Toen ze in 1976 het oppervlak van Mars bereikten, NASA's twee Viking-landers landden met een zachte plof. Op 7 voet lang, 10 voet lang, en weegt ongeveer 1, 300 pond, deze ruimtevaartuigen - de eerste Amerikaanse missie die met succes op het oppervlak van Mars landde - zagen eruit als overgroeide pilbugs.

Wat voor hen lag was een roestige, stoffige woestenij bezaaid met rotsen onder een oranjebruine lucht, ver verwijderd van de bruisende buitenaardse metropolen die sciencefictionschrijvers en films hadden uitgebeeld. Wetenschappers hadden nooit buitenaardse steden verwacht, maar ze vermoedden wel dat kolonies van microbiële buitenaardse wezens op de bodem van Mars op de loer lagen. De landers waren de eersten die op zoek gingen naar buitenaards leven.

Beide landers waren uitgerust met drie geautomatiseerde levensdetectie-instrumenten, die elk een monster van het oppervlak incubeerden, het bestuderen van de lucht hierboven voor moleculen zoals koolstofdioxide, wat zou kunnen duiden op fotosynthese, of methaan, die microben zouden kunnen produceren als ze voedingsstoffen die de landers hebben geleverd, metaboliseren.

Een van de instrumenten kreeg een positief signaal. Het geëtiketteerde release-experiment, het volgen van radioactieve koolstof terwijl het van verteerbare suiker naar verteerde koolstofdioxide ging, zag het veelbetekenende teken van leven, metaboliserende microben.

De twee andere experimenten, echter, nooit gedaan.

Die mogelijke ontdekking leidde tot een debat dat tot op de dag van vandaag voortduurt, met voorstanders die volhouden (en nieuw onderzoek suggereert) dat alleen iets levends dat positieve signaal had kunnen geven.

Maar zoals velen in de wetenschappelijke gemeenschap, Kate Ambacht, een planetaire wetenschapper aan het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, blijft sceptisch. "Het was een goed experiment, maar het was zeer beperkt in wat het kon detecteren, " verklaarde ze.

Voor een, de Viking-experimenten gingen ervan uit dat microben op Mars de voedingsstoffen zouden eten die we hen gaven, wat niet noodzakelijk waar is. En zelfs als ze dat deden, het is nog steeds moeilijk om slechts één bewijslijn te geloven. "We willen altijd positieve punten hebben over meerdere handtekeningen, " ze zei.

problematischer, Hoewel, is dat wetenschappers destijds niet wisten dat het oppervlak van Mars bedekt is met perchloraatzouten, mineralen die chloor en zuurstof bevatten, zoals experimenten aantonen, kunnen bij verhitting organische moleculen en microben vernietigen, waardoor chloorgassen ontstaan, die de Viking-landers inderdaad hebben ontdekt. Niemand wist tot 2008 dat de zouten er waren. toen NASA's Phoenix-lander ze ontdekte.

Voor Craft en haar collega Chris Bradburne, een bioloog en senior wetenschapper bij APL, de Viking-missies onderstreepten de monsterlijke uitdaging waarmee wetenschappers worden geconfronteerd om definitief te zeggen dat we leven op een andere wereld hebben gevonden. Het type, borg, en herhaalbaarheid van dat bewijs doet er allemaal toe. Talloze ruimtevaartuigen sinds de Viking-landers zijn teruggekeerd naar Mars, op zoek naar organische moleculen, die voornamelijk koolstof bevatten, waterstof, en zuurstof. Ze worden vaak geassocieerd met het leven, maar zijn niet zeker van indicatoren ervan.

Maar de onthulling over zouten op Mars bracht een meer in het oog springend, ook al is het wat ongeïnspireerd, punt:de kans om tekenen van leven te detecteren met zelfs de beste technologie is waarschijnlijk klein als u uw monsters niet eerst zuivert.

Onderzoekers hebben gefixeerd op de detectiekant van de vergelijking, maar de monstervoorbereiding - een eerdere stap in de workflow - is grotendeels genegeerd. Vooral zouten zijn zorgwekkend, omdat ze analyse moeilijk kunnen maken, en de belangrijkste doelen voor toekomstige levensdetectiemissies zijn plaatsen met zoute, vloeibaar water oceanen onder hun oppervlak - werelden zoals Jupiters maan Europa en Saturnusmaan Enceladus.

