entnehmen, was die Molekülzusammensetzung betrifft.

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Re: KI erkennt Signatur des Lebens

Beitrag von seeker » 27. Sep 2023, 15:21

In dieses Umfeld passt auch folgende Veröffentlichung von 2021 rein:

Identifying molecules as biosignatures with assembly theory and mass spectrometry
(Moleküle als Biosignaturen mit Assemblierungstheorie und Massenspektrometrie identifizieren )
https://www.nature.com/articles/s41467-021-23258-x

Dieser Artikel sollte öffentlich zugänglich sein.
Es wird dort auch schön über Grundieen dahinter und dabei zu bewältigende Schwierigkeiten berichtet.

Daraus der Abtract (übersetzt):
Abstrakt

Die Suche nach außerirdischem Leben ist schwierig, da wir nicht wissen, welche Signaturen für das Leben einzigartig sind. Wir zeigen, warum in großer Zahl vorkommende komplexe Moleküle universelle Biosignaturen sind und demonstrieren das erste intrinsische, experimentell nachvollziehbare Maß für die molekulare Komplexität, den sogenannten Molecular Assembly Index (MA). Dazu berechnen wir die Komplexität von mehreren Millionen Molekülen und validieren, dass ihre Komplexität experimentell durch Massenspektrometrie bestimmt werden kann. Dieser Ansatz ermöglicht es uns, molekulare Biosignaturen aus einer Reihe verschiedener Proben aus der ganzen Welt, dem Weltraum und dem Labor zu identifizieren und zu demonstrieren, dass es möglich ist, ein auf MA basierendes Lebendetektionsexperiment aufzubauen, das an außerirdischen Orten eingesetzt und dort eingesetzt werden könnte eine Komplexitätsskala zur Quantifizierung der Einschränkungen, die zur Steuerung präbiotisch plausibler Prozesse im Labor erforderlich sind. Ein solcher Ansatz ist von entscheidender Bedeutung, um Leben anderswo im Universum zu finden oder im Labor De-novo-Leben zu schaffen.
Auszug aus der Einführung (übersetzt):
Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, stellten wir die Hypothese auf, dass die sehr komplexen Moleküle, die in jedem biochemischen System hergestellt werden, von denen unterschieden werden könnten, die in einem nicht-biochemischen System hergestellt werden 6 . Dies liegt daran, dass lebende Systeme offenbar in einzigartiger Weise in der Lage sind, eine große Fülle komplexer Moleküle zu produzieren, die für abiotische Systeme unzugänglich sind 7 , wobei die nach den Regeln der Chemie zulässige Anzahl kleiner organischer Moleküle praktisch unendlich ist.
Dass man dann so etwas mit einer KI (= Mustererkennersoftware) kombiniert, ist naheliegend und spannend.
Grüße
seeker


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Re: KI erkennt Signatur des Lebens

Beitrag von Frank » 27. Sep 2023, 16:55

seeker hat geschrieben:
27. Sep 2023, 15:21

Dass man dann so etwas mit einer KI (= Mustererkennersoftware) kombiniert, ist naheliegend und spannend.
Toll ist auch, dass es wohl nicht schwer ist, Curiosity dafür zu nutzen, weil Hard und Software wohl vorhanden sind
Noch bedeutender könnte die Methode aber für die Suche nach außerirdischem Leben sein – beispielsweise auf dem Mars. Die SAM-Analysemodule der beiden Mars-Rover Curiosity und Perseverance nutzen bereits das dafür nötige Pyr-GC-EI-MS-Verfahren. „Wir müssen unsere Methode ein wenig an die SAM-Protokolle anpassen, aber wir könnten von ihnen schon die nötigen Daten haben, um festzustellen, ob es auf dem Mars Moleküle biologischen Ursprungs gibt“, sagt Cleaves. Dies könnte endlich klären, ob es auf dem Mars jemals Leben gegeben hat oder vielleicht sogar noch gibt.
https://www.scinexx.de/news/biowissen/k ... es-lebens/

Und vielen Dank für den Nature Artikel ;th
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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Re: KI erkennt Signatur des Lebens

