Hlubší známky života

Když v roce 1976 dorazily na povrch Marsu dva přistávací moduly NASA Viking, přistály s jemným žuchnutím. Při výšce 7 stop, délce 10 stop a hmotnosti kolem 1 300 kg vypadaly tyto sondy – první americká mise, která úspěšně přistála na povrchu Marsu – jako přerostlé tabletové brouky.

To, co leželo před nimi, byla rezavá, prašná pustina posetá kameny pod hnědooranžovou oblohou, na hony vzdálená rušným mimozemským metropolím, jak je líčili spisovatelé science fiction a filmy. Vědci nikdy neočekávali mimozemská města, ale tušili, že by se v marťanské půdě mohly skrývat kolonie mikrobiálních mimozemšťanů. Oba moduly byly vybaveny třemi automatickými přístroji pro detekci života, z nichž každý inkuboval vzorek z povrchu a zkoumal vzduch nad ním na přítomnost molekul, jako je oxid uhličitý, který by mohl indikovat fotosyntézu, nebo metan, který by mohli produkovat mikrobi při metabolismu živin dodaných moduly.

Jeden z přístrojů zaznamenal pozitivní signál. Experiment s uvolňováním značek, který sledoval radioaktivní uhlík při jeho přechodu od stravitelného cukru ke strávenému oxidu uhličitému, zaznamenal výmluvnou známku živých, metabolizujících mikrobů.

Dva další experimenty však signál nezaznamenaly.

Titulek obrázku: Když sondy NASA Viking pořídily snímky povrchu Marsu, ukázaly pustou zemi plnou kamení a prachu.

Obrázek: NASA/JPL/Johns Hopkins APL

Tento možná-objev vyvolal debatu, která trvá dodnes, přičemž zastánci trvají na tom (a nový výzkum naznačuje), že tento pozitivní signál mohlo vyslat pouze něco živého.

Ale stejně jako mnozí ve vědecké komunitě zůstává Kate Craftová, planetární vědkyně z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, skeptická. „Byl to dobrý experiment, ale byl velmi omezený v tom, co byl schopen zjistit,“ prohlásila.“

Především experimenty Viking předpokládaly, že mikrobi na Marsu budou jíst živiny, které jim poskytneme, což nemusí být nutně pravda. A i kdyby tomu tak bylo, stále je těžké věřit jen jednomu důkazu. „Vždy chceme mít pozitivní výsledky na více signaturách,“ řekla.“

Ještě problematičtější však je, že vědci v té době nevěděli, že povrch Marsu je pokryt perchlorečnanovými solemi, minerály obsahujícími chlor a kyslík, které podle experimentů mohou při zahřátí ničit organické molekuly a mikroby – vytvářejí plynný chlor, který sondy Viking ve skutečnosti detekovaly. Nikdo o těchto solích nevěděl až do roku 2008, kdy je objevil přistávací modul NASA Phoenix.

Pro Craftovou a jejího kolegu Chrise Bradburna, biologa a vedoucího vědeckého pracovníka APL, mise Vikingů zdůraznily monstrózní výzvu, které vědci čelí, když chtějí definitivně říci, že jsme našli život na jiném světě. Záleží na typu, jistotě a opakovatelnosti těchto důkazů. Od dob přistávacích modulů Viking se k Marsu vrátila řada sond, které pátraly po organických molekulách, jež obsahují převážně uhlík, vodík a kyslík. Jsou běžně spojovány s životem, ale nejsou jeho jistými indikátory.

Ale odhalení o solích na Marsu zdůraznilo podstatnější, i když poněkud nezajímavou věc:

Výzkumníci se zaměřili na detekční stránku rovnice, ale příprava vzorků – dřívější krok v pracovním postupu – byla většinou ignorována. Obzvláště znepokojivé jsou soli, protože mohou ztížit analýzu, a hlavním cílem budoucích misí pro detekci života jsou místa se slanými oceány kapalné vody pod povrchem – světy jako Jupiterův měsíc Europa a Saturnův měsíc Enceladus.

Od roku 2013 Bradburne, Craft a tým výzkumníků v APL vyvíjejí nové mikrofluidní systémy velikosti dlaně pro budoucí kosmické sondy, které mají tento problém řešit. Dokážou purifikovat a izolovat molekuly, které by mohly být silnými indikátory života – aminokyseliny, proteiny, RNA, DNA.

