Surer signs of life

Kiedy dotarli do powierzchni Marsa w 1976 roku, dwa lądowniki Viking NASA dotknęły ziemi z delikatnym łoskotem. Na 7 stóp wysoki, 10 stóp długi, i ważąc około 1300 funtów, te statki kosmiczne-pierwsza misja USA do pomyślnego lądowania na powierzchni Marsa-wyglądał jak zarośnięty pill bugs.

Co leżało przed nimi był zardzewiały, zakurzone pustkowia zaśmiecone skałami pod tan-pomarańczowe niebo, daleko od tętniących życiem obcych metropolii pisarzy science fiction i filmy przedstawiały. Naukowcy nigdy nie spodziewali się obcych miast, ale podejrzewali, że w marsjańskiej glebie mogą czaić się kolonie mikrobów obcych. Lądowniki były pierwszymi, które poszukiwały życia pozaziemskiego.

Oba lądowniki były wyposażone w trzy zautomatyzowane instrumenty wykrywające życie, z których każdy inkubował próbkę z powierzchni, badając powietrze nad nią w poszukiwaniu cząsteczek takich jak dwutlenek węgla, który mógłby wskazywać na fotosyntezę, lub metan, który mikroby mogą produkować, gdy metabolizują składniki odżywcze dostarczane przez lądowniki.

Jeden z instrumentów otrzymał pozytywny sygnał. Oznaczony eksperyment uwalniania, śledzący radioaktywny węgiel jak to przeszło od strawnego cukru do strawionego dwutlenku węgla, zobaczył znak rozpoznawczy żywych, metabolizujących mikrobów.

Dwa inne eksperymenty, jednakże, nigdy nie zrobiły.

Opis zdjęcia: Kiedy lądowniki NASA Viking zobrazowały powierzchnię Marsa, pokazały jałową ziemię skał i pyłu.

Kredyt zdjęciowy: NASA/JPL/Johns Hopkins APL

To być może-odkrycie wywołało debatę, która trwa nawet do dziś, ze zwolennikami upierającymi się (i nowymi badaniami sugerującymi), że tylko coś żywego mogło zrobić ten pozytywny sygnał.

Ale jak wielu w społeczności naukowej, Kate Craft, naukowiec planetarny w Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, pozostaje sceptyczna. „To był dobry eksperyment, ale był bardzo ograniczony w tym, co był w stanie wykryć”, stwierdziła.

Po pierwsze, eksperymenty Vikinga zakładały, że mikroby na Marsie zjadłyby składniki odżywcze, które im dostarczyliśmy, co niekoniecznie jest prawdą. A nawet gdyby tak było, to i tak trudno uwierzyć tylko w jedną linię dowodów. „Zawsze chcemy mieć pozytywne wyniki na wielu sygnaturach,” powiedziała.

Większym problemem jest jednak to, że naukowcy w tym czasie nie wiedzieli, że powierzchnia Marsa jest pokryta solami nadchloranu, minerałami zawierającymi chlor i tlen, które eksperymenty pokazują, że mogą zniszczyć cząsteczki organiczne i mikroby, gdy są podgrzewane – produkując gazy chlorowe, które lądowniki Viking w rzeczywistości wykryły. Nikt nie wiedział, że sole były tam do 2008 roku, kiedy lądownik Phoenix NASA odkrył je.

Dla Craft i jej kolega Chris Bradburne, biolog i starszy naukowiec w APL, misje Viking podkreślił monstrualne wyzwanie naukowców twarz do definitywnie powiedzieć znaleźliśmy życie na innym świecie. Rodzaj, pewność i powtarzalność tych dowodów ma znaczenie. Liczne statki kosmiczne od czasu lądowników Viking powróciły na Marsa, poszukując cząsteczek organicznych, które zawierają głównie węgiel, wodór i tlen. Są one powszechnie kojarzone z życiem, ale nie są pewnymi jego wskaźnikami.

