We zijn misschien in staat om microben in de ruimte te vinden, maar als we dat zouden doen, kunnen we vertellen wat ze waren, en dat ze nog leefden?

Deze maand het journaal Astrobiologie publiceert een speciale uitgave gewijd aan de zoektocht naar tekenen van leven op de ijzige maan Enceladus van Saturnus. Inbegrepen is een paper van Caltech's Jay Nadeau en collega's die bewijs leveren dat een techniek genaamd digitale holografische microscopie, die lasers gebruikt om 3D-beelden op te nemen, misschien wel onze beste gok voor het spotten van buitenaardse microben.

Geen enkele sonde sinds NASA's Viking-programma eind jaren zeventig expliciet naar buitenaards leven heeft gezocht - dat wil zeggen, voor werkelijk levende organismen. Liever, de nadruk lag op het vinden van water. Enceladus heeft veel water - de waarde van een oceaan, verborgen onder een ijzige schaal die het hele oppervlak bedekt. Maar zelfs als daar op een microbiële manier leven bestaat, de moeilijkheid voor wetenschappers op aarde is het identificeren van die microben van 790 miljoen mijl afstand.

"Het is moeilijker om onderscheid te maken tussen een microbe en een stofje dan je zou denken, " zegt Nadeau, onderzoekshoogleraar medische technologie en ruimtevaart in de afdeling Engineering and Applied Science. "Je moet onderscheid maken tussen Brownse beweging, wat de willekeurige beweging van materie is, en de opzettelijke, zelfgestuurde beweging van een levend organisme."

Enceladus is de zesde grootste maan van Saturnus, en is 100, 000 keer minder zwaar dan de aarde. Als zodanig, Enceladus heeft een ontsnappingssnelheid - de minimale snelheid die een object op de maan nodig heeft om aan het oppervlak te ontsnappen - van slechts 239 meter per seconde. Dat is een fractie van de aarde, dat is iets meer dan 11, 000 meter per seconde.

Enceladus' minuscule ontsnappingssnelheid zorgt voor een ongewoon fenomeen:enorme geisers, het ventileren van waterdamp door scheuren in de ijzige schil van de maan, regelmatig de ruimte in vliegen. Toen de Saturnus-sonde Cassini in 2005 langs Enceladus vloog, het zag waterdamppluimen in het zuidpoolgebied die ijzige deeltjes op bijna 2, 000 kilometer per uur tot een hoogte van bijna 500 kilometer boven het oppervlak. Wetenschappers berekenden dat er in elke pluim elke seconde wel 250 kilogram waterdamp vrijkwam. Sinds die eerste waarnemingen, meer dan honderd geisers zijn gespot. Men denkt dat dit water de doorschijnende E-ring van Saturnus aanvult, die anders snel zouden verdwijnen, en was het onderwerp van een recente aankondiging door NASA waarin Enceladus werd beschreven als een 'oceaanwereld' die NASA het dichtst in de buurt heeft gebracht om een ​​plek te vinden met de noodzakelijke ingrediënten voor bewoonbaarheid.

Water dat de ruimte in schiet, biedt een zeldzame kans, zegt Nadeau. Hoewel landen op een vreemd lichaam moeilijk en kostbaar is, een goedkopere en gemakkelijkere optie zou kunnen zijn om een ​​sonde naar Enceladus te sturen en deze door de jets te leiden, waar het watermonsters zou verzamelen die mogelijk microben zouden kunnen bevatten.

Ervan uitgaande dat een sonde dit zou doen, het zou een paar vragen oproepen voor ingenieurs zoals Nadeau, die microben bestudeert in extreme omgevingen. Kunnen microben een reis in een van die jets overleven? Als, hoe kon een sonde monsters verzamelen zonder die microben te vernietigen? En als er monsters worden verzameld, hoe konden ze worden geïdentificeerd als levende cellen?