„Je mnohem více sexy přemýšlet o detektoru,“ řekl Bradburne. „Ale pokud nedokážete připravit vzorky a optimalizovat je tak, aby váš senzor dokázal detekovat to, co hledáte, jsou vám k ničemu.“

Tým však posouvá jeden ze svých přístrojů ještě dál: sekvenátor pro vesmír. Ten by nejen připravoval a koncentroval dlouhé molekuly, jako je DNA a RNA, ale odčerpával by celý jejich genetický kód přímo na místě určení. Navíc by tyto molekuly detekoval bez ohledu na to, zda jsou podobné pozemské DNA a RNA nebo ne, což by poskytlo možnost odhalit život se zcela odlišným původem.

„Mohlo by to poskytnout opravdu přesvědčivý signál,“ řekl Bradburne. Musíte jen přijít na to, jak to postavit.

Čistící stroje

Craft a Bradburne uvažovali o vytvoření čipu pro přípravu vzorků DNA a RNA již v roce 2014, přičemž navázali na práci, kterou Bradburne zahájil o několik let dříve.

Co se týče indikátorů života, DNA a RNA sedí na seznamu poměrně vysoko, protože obě tvoří páteř, z níž se vyvinul veškerý pozemský život. Ale právě z tohoto důvodu byli mnozí vědci skeptičtí k hledání DNA a RNA jinde ve sluneční soustavě.

Pro předávání genetického materiálu mezi generacemi tvrdili, že by se organismy již musely do určité míry vyvinout; což je podle Crafta poměrně nepravděpodobná možnost. Mnozí vědci proto považovali DNA a RNA za méně důležité biosignatury a místo toho upřednostňovali jiné stavební kameny života, jako jsou aminokyseliny – složky všech bílkovin a enzymů. „Život by pro tyto znaky nemusel být ‚tak vyvinutý‘,“ vysvětlil Craft.

Tým tedy přehodil výhybku a vytvořil miniaturní systém pro přípravu vzorků aminokyselin. K týmu se připojili chemička APL Jen Skerrittová, chemická inženýrka Tess Van Volkenburgová a později i Korine Ohiri, odborník na mikrofluidiku. Od roku 2018 postupně zdokonalovali konstrukci.

Systém o šířce asi 4 palce, délce 4 palce a výšce 2 palce se snadno vejde do dlaně. Přesto je vybaven všemi čerpadly a ventily potřebnými k protlačení vzorku. Aktivní oblast nejnovějšího designu je naplněna drobnými kuličkami, které přitahují aminokyseliny v kyselých roztocích, zatímco soli a další nečistoty nadále vytékají druhou stranou do odpadní nádoby. Poté, co vzorek projde, jsou aminokyseliny z kuliček zbaveny zásaditého roztoku a odeslány do jakéhokoli detektoru připojeného k čipu.

Navržení přípravného systému pro vesmír nebylo snadné, řekl Ohiri. Množství dostupné energie je zlomkem toho, co lze použít v laboratoři, a materiály musí odolávat potenciálně extrémním teplotám a záření. Tým v současné době vyrábí systém pro čištění aminokyselin z běžných materiálů pro rychlé prototypování, jako jsou pryskyřice s vysokým rozlišením používané při 3D tisku, ale podle Ohiriho je stále náročné zajistit, aby byl materiál vhodný pro použití ve vesmíru a zároveň si zachoval svou výkonnost. „Ale právě to je na tomto projektu tak vzrušující:

Titulky k obrázkům: Jak izolovat a sekvenovat DNA ve vesmíru: Začněte fází rozrušení, kdy pomocí zvukových nebo jiných vln pulzujete magneticky přitažlivými kuličkami tak, aby rozbily spory nebo buňky a propustily DNA ven. DNA se naváže na kuličky, které jsou pak během purifikační fáze přitahovány k magnetu. Kuličky se pak promyjí, aby se odstranila DNA, která se pak odešle do nanoporového sekvenátoru. Sekvenátor pak přečte řetězec molekul, které tvoří DNA – C, A, T a G. Toto uspořádání by teoreticky mělo fungovat pro jakoukoli molekulu s dlouhým řetězcem, jako je DNA, včetně RNA, proteinů nebo něčeho zcela nového.