Ale rewelacje o solach na Marsie uwypukliły bardziej istotny, choć nieco mało inspirujący, punkt: Szanse na wykrycie oznak życia za pomocą nawet najlepszej technologii są prawdopodobnie niewielkie, jeśli najpierw nie oczyścisz swoich próbek.

Badacze skupili się na stronie wykrywania równania, ale przygotowanie próbek – wcześniejszy krok w procesie pracy – zostało w większości zignorowane. Sole są szczególnie niepokojące, ponieważ mogą utrudniać analizę, a głównym celem przyszłych misji wykrywających życie są miejsca ze słonymi, ciekłymi oceanami wodnymi pod ich powierzchnią – światy takie jak księżyc Jowisza Europa i księżyc Saturna Enceladus.

Od 2013 roku Bradburne, Craft i zespół badaczy z APL opracowują nowe, wielkości dłoni systemy mikrofluidyczne dla przyszłych statków kosmicznych, aby sprostać temu wyzwaniu. Mogą one oczyszczać i izolować cząsteczki, które mogą być silnymi wskaźnikami życia-aminokwasy, białka, RNA, DNA.

„O wiele seksowniej jest myśleć o detektorze,” powiedział Bradburne. „Ale jeśli nie potrafisz przygotować swoich próbek i zoptymalizować ich tak, aby czujnik mógł wykryć to, czego szukasz, nie przyniosą ci one nic dobrego.”

Ale zespół popycha jeden ze swoich instrumentów jeszcze dalej: sekwencer dla kosmosu. Nie tylko przygotowałby i skoncentrował długołańcuchowe cząsteczki, takie jak DNA i RNA, ale także wypompowałby cały ich kod genetyczny bezpośrednio do miejsca przeznaczenia. Dodatkowo, wykrywałby te cząsteczki niezależnie od tego, czy są podobne do ziemskiego DNA i RNA, czy nie, zapewniając możliwość wykrycia życia o całkowicie odrębnym pochodzeniu.

„To może dać ci naprawdę rozstrzygający sygnał” – powiedział Bradburne. Trzeba tylko wymyślić, jak to zbudować.

Maszyny czyszczące

Craft i Bradburne rozważali stworzenie chipa przygotowującego próbki DNA i RNA jeszcze w 2014 roku, opierając się na pracy, którą Bradburne rozpoczął kilka lat wcześniej.

Jeśli chodzi o wskaźniki życia, DNA i RNA siedzą stosunkowo wysoko na liście, ponieważ oba tworzą szkielet, z którego wyewoluowało całe ziemskie życie. Ale to właśnie z tego powodu wielu naukowców było sceptycznych wobec poszukiwania DNA i RNA w innych miejscach układu słonecznego.

Dla materiału genetycznego, aby przekazać informacje między pokoleniami, argumentowali, organizmy już musiałyby ewoluować do pewnego stopnia; dość mało prawdopodobna możliwość, powiedział Craft. W związku z tym wielu naukowców uznało DNA i RNA za mniej ważne biosygnatury, a zamiast tego nadało priorytet innym elementom składowym życia, takim jak aminokwasy – składniki wszystkich białek i enzymów. „Życie nie musiałoby być 'tak rozwinięte’ dla tych sygnatur,” wyjaśnił Craft.

Więc zespół zmienił bieg, aby stworzyć miniaturowy system przygotowania próbek dla aminokwasów. Do zespołu dołączyli chemik APL Jen Skerritt, inżynier chemiczny Tess Van Volkenburg, a później Korine Ohiri, ekspert w dziedzinie mikrofluidyki. Od 2018 roku stopniowo udoskonalają projekt.

Szerokość 4 cali, długość 4 cali i wysokość 2 cali sprawiają, że system z łatwością mieści się w dłoni. Jest on jednak wyposażony we wszystkie pompy i zawory potrzebne do przepchnięcia próbki. Aktywny obszar najnowszej konstrukcji wypełniony jest maleńkimi kulkami, które przyciągają aminokwasy w kwaśnych roztworach, podczas gdy sole i inne śmieci wypływają po drugiej stronie do zbiornika na odpady. Po przejściu próbki, aminokwasy są usuwane z kulek za pomocą roztworu zasadowego i przesyłane do dowolnego detektora podłączonego do chipa.

