Potremmo essere in grado di trovare microbi nello spazio, ma se lo facessimo, potremmo dire cosa erano, e che erano vivi?

Questo mese il diario Astrobiologia pubblica un numero speciale dedicato alla ricerca di segni di vita sulla gelida luna di Saturno Encelado. È incluso un documento di Jay Nadeau e colleghi del Caltech che offre prove che una tecnica chiamata microscopia olografica digitale, che utilizza i laser per registrare immagini 3D, potrebbe essere la nostra migliore scommessa per individuare microbi extraterrestri.

Nessuna sonda dal programma Viking della NASA alla fine degli anni '70 ha cercato esplicitamente la vita extraterrestre, cioè per gli organismi viventi reali. Piuttosto, l'obiettivo è stato trovare l'acqua. Encelado ha molta acqua, il valore di un oceano, nascosto sotto un guscio ghiacciato che ricopre l'intera superficie. Ma anche se la vita esiste lì in qualche modo microbico, la difficoltà per gli scienziati sulla Terra è identificare quei microbi da 790 milioni di miglia di distanza.

"È più difficile distinguere tra un microbo e un granello di polvere di quanto si pensi, "dice Nadeau, professore di ingegneria medica e aerospaziale presso la Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate. "Devi distinguere tra moto browniano, che è il moto casuale della materia, e l'intenzionale, moto autodiretto di un organismo vivente".

Encelado è la sesta luna più grande di Saturno, ed è 100, 000 volte meno massiccio della Terra. Come tale, Encelado ha una velocità di fuga, la velocità minima necessaria a un oggetto sulla luna per sfuggire dalla sua superficie, di soli 239 metri al secondo. Questa è una frazione di quella terrestre, che è poco più di 11, 000 metri al secondo.

La minuscola velocità di fuga di Encelado consente un fenomeno insolito:enormi geyser, sfogare vapore acqueo attraverso le crepe nel guscio ghiacciato della luna, lancia regolarmente nello spazio. Quando la sonda di Saturno Cassini volò vicino a Encelado nel 2005, ha individuato pennacchi di vapore acqueo nella regione del polo sud che hanno fatto esplodere particelle ghiacciate a quasi 2, 000 chilometri all'ora ad un'altitudine di quasi 500 chilometri sopra la superficie. Gli scienziati hanno calcolato che ogni secondo vengono rilasciati fino a 250 chilogrammi di vapore acqueo in ogni pennacchio. Da quelle prime osservazioni, sono stati individuati più di cento geyser. Si pensa che quest'acqua ricostituisca l'anello E diafano di Saturno, che altrimenti si dissolverebbe rapidamente, ed è stato oggetto di un recente annuncio della NASA che descrive Encelado come un "mondo oceanico" che è quanto di più vicino la NASA sia arrivata a trovare un luogo con gli ingredienti necessari per l'abitabilità.

L'acqua che esplode nello spazio offre una rara opportunità, dice Nadeau. Mentre atterrare su un corpo estraneo è difficile e costoso, un'opzione più economica e più semplice potrebbe essere quella di inviare una sonda a Encelado e farla passare attraverso i getti, dove raccoglierebbe campioni di acqua che potrebbero contenere microbi.

Supponendo che una sonda dovesse farlo, aprirebbe alcune domande per ingegneri come Nadeau, che studia i microbi in ambienti estremi. I microbi potrebbero sopravvivere a un viaggio in uno di quei jet? Se è così, come potrebbe una sonda raccogliere campioni senza distruggere quei microbi? E se si raccolgono campioni, come potrebbero essere identificate come cellule viventi?

Il problema con la ricerca di microbi in un campione d'acqua è che possono essere difficili da identificare. "La cosa più difficile dei batteri è che non hanno molte caratteristiche cellulari, " Dice Nadeau. I batteri sono solitamente a forma di chiazza e sempre minuscoli, di diametro inferiore a una ciocca di capelli. "A volte è molto difficile distinguere tra loro e i granelli di sabbia, "dice Nadeau.

Alcune strategie per dimostrare che un granello microscopico è in realtà un microbo vivente implicano la ricerca di schemi nella sua struttura o lo studio della sua composizione chimica specifica. Sebbene questi metodi siano utili, dovrebbero essere usati insieme all'osservazione diretta di potenziali microbi, Nadeau dice.

"Guardare gli schemi e la chimica è utile, ma penso che dobbiamo fare un passo indietro e cercare caratteristiche più generali degli esseri viventi, come la presenza del movimento. Questo è, se vedi un E. coli, sai che è vivo e non, dire, un granello di sabbia, per il modo in cui si muove, " dice. Nei lavori precedenti, Nadeau ha suggerito che il movimento esibito da molti organismi viventi potrebbe essere potenzialmente utilizzato come un robusto, biofirma chimica-indipendente per la vita extraterrestre. Il movimento degli organismi viventi può anche essere attivato o potenziato "nutrendo" gli elettroni dei microbi e osservandoli diventare più attivi.

Per studiare il movimento di potenziali microbi dai pennacchi di Encelado, Nadeau propone di utilizzare uno strumento chiamato microscopio olografico digitale che è stato modificato specificamente per l'astrobiologia.

Nella microscopia olografica digitale, un oggetto viene illuminato con un laser e viene misurata la luce che rimbalza sull'oggetto e torna a un rilevatore. Questa luce diffusa contiene informazioni sull'ampiezza (l'intensità) della luce diffusa, e sulla sua fase (una proprietà separata che può essere usata per dire quanto lontano ha viaggiato la luce dopo essersi dispersa). Con i due tipi di informazioni, un computer può ricostruire un'immagine 3D dell'oggetto, una che può mostrare il movimento attraverso tutte e tre le dimensioni.

"La microscopia olografica digitale consente di vedere e monitorare anche il più piccolo dei movimenti, " dice Nadeau. Inoltre, etichettando potenziali microbi con coloranti fluorescenti che si legano ad ampie classi di molecole che potrebbero essere indicatori di vita:proteine, zuccheri, lipidi, e acidi nucleici—"si può dire di cosa sono fatti i microbi, " lei dice.

Per studiare la potenziale utilità della tecnologia per l'analisi di campioni extraterrestri, Nadeau e i suoi colleghi hanno ottenuto campioni di acqua gelida dall'Artico, che è scarsamente popolato di batteri; quelli che sono presenti sono resi pigri dalle temperature fredde.

Con la microscopia olografica, Nadeau è stato in grado di identificare organismi con densità di popolazione di appena 1, 000 cellule per millilitro di volume, simile a quello che esiste in alcuni degli ambienti più estremi della Terra, come i laghi subglaciali. Per confronto, l'oceano aperto contiene circa 10, 000 cellule per millilitro e un tipico laghetto potrebbe avere da 1 a 10 milioni di cellule per millilitro. Quella soglia bassa per il rilevamento, insieme alla capacità del sistema di testare rapidamente molti campioni (a una velocità di circa un millilitro all'ora) e le sue poche parti mobili, lo rende ideale per l'astrobiologia, Nadeau dice.

Prossimo, il team tenterà di replicare i propri risultati utilizzando campioni provenienti da altre regioni povere di microbi sulla Terra, come l'Antartide.