Beitrag von Diagnostiker » 27. Sep 2023, 20:03

Leider wird es bei mir doch noch etwas dauern, da mich die Pirola-Variante des Coronavrus' erwischt hat und ichmich erst mal auskurieren muss. Nächste Woche vielleicht ... 🤧

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Re: KI erkennt Signatur des Lebens

Beitrag von Frank » 27. Sep 2023, 22:17

Diagnostiker hat geschrieben:
27. Sep 2023, 20:03
Leider wird es bei mir doch noch etwas dauern, da mich die Pirola-Variante des Coronavrus' erwischt hat und ichmich erst mal auskurieren muss. Nächste Woche vielleicht ... 🤧
Gute Besserung :slow:
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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Re: KI erkennt Signatur des Lebens

Beitrag von Diagnostiker » 28. Sep 2023, 10:08

Hallo Frank,

Danke für die Besserungswünsche!

Hier ist zumindest erst mal die neunseitige Liste der Proben, die man hat untersuchen lassen:

https://www.pnas.org/doi/suppl/10.1073/ ... 0.sapp.pdf

Die Abkürzungen in der rechten Spalte der Tabelle besagen A = abiogen und B = biogen.

Wie schon erwähnt, geht es um die Zusammensetzung der Proben. Während Meteoriten zwar eine Vielzahl von Aminosäuren aufweisen können (über 60), trifft das auf biogenes Material nur eingeschränkt zu (nur 20 proteinogene Aminosäuren). Die Chiralität in biogenem Material ist bei Aminosäuren durchweg linksdrehend, während in abiogenem Material die Aminosäuren überwiegend racemisch sind (zur Hälfte linksdrehend und zur Hälfte rechtsdrehend). Lebewesen selektieren also aus dem racemischen Material nur eine chirale Variante.

Analog trifft das auf Zuckerbestandteile zu. Biogene Zucker sind rechtsdrehend. Dann liegt die mengenmäßige Verteilung der enthaltenen Stoffe in bestimmten Proportionen vor. Während in abiogenem Material Fettsäuren, Aminosäuren und Zucker sehr stark variierend vorliegen und z.T. einige Bestandteile gar nicht aufweisen, finden sich in biogenem Material stets größere Anteile dieser drei Bestandteile. Auch die Zersetzungsprodukte in Kohle oder Erdöl ergeben sich über diese Proportionen, so dass die KI lebendes von fossilem Material unterscheiden konnte, ohne dafür vorher eigens programmiert worden zu sein.

So weit vielleicht erst mal ein kurzer Einblick. Genauere Details ergeben sich vielleicht über die Kenntnis des Artikels, nachdem er aus der Bezahlschranke fällt (meist 1 Jahr nach Veröffentlichung bei PNAS).

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Re: KI erkennt Signatur des Lebens

Beitrag von Frank » 9. Okt 2023, 11:04

Hoffe dir geht es inzwischen wieder besser. :)
Diagnostiker hat geschrieben:
28. Sep 2023, 10:08


Wie schon erwähnt, geht es um die Zusammensetzung der Proben. Während Meteoriten zwar eine Vielzahl von Aminosäuren aufweisen können (über 60), trifft das auf biogenes Material nur eingeschränkt zu (nur 20 proteinogene Aminosäuren). Die Chiralität in biogenem Material ist bei Aminosäuren durchweg linksdrehend, während in abiogenem Material die Aminosäuren überwiegend racemisch sind (zur Hälfte linksdrehend und zur Hälfte rechtsdrehend). Lebewesen selektieren also aus dem racemischen Material nur eine chirale Variante.

Analog trifft das auf Zuckerbestandteile zu. Biogene Zucker sind rechtsdrehend. Dann liegt die mengenmäßige Verteilung der enthaltenen Stoffe in bestimmten Proportionen vor. Während in abiogenem Material Fettsäuren, Aminosäuren und Zucker sehr stark variierend vorliegen und z.T. einige Bestandteile gar nicht aufweisen, finden sich in biogenem Material stets größere Anteile dieser drei Bestandteile. Auch die Zersetzungsprodukte in Kohle oder Erdöl ergeben sich über diese Proportionen, so dass die KI lebendes von fossilem Material unterscheiden konnte, ohne dafür vorher eigens programmiert worden zu sein.