Projektowanie systemu przygotowawczego dla przestrzeni kosmicznej nie było łatwe, powiedział Ohiri. Ilość dostępnej mocy jest ułamkiem tego, co może być użyte w laboratorium, a materiały muszą wytrzymać potencjalnie ekstremalną temperaturę i promieniowanie. Zespół obecnie tworzy system oczyszczania aminokwasów z powszechnie stosowanych materiałów do szybkiego prototypowania, takich jak żywice o wysokiej rozdzielczości używane w druku 3D, ale uzyskanie materiału nadającego się do wykorzystania w przestrzeni kosmicznej przy jednoczesnym zachowaniu jego wydajności, jak powiedział Ohiri, pozostaje wyzwaniem. „Ale to właśnie jest tak ekscytujące w tym projekcie: Jest tak wiele aspektów, które są naprawdę na czele.”

Opis zdjęcia: Jak wyizolować i sekwencjonować DNA w kosmosie: Zacznij od fazy rozpadu, używając dźwięku lub innych fal do pulsowania magnetycznie atrakcyjnych kulek tak, że rozbijają one zarodniki lub komórki i wypuszczają DNA. DNA przyczepia się do kulek, które są następnie przyciągane do magnesu podczas etapu oczyszczania. Kulki są następnie przemywane w celu usunięcia DNA, które jest następnie przesyłane do sekwenatora nanoporowego. Sekwenator następnie odczytuje łańcuch cząsteczek, które tworzą DNA-C, A, T i G. Ten zestaw powinien teoretycznie działać dla każdej cząsteczki o długim łańcuchu, takiej jak DNA, w tym RNA, białek lub czegoś zupełnie nowego.

Kredyt zdjęciowy: Johns Hopkins APL

Korzyść z aminokwasów jest jednak taka, że są one wszędzie – od meteorytów przez komety po chmury międzygwiezdne. Pewne wskazówki mogą wskazać, czy są one biologiczne, czy nie. Aminokwasy występują w dwóch formach, które są lustrzanymi odbiciami siebie nawzajem: jedna uważana jest za lewoskrętną, druga za prawoskrętną. W wyniku ewolucji, całe życie na Ziemi używa tylko aminokwasów lewoskrętnych. Więc przez rozszerzenie, jeśli jeden typ pojawia się więcej niż inne w próbce z innego świata, może to być znak życia.

Bradburne, jednak nie kupuje tego całkowicie. „Skąd wiesz, że to nie jest tylko zanieczyszczenie?” zapytał, takie jak od autostopującego mikroba, który w jakiś sposób uciekł z głębokiego procesu czyszczenia, przez który przechodzą wszystkie statki kosmiczne przed startem. Jego zdaniem wykrywanie życia we wszechświecie sprowadza się nie tylko do wykrywania poszukiwanych cząsteczek, ale także do minimalizowania szans na uzyskanie fałszywego wyniku pozytywnego i upewnienia się, że eksperymenty są powtarzalne.

DNA i RNA niekoniecznie są lepsze w rozwiązywaniu tych problemów, chyba że można je sekwencjonować. I właśnie dlatego, gdy wynaleziono sekwencery nanoporowe, zespół dostrzegł nową możliwość.

Droga do sekwencjonowania

Sekwencery nanoporowe to małe urządzenia wielkości dysku kciuka, które mogą pobrać nić DNA lub RNA i odczytać serię molekularnych bloków konstrukcyjnych, z których jest zbudowana. Nitka przechodzi przez por o szerokości miliardowej części cala, przez który przepływa pole elektryczne. Każdy nukleotyd w unikalny sposób zakłóca to pole elektryczne, gdy przemieszcza się przez por. A komputer może zinterpretować to zakłócenie i powiedzieć dokładnie, który nukleotyd właśnie przeszedł.

