Как квантовые эффекты помогают искать жизнь в космосе
Международная группа ученых под руководством специалистов из Осакского университета создала компактный датчик для обнаружения биологических следов за пределами Земли. Исследование опубликовано в научном журнале Nature Communications. Главное преимущество новой разработки заключается в ее простоте и компактности по сравнению с громоздкими приборами, которые ученые использовали ранее.
В основе изобретения лежит анализ аминокислот, которые являются строительными блоками белков. Эти соединения имеют две зеркально противоположные формы – L-форму и D-форму. В научном мире эту пространственную ориентацию называют хиральностью. Соотношение между этими двумя формами указывает на то, как именно возникли молекулы: благодаря живым организмам или в результате обычных неорганических химических процессов.
Традиционно для такого исследования ученые используют жидкостную хромато-масс-спектрометрию. Однако подобное оборудование слишком громоздко, требует больших образцов и многоступенчатой химической подготовки, что создает значительные трудности для установки на лунные или марсианские аппараты. Новый чип работает совсем иначе: он использует две крошечные золотые нанопроволоки, разделенные минимальным расстоянием.
Между двумя нанопроволоками возникает электрический туннельный ток – квантовое явление, при котором электроны буквально просачиваются сквозь зазор. Когда раствор с аминокислотами попадает на микрочип, электрический ток изменяет свои характеристики. Эти колебания считывает и анализирует алгоритм машинного обучения, который мгновенно определяет тип молекулы.
Объединив нашу методику туннелирования через нанозазор с искусственным интеллектом, мы смогли различить L- и D-формы аминокислот с точностью более 80 процентов,
– прокомментировал биоинженер из Осакского университета Такахито Осиро.
Это открытие стало первым случаем в истории науки, когда исследователи смогли распознать хиральность аминокислот на уровне отдельной молекулы.
Свое устройство изобретатели испытали на реальных материалах высокой сложности.
Мы проанализировали природные образцы из метеорита Мерчисон в Австралии и образцы почвы из пустыни Атакама в Чили. Наш метод оказался сопоставимым с традиционными подходами, поскольку оба смогли выявить основные особенности аминокислотного состава,
– рассказал нанотехнолог из Осакского университета Масатеру Танигути.
Перспективы для межпланетных миссий
Хотя датчик не способен искать внеземную жизнь на большом расстоянии и требует непосредственного отбора образцов на месте, его скромные габариты открывают замечательные перспективы для космических исследований. Инженеры смогут устанавливать такие чипы на беспилотные марсоходы и межпланетные зонды, которым больше не понадобятся тяжелые лаборатории на борту.
Теперь авторам разработки предстоит научить алгоритмы машинного обучения распознавать неизвестные молекулы, с которыми датчик еще не сталкивался во время предыдущих лабораторных тестов. Помимо внеземных экспедиций, такая компактная наносистема пригодится и при проведении экспресс-химических исследований на Земле.