Het probleem met het zoeken naar microben in een watermonster is dat ze moeilijk te identificeren kunnen zijn. "Het moeilijkste aan bacteriën is dat ze gewoon niet veel cellulaire kenmerken hebben, "zegt Nadeau. Bacteriën zijn meestal kloddervormig en altijd klein - kleiner in diameter dan een haarlok. "Soms is het erg moeilijk om het verschil tussen hen en zandkorrels te zien, ' zegt Nadeau.

Sommige strategieën om aan te tonen dat een microscopisch stipje eigenlijk een levende microbe is, zijn het zoeken naar patronen in zijn structuur of het bestuderen van de specifieke chemische samenstelling ervan. Hoewel deze methoden nuttig zijn, ze moeten worden gebruikt in combinatie met directe observaties van potentiële microben, zegt Nadeau.

"Kijken naar patronen en chemie is nuttig, maar ik denk dat we een stap terug moeten doen en op zoek moeten gaan naar meer algemene kenmerken van levende wezens, zoals de aanwezigheid van beweging. Dat is, als je een E. coli ziet, je weet dat het leeft - en niet, zeggen, een zandkorrel - vanwege de manier waarop het beweegt, " zegt ze. In eerder werk, Nadeau suggereerde dat de beweging die door veel levende organismen wordt vertoond, mogelijk kan worden gebruikt als een robuust, chemieonafhankelijke biosignatuur voor buitenaards leven. De beweging van levende organismen kan ook worden geactiveerd of verbeterd door de microben-elektronen te "voeden" en te kijken hoe ze actiever worden.

Om de beweging van potentiële microben uit de pluimen van Enceladus te bestuderen, Nadeau stelt voor om een ​​instrument te gebruiken dat een digitale holografische microscoop wordt genoemd en dat speciaal is aangepast voor astrobiologie.

Bij digitale holografische microscopie, een object wordt belicht met een laser en het licht dat van het object weerkaatst en terug naar een detector wordt gemeten. Dit verstrooide licht bevat informatie over de amplitude (de intensiteit) van het verstrooide licht, en over zijn fase (een afzonderlijke eigenschap die kan worden gebruikt om te vertellen hoe ver het licht heeft gereisd nadat het was verstrooid). Met de twee soorten informatie, een computer kan een 3D-beeld van het object reconstrueren - een beeld dat beweging door alle drie de dimensies kan laten zien.

"Met digitale holografische microscopie kun je zelfs de kleinste bewegingen zien en volgen, " zegt Nadeau. Verder, door potentiële microben te labelen met fluorescerende kleurstoffen die binden aan brede klassen van moleculen die waarschijnlijk indicatoren van leven zijn:eiwitten, suikers, lipiden, en nucleïnezuren - "je kunt zien waar de microben van gemaakt zijn, " ze zegt.

Om het potentiële nut van de technologie voor het analyseren van buitenaardse monsters te bestuderen, Nadeau en haar collega's verkregen monsters van ijskoud water uit het noordpoolgebied, die dun bevolkt is met bacteriën; die aanwezig zijn, worden traag gemaakt door de koude temperaturen.

Met holografische microscopie, Nadeau was in staat om organismen te identificeren met een bevolkingsdichtheid van slechts 1, 000 cellen per milliliter volume, vergelijkbaar met wat er bestaat in enkele van de meest extreme omgevingen op aarde, zoals subglaciale meren. Ter vergelijking, de open oceaan bevat ongeveer 10, 000 cellen per milliliter en een typische vijver kan 1-10 miljoen cellen per milliliter hebben. Die lage drempel voor detectie, in combinatie met het vermogen van het systeem om snel veel monsters te testen (met een snelheid van ongeveer één milliliter per uur) en de weinige bewegende delen, maakt het ideaal voor astrobiologie, zegt Nadeau.

Volgende, het team zal proberen hun resultaten te repliceren met behulp van monsters uit andere microbe-arme regio's op aarde, zoals Antarctica.