Poza tym, że jest to idealny rozmiar dla statku kosmicznego, Bradburne powiedział, sekwencery nanoporowe powinny, w teorii, być w stanie zinterpretować każdy rodzaj długołańcuchowej cząsteczki, która przechodzi – DNA, RNA, białka lub jakieś nieznane XNA. Jednak zmniejszają one również szanse na to, że sygnał nie jest po prostu mikrobem na gapę. Organizmy pochodzące z Ziemi mają rozpoznawalne sploty, takie jak te, które kodują specyficzne enzymy i inne białka wspólne dla istot żywych na Ziemi. Więc jeśli sekwencje wydają się pasować do tych często spotykanych tu na Ziemi, są one prawdopodobnie fałszywie pozytywne.

„Naukowe zyski byłyby po prostu niesamowite”, powiedział Bradburne.

Jest jednak wiele powodów, dla których obecne sekwencery nanoporowe nie są gotowe do pracy w kosmosie. Po pierwsze, są one wykonane z materiałów, które nie mogą wytrzymać lat w ujemnych temperaturach i promieniowaniu; nawet na Ziemi wytrzymują one tylko około sześciu miesięcy. Jeszcze bardziej problematyczne jest to, że do budowy porów używają białek z bakterii gronkowca, co budzi obawy o przypadkowe wprowadzenie produktów biologicznych z Ziemi.

Te wyzwania zmusiły zespół do rozpoczęcia zamiast tego rozwoju nowatorskiego sekwencera i towarzyszącego mu systemu przygotowania próbki.

„Pomysł jest taki, że w końcu będziemy mieli pełny instrument do przygotowania próbki w sposób, w jaki chcemy, a następnie jej analizy”, powiedział Craft.

Komponent przygotowania próbki poczynił znaczne postępy w ciągu ostatniego roku. Zespół próbuje fal dźwiękowych i innych metod zakłócających, aby złamać otwarte komórki i zarodniki, które mogą pomieścić materiał genetyczny i kulki magnetyczne, aby następnie trzymać się długołańcuchowych cząsteczek.

Ale projektowanie sekwencera nanoporowego było większym wyzwaniem. Syntetyczna platforma z nanoporami wciśniętymi w nią jest najbardziej idealna, ale jak kontrolować wielkość porów i uczynić je tak, aby spowolnić cząsteczkę, aby komputer mógł zarejestrować każdą cząsteczkę w łańcuchu, jak przechodzi przez pozostaje niepewna. Kanadyjski współpracownik zasugerował nawet, że pory powinny być tworzone już po dotarciu do miejsca przeznaczenia, aby złagodzić problemy związane z okresem przydatności do spożycia. „Nie jestem pewien, jak byśmy to zrobili, ale nic nie jest teraz wykluczone,” powiedział Bradburne.

Mimo przeszkód, zespół nie marnował czasu na rozmowy o swoim narzędziu z naukowcami rozwijającymi misje koncepcyjne. „Mówimy o tym, kiedy tylko możemy,” powiedział Craft, głównie po to, aby dać ludziom znać, że jest to nadchodzący, realny instrument.

A jedna z ostatnich koncepcji, misja na księżyc Saturna Enceladus, zawiera coś bardzo podobnego do niego.

Inne poszukiwania życia

Szerokie na 314 mil – mniej więcej na szerokość Pensylwanii – i średnio dziewięć razy dalej od Słońca niż Ziemia, Enceladus powinien być tylko zamarzniętą kulą lodu.

Ale w 2006 roku misja NASA Cassini ujawniła kuszące odkrycie: pióropusz pary wodnej i lodu tryskający z czterech jamistych „tygrysich pasów” na południowym biegunie Enceladusa. Różne pomiary wskazują, że uskoki te łączą się bezpośrednio z globalnym oceanem ciekłej wody pod powierzchnią. Ocean ten może oddziaływać ze skalistym jądrem księżyca w sposób podobny do ziemskich głębinowych kominów hydrotermalnych, gdzie żyje i rozwija się prawie 600 gatunków zwierząt.