Image credit: Johns Hopkins APL

Kompromisem u aminokyselin však je, že jsou všude – od meteoritů přes komety až po mezihvězdná mračna. Určité indicie mohou naznačit, zda jsou biologické, nebo ne. Aminokyseliny se vyskytují ve dvou formách, které jsou navzájem zrcadlovými obrazy: jedna je považována za levotočivou, druhá za pravotočivou. Díky jisté náhodě evoluce používá veškerý život na Zemi pouze levotočivé aminokyseliny. Takže v důsledku toho, pokud se ve vzorku z jiného světa objevuje jeden typ více než druhý, mohlo by to být známkou života.

Bradburne tomu však úplně nevěří. „Jak víte, že to není jen kontaminace?“ zeptal se, například od stopařského mikroba, který nějak unikl hloubkovému čištění, jímž procházejí všechny kosmické lodě před startem. Detekce života ve vesmíru podle něj spočívá nejen v detekci hledaných molekul, ale také v minimalizaci pravděpodobnosti falešně pozitivních výsledků a v zajištění opakovatelnosti experimentů.

DNA a RNA nejsou pro řešení těchto problémů nutně lepší, pokud je nemůžete sekvenovat. A právě proto, když byly vynalezeny nanoporové sekvenátory, spatřil tým novou příležitost.

Cesta k sekvenování

Nanoporové sekvenátory jsou malé přístroje velikosti flash disku, které mohou vzít vlákno DNA nebo RNA a přečíst řadu molekulárních stavebních kamenů, z nichž se skládá. Vlákno prochází póry o šířce pouhé miliardtiny palce, kterými prochází elektrické pole. Každý nukleotid při pohybu pórem toto elektrické pole jedinečným způsobem narušuje. A počítač může toto narušení interpretovat a přesně říci, který nukleotid právě prošel.

Kromě toho, že jsou nanoporové sekvenátory ideální velikostí pro kosmickou loď, řekl Bradburne, teoreticky by měly být schopny interpretovat jakýkoli typ dlouhého řetězce molekul, které projdou – DNA, RNA, proteiny nebo nějakou neznámou XNA. Zmenšují však také šanci, že signál není jen černým pasažérem mikroba. Pozemské organismy mají rozpoznatelné řetězce, například ty, které kódují specifické enzymy a další proteiny společné pro živé organismy na Zemi. Pokud se tedy sekvence zdánlivě shodují s těmi, které se často vyskytují zde na Zemi, jde pravděpodobně o falešně pozitivní výsledky.

„Vědecké výsledky by byly prostě úžasné,“ řekl Bradburne.

Existuje však řada důvodů, proč současné nanoporové sekvenátory nejsou připraveny pro vesmír. Za prvé jsou vyrobeny z materiálů, které nevydrží roky teplot pod bodem mrazu a radiace; i na Zemi vydrží jen asi šest měsíců. Ještě problematičtější je, že pro póry používají proteiny ze stafylokokových bakterií, což vyvolává obavy z náhodného vnesení biologických produktů ze Země.“

Tyto problémy přiměly tým, aby místo toho začal vyvíjet nový sekvenátor a doprovodný systém pro přípravu vzorků.

„Představa je taková, že nakonec budeme mít kompletní přístroj, který připraví vzorek tak, jak chceme, a pak ho bude analyzovat,“ řekl Craft.

Složka pro přípravu vzorků udělala za poslední rok významný pokrok. Tým zkouší zvukové vlny a další rušivé metody k rozbití buněk a spór, v nichž se může nacházet genetický materiál, a magnetické kuličky, které pak udrží molekuly s dlouhým řetězcem.

Ale návrh nanoporového sekvenátoru byl náročnější. Nejideálnější je syntetická platforma, do níž jsou vtlačeny nanopóry, ale jak kontrolovat velikost pórů a jak je vytvořit tak, aby zpomalovaly molekuly a počítač mohl registrovat každou molekulu v řetězci při jejím průchodu, zůstává nejisté. Jeden z kanadských spolupracovníků dokonce navrhl, aby se póry vytvořily až v okamžiku, kdy se dostanou na místo určení, a zmírnily se tak problémy s trvanlivostí. „Nejsem si jistý, jak bychom to udělali, ale v tuto chvíli není nic vyloučeno ze stolu,“ řekl Bradburne.

I přes překážky tým neztrácí čas a o svém nástroji hovoří s vědci, kteří vyvíjejí koncepční mise. „Mluvíme o tom, kdykoli můžeme,“ řekl Craft, hlavně proto, aby lidé věděli, že jde o připravovaný, životaschopný nástroj.