Ich fasse mal für den Laien zusammen.

Endlich(wahrscheinlich) habe ich verstanden, wo das genaue Problem liegt.
Es nützt also gar nichts, wenn man z.B. Aminosäuren überall im Weltalle nachweist, z.B. auch in Meteoriten, da sie zwar wichtige Bestandteile des Lebens sind, aber selbiges sucht sich aus, was es verwertet(und wie). Das alleinige Vorkommen lässt also keine Rückschlüsse auf Leben zu?

Man tappt also (fast)völlig im Dunkeln, warum lebende Materie, diese Unterscheidungen treffen kann.
Und nun kann es die KI auch, ohne speziell darauf programmiert worden zu sein(Macht einem alleine schon Kopfzerbrechen ).

Im Kern müssen wir also herausfinden, warum Lebewesen aus dem racemischen Material nur eine chirale Variante selektieren.
Warum sie überhaupt selektieren?

Wahrscheinlich habe ich nur Unsinn geschrieben , aber ich finde das mega spannend. :sp:
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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Re: KI erkennt Signatur des Lebens

Beitrag von Diagnostiker » 9. Okt 2023, 17:41

Hallo Frank,
Hoffe dir geht es inzwischen wieder besser.
Na ja, es geht so, aber es ist noch nicht völlig weg.
Das alleinige Vorkommen lässt also keine Rückschlüsse auf Leben zu?
Nein, Aminosäuren oder RNA-Basen allein reichen nicht aus, um als Lebensnachweis zu dienen.
Man tappt also (fast)völlig im Dunkeln, warum lebende Materie, diese Unterscheidungen treffen kann.
Na ja, homochirale Moleküle haben den Vorteil, dass man sie umgehend in die Polymere einbauen kann, wenn z.B. Proteine synthetisiert werden. Aus stereochemischen Gründen werden homochirale Moleküle selektiert. Anderenfalls würden sich die Ketten anders falten und die Makromoleküle könnten ihre Funktion z.B. als Enzym nicht ausführen. Die Konzentration auf eine einzelne Sorte von Aminosäuren (also entweder L-Aminosäuren oder D-Aminosäuren - auf der Erde sind es L-Aminosäuren) reduziert den Aufwand, aus einem racemischen Gemisch von Aminosäuren, die jeweils passende heraussuchen zu müssen, um sie danach im Polymer zu verbauen.

Wenn nur noch L-Aminosäuren zur Auswahl stehen, genügt es, die Seitengruppen zu erkennen, während bei einer Verwendung von D- und L-Aminosäuren zusätzlich noch die Chiralität erkannt werden muss. Das verdoppelt dann den Aufwand an spezifischen Proteinen zur Erkennung einer bestimmten Aminosäure. Der Grund für die Selektion von homochiralen Molekülen ist also das Finden eines energetischen Minimums an Aufwand zur Reproduktion der für die Lebenserscheinungen notwendigen Makromoleküle.
Und nun kann es die KI auch ...
Die KI erkennt bei aktuell lebenden Organismen die Verwendung von homochiralen Molekülen und bei fossilen Lebensresten die anteilige Verteilung spezifischer Moleküle, wenn ich das richtig verstanden habe, die aus der Zersetzung von lebendem Material hervorgehen.
Im Kern müssen wir also herausfinden, warum Lebewesen aus dem racemischen Material nur eine chirale Variante selektieren.
Warum sie überhaupt selektieren?
Wie gesagt, der Grund, warum das so ist, ist bekannt - it's the economy stupid ... ;j

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Re: KI erkennt Signatur des Lebens

Beitrag von Frank » 10. Okt 2023, 09:06

Diagnostiker hat geschrieben:
9. Okt 2023, 17:41


Wie gesagt, der Grund, warum das so ist, ist bekannt - it's the economy stupid ... ;j
Hach und ich hatte mir eingebildet, ich wäre endlich drauf gekommen, nach was wir suchen müssen..... :? :lol:
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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Re: KI erkennt Signatur des Lebens