Sinds 2013, Bradburne, Ambacht, en een team van onderzoekers van APL hebben nieuwe, microfluïdische systemen ter grootte van een handpalm voor toekomstige ruimtevaartuigen om die uitdaging aan te gaan. Ze kunnen moleculen zuiveren en isoleren die sterke indicatoren van leven kunnen zijn:aminozuren, eiwitten, RNA, DNA.

"Het is veel sexyer om aan de detector te denken, "Zei Bradburne. "Maar als je je monsters niet kunt voorbereiden en optimaliseren zodat je sensor kan detecteren wat je zoekt, ze doen je geen goed."

Maar het team duwt een van hun instrumenten nog verder:een sequencer voor de ruimte. Het zou niet alleen moleculen met een lange keten, zoals DNA en RNA, voorbereiden en concentreren, maar ook hun volledige genetische code op de bestemming wegpompen. Aanvullend, het zou deze moleculen detecteren, of ze nu als terrestrisch DNA en RNA zijn of niet, waardoor het mogelijk wordt om leven met een geheel afzonderlijke oorsprong te detecteren.

"Het zou je een heel overtuigend signaal kunnen geven, "Zei Bradburne. Je moet alleen bedenken hoe je het moet bouwen.

De reinigingsmachines

Craft en Bradburne hadden in 2014 overwogen om een ​​monstervoorbereidingschip voor DNA en RNA te maken. voortbouwend op het werk dat Bradburne een paar jaar eerder begon.

Wat de levensindicatoren betreft, DNA en RNA staan ​​relatief hoog op de lijst, omdat beide de ruggengraat vormen van waaruit al het leven op aarde is geëvolueerd. Maar juist om die reden stonden veel wetenschappers sceptisch tegenover het zoeken naar DNA en RNA elders in het zonnestelsel.

Om genetisch materiaal informatie tussen generaties door te geven, ze hadden ruzie, organismen zouden al tot op zekere hoogte moeten evolueren; een vrij onwaarschijnlijke mogelijkheid, Ambacht zei. Als zodanig, veel wetenschappers beschouwden DNA en RNA als minder belangrijke biosignaturen en gaven in plaats daarvan prioriteit aan de andere bouwstenen van het leven, zoals aminozuren - de bestanddelen van alle eiwitten en enzymen. "Het leven zou niet 'zoals geëvolueerd' hoeven te zijn voor die handtekeningen, ’ Ambacht uitgelegd.

Dus, het team schakelde over om een ​​miniatuur monstervoorbereidingssysteem voor aminozuren te maken. APL-chemicus Jen Skerritt, chemisch ingenieur Tess Van Volkenburg, en later Korine Ohiri, een expert in microfluïdica, kwam bij het team. Sinds 2018, ze hebben het ontwerp geleidelijk aan geperfectioneerd.

Op ongeveer 4 inch breed, 4 inch lang, en 2 centimeter lang, het systeem past gemakkelijk in de palm van uw hand. Toch is hij uitgerust met alle pompen en kleppen die nodig zijn om een ​​monster door te duwen. Het actieve gebied van het nieuwste ontwerp is gevuld met kleine bolletjes die aminozuren in zure oplossingen aantrekken, terwijl zouten en andere smurrie aan de andere kant naar een afvalstortplaats blijven stromen. Nadat het monster is gepasseerd, de aminozuren worden met een basische oplossing van de korrels gestript en verzonden naar de detector die op de chip is bevestigd.

Het ontwerpen van een voorbereidingssysteem voor de ruimte was niet eenvoudig, zei Ohiri. De hoeveelheid beschikbaar vermogen is een fractie van wat in het laboratorium kan worden gebruikt, en de materialen moeten bestand zijn tegen mogelijk extreme temperaturen en straling. Het team maakt momenteel het aminozuurzuiveringssysteem van veelgebruikte rapid prototyping-materialen, zoals harsen met hoge resolutie die worden gebruikt bij 3D-printen, maar om het materiaal ruimtewaardig te maken met behoud van zijn prestaties, Ohiri zei, blijft uitdagend. "Maar dat is wat zo opwindend is aan dit project:er zijn zoveel aspecten die echt voorop lopen."

De afweging met aminozuren, Hoewel, is dat ze overal zijn - van meteorieten tot kometen tot interstellaire wolken. Bepaalde aanwijzingen kunnen aangeven of ze biologisch zijn of niet. Aminozuren zijn er in twee vormen die elkaars spiegelbeeld zijn:de ene wordt als linkshandig beschouwd, de andere rechtshandig. Door een toevalstreffer van evolutie, al het leven op aarde gebruikt alleen de linkshandige aminozuren. Dus bij uitbreiding als het ene type meer voorkomt dan het andere in een monster uit een andere wereld, het kan een teken van leven zijn.

