Az élet újabb jelei

Amikor 1976-ban elérték a Mars felszínét, a NASA két Viking leszállóegysége szelíd puffanással ért földet. A 7 láb magas, 10 láb hosszú és kb. 1300 font súlyú űrhajók – az első amerikai küldetés, amely sikeresen landolt a Mars felszínén – úgy néztek ki, mint a nagyra nőtt pillebogarak.

Az, ami előttük feküdt, egy rozsdás, poros, kövekkel tarkított pusztaság volt, barnás-narancsszínű ég alatt, távol a sci-fi írók és filmek által ábrázolt nyüzsgő idegen metropoliszoktól. A tudósok soha nem számítottak idegen városokra, de gyanították, hogy a Mars talajában mikrobiális idegenek kolóniái rejtőzhetnek. A leszállóegységek voltak az elsők, amelyek földönkívüli élet után kutattak.

Mindkét leszállóegység három automatikus életkereső műszerrel volt felszerelve, amelyek mindegyike inkubált egy-egy mintát a felszínről, és olyan molekulákat keresett a levegőben, mint a szén-dioxid, ami fotoszintézisre utalhat, vagy a metán, amit a mikrobák termelhetnek a leszállóegységek által biztosított tápanyagok metabolizálása során.

A műszerek egyike pozitív jelet kapott. A jelölt kibocsátási kísérlet, amely a radioaktív szenet követte, amint az emészthető cukorból emésztett szén-dioxiddá változik, látta az élő, anyagcserét végző mikrobák árulkodó jelét.

A másik két kísérlet azonban nem.

A képaláírás:

Képhitel: NASA/JPL/Johns Hopkins APL

Az a talán-felfedezés a mai napig tartó vitát váltott ki, amelynek hívei kitartanak amellett (és az új kutatások szerint), hogy csak valami élő dolog adhatta azt a pozitív jelet.

De a tudományos közösségben sokakhoz hasonlóan Kate Craft, a Johns Hopkins Alkalmazott Fizikai Laboratórium bolygókutatója is szkeptikus maradt. “Jó kísérlet volt, de nagyon korlátozott volt abban, hogy mit tudott kimutatni” – jelentette ki.

Egyrészt a Viking-kísérletek feltételezték, hogy a Marson élő mikrobák megeszik az általunk biztosított tápanyagokat, ami nem feltétlenül igaz. És még ha így is lenne, akkor is nehéz elhinni egyetlen bizonyítékot. “Mindig azt akarjuk, hogy több szignatúra is pozitív legyen” – mondta.

A még nagyobb problémát jelent azonban, hogy a tudósok akkoriban nem tudták, hogy a Mars felszínét perklorát sók borítják, olyan klórt és oxigént tartalmazó ásványok, amelyek a kísérletek szerint melegítés hatására elpusztítják a szerves molekulákat és a mikrobákat, klórgázokat termelve, amelyeket a Viking leszállóegységek valóban kimutattak. Senki sem tudta, hogy a sók ott vannak egészen 2008-ig, amikor a NASA Phoenix leszállóegysége felfedezte őket.

Craft és kollégája, Chris Bradburne, az APL biológusa és vezető tudósa számára a Viking küldetések aláhúzták azt a hatalmas kihívást, amellyel a tudósoknak szembe kell nézniük, ha véglegesen azt akarják mondani, hogy életet találtunk egy másik világon. A bizonyíték típusa, bizonyossága és megismételhetősége mind-mind számít. A Viking leszállóegységek óta számos űreszköz tért vissza a Marsra, szerves molekulák után kutatva, amelyek többnyire szenet, hidrogént és oxigént tartalmaznak. Ezeket általában az élettel hozzák összefüggésbe, de nem biztos indikátorai annak.”