Beitrag von seeker » 10. Okt 2023, 09:32

Ich würde die Sache nach meinem Verständnis so ausdrücken:
Frank hat geschrieben:
9. Okt 2023, 11:04
Es nützt also gar nichts, wenn man z.B. Aminosäuren überall im Weltalle nachweist, z.B. auch in Meteoriten, da sie zwar wichtige Bestandteile des Lebens sind, aber selbiges sucht sich aus, was es verwertet(und wie). Das alleinige Vorkommen lässt also keine Rückschlüsse auf Leben zu?
Es nützt schon etwas, aber das reicht noch nicht ganz aus, bzw. kann man nach solchen Befunden immer noch nicht ganz sicher sagen, ob die gefundenen Moleküle abiotisch oder biotisch entstanden sind.
Frank hat geschrieben:
9. Okt 2023, 11:04
Im Kern müssen wir also herausfinden, warum Lebewesen aus dem racemischen Material nur eine chirale Variante selektieren.
Warum sie überhaupt selektieren?
Nicht einmal unbedingt, dazu weiß man schon einiges, mehr lässt ich natürlich immer herausfinden.
So gibt es z.B. einen Symmetriebruch, wenn biotische Prozesse im Spiel sind (wie Diagnostiker schon angesprochen hat):
Es gibt bei vielen Molekülen eine Händigkeit (Stereoisomerie): Spiegelbilder desselben Moleküls (so wie sich rechte und linke Hand unterscheiden).
Nun ist es aber so, dass abiotische Prozesse meistens beide Varianten solcher Moleküle gleichermaßen erzeugen, biotische Prozesse aber nicht (diese produzieren meist nur eine der beiden Varianten).
Solche Dinge gibt es nicht nur bei der Stereoisomerie, sondern auch bei weiteren Unterscheidungsmerkmalen zwischen Molekülen.

Siehe dazu auch (das erste Bild dort anschauen reicht eigentlich schon):
https://de.wikipedia.org/wiki/Isomerie
Ich sage an der Stelle gerne: Chemie ist hier wie Lego! :)


D.h.:
Wenn man irgendein Stoffgemisch untersucht/ analysiert, dann bekommt man sozusagen einen "Fingerabdruck" davon:
Was ist in der Probe enthalten? In welchem Mengenverhältnis? Was ist nicht in der Probe enthalten? usw.
Man muss bedenken: In einer beliebigen Probe können tausende verschiedener Verbindungen enthalten sein, die möglichen Variationen im nachweisbaren Megenverhältnis gehen dann logischerweise schnell in die Milliarden und darüber hinaus und wenn man dann noch die Isomere berücksichtigt, wird die Zahl der möglichen Kombinationen astronomisch groß. Erschwerend kommt noch hinzu, dass eine Probe auch teils biotisch, teils abiotisch entstandene Moleküle enthalten kann.

Und an der Stelle kann man nun entweder Menschen drauf ansetzen, die verschiedenen chemischen Fingerabdrücke nach "biotisch" und "abiotisch" zu sortieren oder man lässt den Computer dabei mittels einfacher Algorithmen mithelfen oder man setzt gleich eine KI darauf an, weil die das wohl inzwischen am besten, schnellsten und billigsten kann (oder bald können wird).

Um die KI zu trainieren gibt man ihr zunächst Proben, wo wir schon wissen, dass die Probe entweder biotischen oder abiotischen Ursprungs ist (z.B. eine Erdölprobe vs eine Probe synthetisches Ölgemisch oder eine abiotisch entstandene Gesteinsprobe vs eine biotisch entstandene, usw.).

(Übrigens: Man kann über solche Analysen auch nachweisen, wo, in welcher Mine das Gold abgebaut wurde oder die Diamanten, die in einem beliebigen Schmuckstück verbaut wurden, um z.B. herauszufinden, ob es sich um "blutige Diamanten" handelt. Dort nicht einmal über Isomere, sondern ganz einfach schon über die Elementverhältnisse in den Proben, die ja immer Verunreinigungen enthalten oder Legierungen sind.)
Grüße
seeker


Wissenschaft ... ist die Methode, kühne Hypothesen aufstellen und sie der schärfsten Kritik auszusetzen, um herauszufinden, wo wir uns geirrt haben.
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