A jeden z posledních konceptů, mise k Saturnovu měsíci Enceladus, zahrnuje něco velmi podobného.

Další pátrání po životě

Na šířku 314 mil – asi jako Pensylvánie – a v průměru devětkrát dál od Slunce než Země, měl být Enceladus jen zmrzlou ledovou koulí.

V roce 2006 však mise NASA Cassini odhalila lákavý objev: chuchvalec vodní páry a ledu, který tryská ze čtyř jeskynních „tygřích pruhů“ na jižním pólu Enceladu. Různá měření naznačují, že zlomy přímo souvisejí s globálním oceánem kapalné vody pod povrchem. Tento oceán může interagovat se skalnatým jádrem měsíce podobným způsobem jako hlubokomořské hydrotermální průduchy na Zemi, kde žije a prospívá téměř 600 živočišných druhů.

Image credit: Johns Hopkins APL

Když sonda Cassini procházela výtrysky, našla molekuly, jako je metan, oxid uhličitý a amoniak – předpokládané chemické fragmenty složitějších molekul se čtyřmi ze šesti prvků klíčových pro život: uhlík, vodík, dusík a kyslík.

„Enceladus je oceánský svět, u něhož máme dostatek údajů, abychom mohli překročit rámec otázky, zda je obyvatelný,“ říká Shannon MacKenzie, planetární vědec z APL. „U Enceladu jsme připraveni udělat další krok a pátrat po známkách života.“

MacKenzie nedávno vedl vývoj konceptu mise, která by právě toto měla udělat. Nazývá se Enceladus Orbilander a fungovala by přesně tak, jak to zní: zčásti jako orbitální sonda, zčásti jako přistávací modul. Šest přístrojů by provádělo měření materiálu získaného z Enceladovy plužiny a hledalo by několik potenciálních biosignatur – levotočivé a pravotočivé aminokyseliny, tuky a další uhlovodíky s dlouhým řetězcem, molekuly schopné uchovávat genetickou informaci a dokonce i struktury podobné buňkám.

Studie Orbilanderu jako koncept mise neurčuje konkrétní realizace přístrojů, jaké připravuje Craftův a Bradburnův tým, ale obsahuje jejich koncepční představy.

„Vždy bude existovat určitá míra nejistoty v měřeních při hledání života,“ řekl MacKenzie. „Proto je tak důležité mít dobrý krok přípravy vzorku, který pomáhá minimalizovat mez detekce, a proto je tak důležité mít přístroje, jako je nanoporový sekvenátor, který může nabídnout jak identifikaci, tak charakterizaci.“

Tým Crafta a Bradburna se snaží zjistit, kolik vody je potřeba k detekci těchto biosignatur. A to samozřejmě není snadné. „Myslel jsem si, že bychom se mohli vydat na tyto oceánské světy, ponořit se do nich a být schopni zjistit, zda je tam život, nebo ne,“ řekl Craft. Ale když četla výzkumy oceánografů, dozvěděla se, že musí filtrovat litry vody, aby hledali důkazy života – dokonce i tady na Zemi. „Je to prostě úžasné. Protože všechna ta voda tam venku je tak zředěná,“ řekla.“

Jak se shromažďují tak velké objemy vody a koncentrují se na jiném světě? Jak je zpracujete v mikročipu a zjistíte, zda tam jsou nějaké důležité molekuly?“

„Je tu prostě spousta výzev, které ještě nebyly vyřešeny,“ řekla Craftová. Tým však pokračuje v práci. Minulý měsíc provedli několik experimentů, při kterých proplachovali čipem různé objemy zředěných vzorků aminokyselin nasypaných do oceánské vody. První výsledky jsou slibné, systém zachycuje všechny aminokyseliny s různou účinností, která bude uvedena v připravovaném vědeckém článku.

Pokud by Enceladus Orbilander někdy přešel od konceptu ke startovací rampě, odstartoval by až v polovině 30. let 20. století, což dává Craftovu a Bradburnovu týmu nějaký čas na další vývoj jeho nástrojů. Ale i kdyby technologie nebyla pro tuto misi připravena, Ohiriová, stejně jako ostatní členové týmu, zůstává optimistická a věří, že technologie jednou poletí.

„Doufám, že v době, kdy bude technologie dostatečně zralá, bude mise v plánu a my na ni budeme připraveni,“ řekla.