De a Marson található sókról szóló kinyilatkoztatás rávilágított egy sokkal markánsabb, bár kissé kevéssé inspiráló pontra:

A kutatók az egyenlet detektálási oldalára összpontosítottak, de a minta előkészítése – a munkafolyamat korábbi lépése – többnyire figyelmen kívül maradt. A sók különösen aggasztóak, mivel megnehezíthetik az elemzést, és a jövőbeli életdetektáló küldetések elsődleges célpontjai olyan helyek, amelyek felszíne alatt sós, folyékony vízzel teli óceánok vannak – olyan világok, mint a Jupiter Europa holdja és a Szaturnusz Enceladus holdja.

2013 óta Bradburne, Craft és egy kutatócsoport az APL-ben új, tenyérnyi mikrofluidikai rendszereket fejleszt a jövőbeli űreszközök számára, hogy megoldják ezt a kihívást. Olyan molekulákat tudnak tisztítani és izolálni, amelyek az élet erős indikátorai lehetnek – aminosavak, fehérjék, RNS, DNS.

“Sokkal szexibb a detektorra gondolni” – mondta Bradburne. “De ha nem tudod előkészíteni a mintáidat és optimalizálni őket úgy, hogy az érzékelőd kimutassa, amit keresel, akkor nem érnek semmit.”

De a csapat még messzebbre viszi egyik műszerét: egy szekvenálót az űrbe. Ez nemcsak előkészítené és koncentrálná az olyan hosszú láncú molekulákat, mint a DNS és az RNS, hanem a teljes genetikai kódjukat is kipumpálná közvetlenül a célállomáson. Ráadásul kimutatná ezeket a molekulákat, akár olyanok, mint a földi DNS és RNS, akár nem, lehetővé téve a teljesen más eredetű élet kimutatását.

“Ez egy igazán meggyőző jelet adhatna” – mondta Bradburne. Csak ki kell találni, hogyan lehet megépíteni.”

A tisztítógépek

Craft és Bradburne már 2014-ben fontolóra vették egy DNS- és RNS-mintakészítő chip létrehozását, Bradburne néhány évvel korábban megkezdett munkájára építve.

Az életjelzőket tekintve a DNS és az RNS viszonylag magasan áll a listán, mivel mindkettő a gerincet alkotja, amelyből minden földi élet kifejlődött. De pontosan emiatt sok tudós szkeptikus volt azzal kapcsolatban, hogy a Naprendszerben máshol is keressenek DNS-t és RNS-t.

Azzal érveltek, hogy a genetikai anyag generációk közötti információátadáshoz az organizmusoknak már valamilyen mértékben fejlődniük kellett volna; ez meglehetősen valószínűtlen lehetőség, mondta Craft. Ezért sok tudós a DNS-t és az RNS-t kevésbé fontos bioszignatúrának tekintette, és helyette az élet más építőköveit, például az aminosavakat – minden fehérje és enzim alkotóelemét – helyezte előtérbe. “Az életnek nem kellene “ugyanolyan fejlettnek” lennie ezekhez a jelzésekhez” – magyarázta Craft.”

A csapat tehát sebességet váltott, és egy miniatűr mintaelőkészítő rendszert készített az aminosavakhoz. Az APL kémikusa, Jen Skerritt, Tess Van Volkenburg vegyészmérnök, később pedig Korine Ohiri, a mikrofluidika szakértője csatlakozott a csapathoz. 2018 óta fokozatosan tökéletesítették a konstrukciót.

A rendszer körülbelül 4 hüvelyk széles, 4 hüvelyk hosszú és 2 hüvelyk magas, így könnyen elfér a tenyérben. Mégis fel van szerelve minden olyan szivattyúval és szeleppel, ami a minta átnyomásához szükséges. A legújabb konstrukció aktív régiója apró gyöngyökkel van tele, amelyek savas oldatokban vonzzák az aminosavakat, míg a sók és egyéb szennyeződések a másik oldalon egy hulladéktárolóba áramlanak ki. Miután a minta áthaladt, az aminosavakat egy bázikus oldattal eltávolítják a gyöngyökről, és elszállítják a chiphez csatlakoztatott detektorhoz.