Bradburne, echter, koopt het niet helemaal. 'Hoe weet je dat het niet alleen besmetting is?' hij vroeg, zoals van een liftende microbe die op de een of andere manier ontsnapte aan het grondige reinigingsproces dat alle ruimtevaartuigen doormaken voordat ze worden gelanceerd. Het detecteren van leven in het universum, hij zegt, komt niet alleen neer op het detecteren van de moleculen die u zoekt, maar het minimaliseren van de kans op een vals positief resultaat en ervoor zorgen dat uw experimenten herhaalbaar zijn.

DNA en RNA zijn niet per se beter om die problemen aan te pakken, tenzij je ze kunt sequensen. En dat is waarom, toen nanopore-sequencers werden uitgevonden, het team zag een nieuwe kans.

De weg naar sequencing

Nanopore-sequencers zijn klein, machines ter grootte van een thumbdrive die een DNA- of RNA-streng kunnen nemen en de reeks moleculaire bouwstenen kunnen uitlezen waaruit het is gemaakt. De streng beweegt door een porie die slechts een miljardste van een inch breed is en waar een elektrisch veld doorheen gaat. Elke nucleotide verstoort op unieke wijze dat elektrische veld terwijl het door de porie beweegt. En een computer kan die verstoring interpreteren en precies zeggen welk nucleotide er net doorheen is gegaan.

Behalve dat het de ideale maat is voor een ruimtevaartuig, Bradburne zei, nanopore-sequencers zouden, in theorie, in staat zijn om elk type molecuul met een lange keten dat doorkomt te interpreteren - DNA, RNA, eiwitten, of een onbekende XNA. Maar ze verkleinen ook de kans dat een signaal niet alleen een verstekeling is. Op de aarde stammende organismen hebben herkenbare strengen, zoals die coderen voor specifieke enzymen en andere eiwitten die alle levende wezens op aarde gemeen hebben. Dus als sequenties overeenkomen met de reeksen die hier op aarde vaak worden gevonden, ze zijn waarschijnlijk een vals positief.

"De wetenschappelijke resultaten zouden gewoon geweldig zijn, ' zei Bradburne.

Er zijn tal van redenen, Hoewel, waarom de huidige nanopore-sequencers niet klaar zijn voor de ruimte Voor een, ze zijn gemaakt van materialen die niet bestand zijn tegen jarenlange temperaturen onder het vriespunt en straling; zelfs op aarde, ze duren slechts ongeveer zes maanden. Nog problematischer is dat ze eiwitten van stafylokokbacteriën gebruiken voor de porie, bezorgdheid uit over het per ongeluk introduceren van biologische producten van de aarde.

Die uitdagingen hebben het team gedwongen om in plaats daarvan te beginnen met het ontwikkelen van een nieuwe sequencer en bijbehorend monstervoorbereidingssysteem.

"Het idee is dat eventueel, we hebben een volledig instrument om het monster voor te bereiden zoals we het willen en het vervolgens te analyseren, ' zei Craft.

Het onderdeel monstervoorbereiding heeft het afgelopen jaar aanzienlijke vooruitgang geboekt. Het team probeert geluidsgolven en andere ontwrichtende methoden om open cellen en sporen te breken die het genetische materiaal en magnetische kralen kunnen bevatten om vervolgens de moleculen met lange keten vast te houden.

Maar het ontwerpen van de nanopore-sequencer was een grotere uitdaging. Een synthetisch platform met erin geperste nanoporiën is het meest ideaal, maar hoe de grootte van de poriën te regelen en ze zo te maken dat ze het molecuul vertragen, zodat de computer elk molecuul in de keten kan registreren terwijl het er doorheen gaat, blijft onzeker. Een Canadese medewerker stelde zelfs voor om de poriën te maken wanneer ze de bestemming bereiken om problemen met de houdbaarheid te verminderen. "Ik weet niet zeker hoe we dat zouden doen, maar er is op dit moment niets van tafel, ' zei Bradburne.

Ondanks de obstakels, het team heeft geen tijd verspild aan het praten over hun tool met onderzoekers die conceptmissies ontwikkelen. "We praten erover als we kunnen, "Knut zei, meestal om mensen te laten weten dat het een opkomend, levensvatbaar instrument.

En een recent concept, een missie naar Saturnusmaan Enceladus, bevat iets dat er erg op lijkt.