Image credit: Johns Hopkins APL

As Cassini passed through the plumes, it found molecules such as methane, carbon dioxide, and ammonia-suspected chemical fragments of more complex molecules with four of the six elements key to life: carbon, hydrogen, nitrogen and oxygen.

„Enceladus jest światem oceanu, gdzie mamy wystarczająco dużo danych, aby wyjść poza pytanie, czy nadaje się do zamieszkania,” powiedział Shannon MacKenzie, naukowiec planetarny w APL. „Na Enceladusie jesteśmy gotowi zrobić kolejny krok i poszukać oznak życia.”

MacKenzie ostatnio kierowała rozwojem koncepcji misji, która właśnie to zrobi. Nazywa się ona Enceladus Orbilander i działałaby dokładnie tak, jak brzmi: częściowo jako orbiter, częściowo jako lądownik. Sześć instrumentów dokonywałoby pomiarów materiału zebranego z pióropusza Enceladusa w poszukiwaniu kilku potencjalnych biosygnatur: lewo- i prawoskrętnych aminokwasów, tłuszczów i innych długołańcuchowych węglowodorów, cząsteczek zdolnych do przechowywania informacji genetycznej, a nawet struktur przypominających komórki.

Jako koncepcja misji, badanie Orbilandera nie identyfikuje konkretnych implementacji instrumentów, takich jak te, które produkuje zespół Crafta i Bradburne’a, ale zawiera ich koncepcyjne pomysły.

„Zawsze będzie pewna ilość niepewności w pomiarach związanych z poszukiwaniem życia” – powiedział MacKenzie. „Dlatego tak ważny jest dobry etap przygotowania próbki, który pomaga zminimalizować granicę wykrywalności, i dlatego tak ważne jest posiadanie instrumentów takich jak sekwenator nanoporowy, który może zaoferować zarówno identyfikację, jak i charakterystykę.”

Mając szansę na pobranie próbki księżyca z oceanem, zespół Crafta i Bradburne’a próbuje ustalić, ile wody potrzeba do wykrycia tych biosygnatur. I oczywiście, nie jest to łatwe. „Myślałam, że będziemy mogli udać się do tych oceanicznych światów, zanurzyć w nich palce i sprawdzić, czy jest tam życie, czy nie,” powiedziała Craft. Ale gdy czytała badania oceanografów, dowiedziała się, że muszą oni filtrować litry wody, aby szukać dowodów życia – nawet tutaj na Ziemi. „To jest po prostu niesamowite. Z powodu całej tej wody tam na zewnątrz, jest ona tak rozcieńczona,” powiedziała.

Jak zbierasz tak duże ilości wody i koncentrujesz je na innym świecie? Jak przetworzyć je w mikrochipie i sprawdzić, czy są tam jakieś ważne molekuły?

„Jest wiele wyzwań, którymi jeszcze się nie zajęto” – powiedziała Craft. Zespół nie ustaje jednak w wysiłkach. W zeszłym miesiącu przeprowadzili kilka eksperymentów przepłukując przez chip różne objętości rozcieńczonych próbek aminokwasów w wodzie oceanicznej. Wstępne wyniki są obiecujące, system wychwytuje wszystkie aminokwasy z różną skutecznością, która zostanie opisana w nadchodzącym artykule naukowym.

Jeśli kiedykolwiek zostanie przeniesiony z koncepcji na platformę startową, Enceladus Orbilander nie wystartuje do połowy lat 2030, dając zespołowi Crafta i Bradburne’a trochę czasu na dalszy rozwój narzędzi. Ale nawet jeśli technologia nie jest gotowa na tę misję, Ohiri, podobnie jak inni członkowie zespołu, pozostaje optymistką, że technologia ta pewnego dnia poleci.

„Mam nadzieję, że do czasu, gdy technologia będzie wystarczająco dojrzała, misja będzie już zaplanowana, a my będziemy na nią gotowi” – powiedziała.