A világűrbe szánt előkészítő rendszer megtervezése nem volt egyszerű, mondta Ohiri. A rendelkezésre álló energia mennyisége töredéke annak, ami a laboratóriumban használható, és az anyagoknak ellen kell állniuk az esetlegesen szélsőséges hőmérsékletnek és sugárzásnak. A csapat jelenleg az aminosavtisztító rendszert olyan gyakori gyors prototípusgyártó anyagokból készíti, mint például a 3D nyomtatásban használt nagy felbontású gyanták, de Ohiri szerint továbbra is kihívást jelent, hogy az anyagot úgy tegyék alkalmassá az űrben való felhasználásra, hogy közben a teljesítménye megmaradjon. “De éppen ez az, ami annyira izgalmas ebben a projektben: Olyan sok olyan aspektus van, amely valóban az élvonalban van.”

A képaláírás: Hogyan izolálják és szekvenálják a DNS-t az űrben: Kezdjük a bontási fázissal, hang vagy más hullámok segítségével mágnesesen vonzó gyöngyök impulzálására, hogy azok feltörjék a spórákat vagy sejteket, és kiengedjék a DNS-t. A DNS a gyöngyökhöz kötődik, amelyeket aztán a tisztítási lépés során egy mágnes felé húznak. A gyöngyöket ezután kimossák, hogy eltávolítsák a DNS-t, amelyet aztán egy nanopórus-szekvenálóba küldenek. A szekvenáló ezután kiolvassa a DNS-t alkotó molekulák láncát – C, A, T és G. Ez a felállás elméletileg bármilyen, a DNS-hez hasonló hosszú láncú molekulára alkalmazható, beleértve az RNS-t, a fehérjéket vagy valami teljesen újat.

Képhitel: Johns Hopkins APL

Az aminosavak esetében azonban az a hátrány, hogy mindenhol ott vannak – a meteoritoktól az üstökösökön át a csillagközi felhőkig. Bizonyos nyomok jelezhetik, hogy biológiaiak-e vagy sem. Az aminosavaknak két olyan formája van, amelyek egymás tükörképei: az egyiket balkezesnek, a másikat jobbkezesnek tartják. Az evolúció valamilyen véletlen folytán a Földön minden élet csak a balkezes aminosavakat használja. Tehát, ha egy másik világból származó mintában az egyik típus többször fordul elő, mint a másik, az az élet jele lehet.

Bradburne azonban ezt nem veszi be teljesen. “Honnan tudod, hogy nem csak szennyeződésről van szó?” – kérdezte, például egy stoppoló mikrobáról, amely valahogy megúszta a mélytisztítási folyamatot, amelyen minden űrhajó átesik indítás előtt. Szerinte az élet kimutatása a világegyetemben nem csak a keresett molekulák kimutatásán múlik, hanem a hamis pozitív eredmények esélyének minimalizálásán és a kísérletek megismételhetőségének biztosításán is.

A DNS és az RNS nem feltétlenül jobb e problémák megoldására, hacsak nem tudjuk szekvenálni őket. Ezért a nanopórus-szekvenálók feltalálásakor a csapat újszerű lehetőséget látott.

A szekvenáláshoz vezető út

A nanopórus-szekvenálók olyan kis, hüvelykujj-meghajtó méretű gépek, amelyek képesek egy DNS- vagy RNS-szálat megfogni, és kiolvasni a benne lévő molekuláris építőelemek sorozatát. A szál egy olyan póruson halad át, amely csak egy hüvelyk milliárdod része széles, és amelyen elektromos mező halad keresztül. Minden egyes nukleotid egyedileg megzavarja ezt az elektromos mezőt, miközben áthalad a póruson. És egy számítógép képes értelmezni ezt a zavarást, és pontosan megmondani, hogy melyik nukleotid ment át rajta.