Nog een zoektocht naar het leven

Op 314 mijl breed - ongeveer de breedte van Pennsylvania - en gemiddeld negen keer verder van de zon dan de aarde, Enceladus had gewoon een bevroren bal van ijs moeten zijn.

Maar anno 2006, NASA's Cassini-missie onthulde een verleidelijke ontdekking:een pluim van waterdamp en ijs die uit vier spelonkachtige "tijgerstrepen" op de zuidpool van Enceladus spuwde. Verschillende metingen geven aan dat de fouten rechtstreeks verband houden met een wereldwijde oceaan met vloeibaar water onder het oppervlak. De oceaan kan een interactie aangaan met de rotsachtige kern van de maan op een manier die vergelijkbaar is met de diepzee hydrothermale ventilatieopeningen van de aarde, waar bijna 600 diersoorten leven en gedijen.

Toen Cassini door de pluimen ging, het vond moleculen zoals methaan, kooldioxide, en ammoniak - vermoedelijke chemische fragmenten van complexere moleculen met vier van de zes elementen die essentieel zijn voor het leven:koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof.

"Enceladus is een oceaanwereld waar we genoeg gegevens hebben om verder te gaan dan te vragen of het bewoonbaar is, " zei Shannon MacKenzie, een planetaire wetenschapper bij APL. "Bij Enceladus, we zijn klaar om de volgende stap te zetten en te zoeken naar tekenen van leven."

MacKenzie leidde onlangs de ontwikkeling van een missieconcept dat precies dat zou doen. Het heet de Enceladus Orbilander, en het zou werken zoals het klinkt:part-orbiter, deellander. Zes instrumenten zouden metingen uitvoeren op materiaal verzameld uit de pluim van Enceladus om te zoeken naar verschillende potentiële biosignaturen - links- en rechtshandige aminozuren, vetten en andere langketenige koolwaterstoffen, moleculen die genetische informatie kunnen opslaan, en zelfs celachtige structuren.

Als missieconcept de Orbilander-studie identificeert geen specifieke instrumentimplementaties zoals die die het team van Craft en Bradburne produceert, maar het omvat wel hun conceptuele ideeën.

"Er zal altijd een zekere mate van onzekerheid zijn in metingen van zoeken naar leven, "Zei MacKenzie. "Daarom hebben we een goede voorbereidingsstap voor monsters, waardoor de detectielimiet wordt geminimaliseerd, is zo belangrijk, en waarom instrumenten zoals de nanopore-sequencer hebben, die zowel identificatie als karakterisering kan bieden, zijn zo kritisch."

Met de kans om een ​​oceaanmaan te bemonsteren, Het team van Craft en Bradburne probeert te bepalen hoeveel water er nodig is om die biosignaturen te detecteren. En uiteraard, het is niet makkelijk. "Ik dacht dat we naar deze oceaanwerelden konden gaan, duik onze tenen in, en kunnen zien of het leven er is of niet, ' zei Craft. Maar zoals ze onderzoek van oceanografen heeft gelezen, ze heeft geleerd dat ze liters water moeten filteren om bewijs van leven te zoeken, zelfs hier op aarde. "Het is gewoon geweldig. Door al dat water daarbuiten, het is zo verdund, " ze zei.

Hoe verzamel je zulke grote hoeveelheden water en concentreer je ze op een andere wereld? Hoe verwerk je ze in een microchip en kijk je of daar belangrijke moleculen in zitten?

"Er zijn gewoon een aantal uitdagingen die nog niet zijn aangepakt, " zei Craft. Het team blijft maar wegstoppen, Hoewel. Vorige maand, ze voerden enkele experimenten uit door verschillende volumes verdunde aminozuurmonsters die in oceaanwater waren gespikt door hun monsterchip te spoelen. De eerste resultaten zijn veelbelovend, waarbij het systeem alle aminozuren vangt met een reeks van efficiënties die zullen worden gerapporteerd in een aankomend wetenschappelijk artikel.

Als het ooit van concept naar launchpad is gegaan, Enceladus Orbilander zou pas halverwege de jaren '30 opstijgen, het team van Craft en Bradburne wat tijd geven om zijn tools verder te ontwikkelen. Maar zelfs als de technologie nog niet klaar is voor die missie, Ohiri, zoals anderen in het team, blijft optimistisch dat de technologie op een dag zal vliegen.

"Mijn hoop is dat tegen de tijd dat de technologie volwassen genoeg is, er zal een missie in de boeken staan, en we zijn er klaar voor, " ze zei.