Amellett, hogy ideális méretűek egy űrhajó számára, mondta Bradburne, a nanopórus szekvenálóknak elméletileg bármilyen hosszú láncú molekulát értelmezniük kellene, ami áthalad – DNS, RNS, fehérjék vagy valamilyen ismeretlen XNS. De annak az esélyét is csökkentik, hogy egy jel nem csak egy potyautas mikroba. A földi eredetű organizmusok rendelkeznek felismerhető szálakkal, például olyanokkal, amelyek bizonyos enzimeket és más, a földi élőlényekben közös fehérjéket kódolnak. Ha tehát a szekvenciák látszólag megegyeznek a Földön gyakran előforduló szekvenciákkal, akkor valószínűleg hamis pozitív eredményről van szó.

“A tudományos hozadék egyszerűen elképesztő lenne” – mondta Bradburne.

Még egy sor oka van annak, hogy a jelenlegi nanopórus szekvenálók miért nem állnak készen az űrbe. Egyrészt olyan anyagokból készülnek, amelyek nem bírják az évekig tartó fagypont alatti hőmérsékletet és sugárzást; még a Földön is csak körülbelül hat hónapig bírják. Ennél is problémásabb, hogy a pórusokhoz staphylococcus baktériumokból származó fehérjéket használnak, ami aggodalomra ad okot a Földről származó biológiai termékek véletlenszerű behurcolása miatt.”

Ezek a kihívások arra kényszerítették a csapatot, hogy ehelyett egy új szekvenáló és a hozzá tartozó mintaelőkészítő rendszer fejlesztésébe kezdjenek.

“Az elképzelés az, hogy végül egy teljes műszerünk lesz, amellyel a mintát a kívánt módon tudjuk előkészíteni, majd elemezni” – mondta Craft.

A mintaelőkészítő komponens jelentős előrelépést tett az elmúlt évben. A csapat hanghullámokkal és más bomlasztó módszerekkel próbálkozik, hogy feltörje a sejteket és spórákat, amelyek a genetikai anyagot tartalmazhatják, és mágneses gyöngyöket, hogy aztán megragadják a hosszú láncú molekulákat.

A nanopórus szekvenáló megtervezése azonban nagyobb kihívást jelentett. Egy szintetikus platform, amelybe nanopórusokat nyomnak, a legideálisabb, de még mindig bizonytalan, hogyan lehet szabályozni a pórusok méretét, és hogyan lehet őket úgy kialakítani, hogy lelassítsák a molekulát, hogy a számítógép a lánc minden egyes molekuláját regisztrálni tudja, amint áthalad rajta. Egy kanadai munkatárs még azt is javasolta, hogy a pórusokat akkor készítsék el, amikor azok elérik a célállomást, hogy enyhítsék az eltarthatósággal kapcsolatos problémákat. “Nem vagyok biztos benne, hogy ezt hogyan csinálnánk, de jelenleg semmi sem zárható ki az asztalról” – mondta Bradburne.

Az akadályok ellenére a csapat nem vesztegette az időt arra, hogy az eszközükről beszéljen a koncepció küldetéseket kidolgozó kutatókkal. “Beszélünk róla, amikor csak tudunk” – mondta Craft, főleg azért, hogy az emberek tudják, hogy ez egy közelgő, életképes eszköz.

És az egyik legújabb koncepció, a Szaturnusz Enceladus nevű holdjának küldetése valami nagyon hasonlót tartalmaz.

Egy másik kutatás az élet után

Az Enceladus 314 mérföld széles – körülbelül Pennsylvania szélessége – és átlagosan kilencszer messzebb van a Naptól, mint a Föld, és csak egy fagyott jéggolyónak kellene lennie.

De 2006-ban a NASA Cassini-missziója izgalmas felfedezést tett: az Enceladus déli pólusánál négy barlangszerű “tigriscsíkból” vízgőz- és jégcsóva tör elő. Különböző mérések szerint a törések közvetlenül a felszín alatti globális folyékony vízóceánhoz kapcsolódnak. Az óceán a Föld mélytengeri hidrotermális nyílásokhoz hasonló módon léphet kölcsönhatásba a hold sziklás magjával, ahol közel 600 állatfaj él és fejlődik.

Képhitel: Johns Hopkins APL

Amint a Cassini áthaladt a fúvókákon, olyan molekulákat talált, mint metán, szén-dioxid és ammónia – feltételezhetően összetettebb molekulák kémiai töredékeit, amelyek az élethez kulcsfontosságú hat elem közül négyet tartalmaznak: szén, hidrogén, nitrogén és oxigén.

“Az Enceladus egy olyan óceáni világ, ahol elég adatunk van ahhoz, hogy túllépjünk azon a kérdésen, hogy lakható-e” – mondta Shannon MacKenzie, az APL bolygókutatója. “Az Enceladusnál készen állunk arra, hogy megtegyük a következő lépést, és az élet jelei után kutassunk.”

MacKenzie nemrég egy olyan missziós koncepció kidolgozását vezette, amely éppen ezt tenné. A neve Enceladus Orbilander, és pontosan úgy működne, ahogyan hangzik: részben orbiter, részben leszállóegység. Hat műszer végezne méréseket az Enceladus fúvókájából gyűjtött anyagon, hogy számos potenciális bioszignatúra – bal- és jobbkezes aminosavak, zsírok és más hosszú láncú szénhidrogének, genetikai információ tárolására alkalmas molekulák, sőt sejtszerű struktúrák – után kutasson.

A küldetés koncepciójaként az Orbilander tanulmány nem határoz meg konkrét műszer-megvalósításokat, mint amilyeneket Craft és Bradburne csapata készít, de tartalmazza koncepcionális elképzeléseiket.

“Az életet kereső mérésekben mindig lesz némi bizonytalanság” – mondta MacKenzie. “Ezért olyan fontos a jó mintaelőkészítési lépés, amely segít minimalizálni a kimutatási határt, és ezért olyan fontosak az olyan műszerek, mint a nanopórus szekvenáló, amelyek mind az azonosításra, mind a jellemzésre képesek.”

Az óceáni holdról történő mintavétel esélyével Craft és Bradburne csapata azt próbálja meghatározni, hogy mennyi vízre van szükség a bioszignatúrák kimutatásához. És persze ez nem könnyű. “Azt gondoltam, hogy elmehetnénk ezekre az óceáni világokra, belemárthatnánk a lábunkat, és képesek lennénk megnézni, hogy van-e ott élet vagy nincs” – mondta Craft. De ahogy olvasta az óceánkutatók kutatásait, megtudta, hogy liternyi vizet kell megszűrniük, hogy az élet nyomait keressék – még itt a Földön is. “Ez egyszerűen elképesztő. Mert az a sok víz odakint olyan híg” – mondta.

Hogyan lehet ekkora mennyiségű vizet összegyűjteni és koncentrálni egy másik világon? Hogyan dolgozzuk fel őket egy mikrochipben, és hogyan nézzük meg, hogy vannak-e benne fontos molekulák?

“Egy csomó olyan kihívás van, amivel még nem foglalkoztunk” – mondta Craft. A csapat azonban tovább dolgozik. A múlt hónapban elvégeztek néhány kísérletet, amelyek során különböző mennyiségű, óceánvízbe kevert hígított aminosavmintát öblítettek át a mintachipen. A kezdeti eredmények ígéretesek, a rendszer az összes aminosavat különböző hatékonysággal rögzítette, amiről egy hamarosan megjelenő tudományos közleményben számolnak be.

Az Enceladus Orbilander, ha valaha is a koncepcióból az indítóállványra kerül, csak a 20-30-as évek közepén szállna fel, így Craft és Bradburne csapatának lenne ideje továbbfejleszteni az eszközeit. De még ha a technológia nem is áll készen erre a küldetésre, Ohiri, a csapat többi tagjához hasonlóan, továbbra is optimista abban, hogy a technológia egy nap repülni fog.

“Remélem, hogy mire a technológia elég érett lesz, lesz egy küldetés, és mi készen állunk rá” – mondta.