Quando raggiunsero la superficie di Marte nel 1976, I due lander Viking della NASA sono atterrati con un leggero tonfo. A 7 piedi di altezza, 10 piedi di lunghezza, e del peso di circa 1, 300 libbre, questi veicoli spaziali, la prima missione degli Stati Uniti ad atterrare con successo sulla superficie marziana, sembravano insetti delle pillole troppo cresciuti.

Quello che c'era davanti a loro era un arrugginito, terra desolata polverosa disseminata di rocce sotto un cielo marrone-arancio, molto lontano dalle affollate metropoli aliene che gli scrittori e i film di fantascienza avevano raffigurato. Gli scienziati non si aspettavano mai città aliene, ma sospettavano che colonie di alieni microbici potessero essere in agguato nel suolo marziano. I lander furono i primi a cercare la vita extraterrestre.

Entrambi i lander erano dotati di tre strumenti automatici di rilevamento della vita, ognuno dei quali ha incubato un campione dalla superficie, studiando l'aria sopra per molecole come l'anidride carbonica, che potrebbe indicare la fotosintesi, o metano, quali microbi potrebbero produrre mentre metabolizzano i nutrienti forniti dai lander.

Uno degli strumenti ha ricevuto un segnale positivo. L'esperimento di rilascio etichettato, tracciare il carbonio radioattivo mentre si sposta dallo zucchero digeribile all'anidride carbonica digerita, ho visto il segno rivelatore della vita, metabolizzare i microbi.

Gli altri due esperimenti, però, mai fatto.

Quella possibile scoperta ha acceso un dibattito che persiste ancora oggi, con i sostenitori che insistono (e nuove ricerche suggeriscono) che solo qualcosa di vivo avrebbe potuto dare quel segnale positivo.

Ma come molti nella comunità scientifica, Kate Craft, uno scienziato planetario presso il Laboratorio di Fisica Applicata Johns Hopkins, rimane scettico. "È stato un buon esperimento, ma era molto limitato in ciò che era in grado di rilevare, " affermò.

Per uno, gli esperimenti Viking presumevano che i microbi su Marte avrebbero mangiato i nutrienti che gli abbiamo fornito, il che non è necessariamente vero. E anche se lo facessero, è ancora difficile credere a una sola linea di prove. "Vogliamo sempre avere positivi sulle firme multiple, " lei disse.

Più problematico, anche se, è che gli scienziati all'epoca non sapevano che la superficie di Marte fosse ricoperta di sali di perclorato, minerali contenenti cloro e ossigeno che gli esperimenti mostrano possono distruggere molecole organiche e microbi quando riscaldati, producendo gas di cloro, che i lander vichinghi in effetti rilevarono. Nessuno sapeva che i sali c'erano fino al 2008, quando il lander Phoenix della NASA li ha scoperti.

Per Craft e il suo collega Chris Bradburne, un biologo e scienziato senior presso l'APL, le missioni vichinghe hanno sottolineato la mostruosa sfida che gli scienziati devono affrontare per affermare definitivamente che abbiamo trovato la vita su un altro mondo. Il tipo, fideiussione, e la ripetibilità di quella prova sono tutte importanti. Numerose astronavi da quando i lander vichinghi sono tornati su Marte, ricerca di molecole organiche, che contengono principalmente carbonio, idrogeno, e ossigeno. Sono comunemente associati alla vita, ma non sono indicatori sicuri di essa.

Ma la rivelazione sui sali su Marte ha evidenziato un aspetto più saliente, anche se un po' poco interessante, punto:le possibilità di rilevare segni di vita anche con la migliore tecnologia sono probabilmente scarse se non si purificano prima i campioni.

I ricercatori si sono fissati sul lato del rilevamento dell'equazione, ma la preparazione del campione, un passaggio precedente nel flusso di lavoro, è stata per lo più ignorata. I sali sono particolarmente preoccupanti, poiché possono rendere difficile l'analisi, e gli obiettivi principali per le future missioni di rilevamento della vita sono luoghi con sale, oceani di acqua liquida sotto le loro superfici, mondi come la luna di Giove Europa e la luna di Saturno Encelado.

Dal 2013, Bradburne, Mestiere, e un team di ricercatori dell'APL hanno sviluppato nuovi, sistemi microfluidici palmari per futuri veicoli spaziali per affrontare questa sfida. Possono purificare e isolare molecole che potrebbero essere forti indicatori di vita:aminoacidi, proteine, RNA, DNA.

"È molto più sexy pensare al rilevatore, " ha detto Bradburne. "Ma se non puoi preparare i tuoi campioni e ottimizzarli in modo che il tuo sensore possa rilevare ciò che stai cercando, non ti fanno bene".

Ma il team sta spingendo ancora oltre uno dei loro strumenti:un sequencer per lo spazio. Non solo preparerebbe e concentrerebbe le molecole a catena lunga come il DNA e l'RNA, ma pompa il loro intero codice genetico proprio a destinazione. Inoltre, rileverebbe queste molecole se sono come DNA e RNA terrestri o no, fornendo la capacità di rilevare la vita con un'origine completamente separata.

"Potrebbe darti un segnale davvero conclusivo, " ha detto Bradburne. Devi solo capire come costruirlo.

Le macchine per la pulizia

Craft e Bradburne avevano preso in considerazione la creazione di un chip per la preparazione del campione per DNA e RNA nel 2014, costruendo il lavoro che Bradburne ha iniziato alcuni anni prima.

Per quanto riguarda gli indicatori di vita, DNA e RNA sono relativamente in alto nella lista, poiché entrambi formano la spina dorsale da cui si è evoluta tutta la vita sulla Terra. Ma è proprio per questo motivo che molti scienziati erano scettici sulla ricerca di DNA e RNA in altre parti del sistema solare.

Affinché il materiale genetico trasmetta informazioni tra generazioni, hanno discusso, gli organismi avrebbero già dovuto evolversi in una certa misura; una possibilità abbastanza improbabile, Artigianato detto. Come tale, molti scienziati hanno considerato il DNA e l'RNA biofirme meno importanti e hanno invece dato la priorità agli altri elementi costitutivi della vita, come gli amminoacidi, i costituenti di tutte le proteine ​​e gli enzimi. "La vita non dovrebbe essere 'come evoluta' per quelle firme, "Il mestiere spiegato.

Così, il team ha cambiato marcia per realizzare un sistema di preparazione dei campioni in miniatura per gli amminoacidi. Il chimico APL Jen Skerritt, ingegnere chimico Tess Van Volkenburg, e più tardi Korine Ohiri, un esperto in microfluidica, entrato a far parte della squadra. Dal 2018, hanno gradualmente perfezionato il design.

A circa 4 pollici di larghezza, 4 pollici di lunghezza, e alto 2 pollici, il sistema può stare facilmente nel palmo della tua mano. Eppure è dotato di tutte le pompe e le valvole necessarie per far passare un campione. La regione attiva dell'ultimo design è piena di minuscole perline che attraggono gli amminoacidi in soluzioni acide mentre i sali e altri residui continuano a defluire dall'altra parte in un deposito di rifiuti. Dopo che il campione è passato, gli amminoacidi vengono estratti dalle perline con una soluzione basica e spediti a qualsiasi rivelatore collegato al chip.

Progettare un sistema di preparazione per lo spazio non è stato facile, disse Ohiri. La quantità di energia disponibile è frazioni di ciò che può essere utilizzato in laboratorio, e i materiali devono resistere a temperature e radiazioni potenzialmente estreme. Il team sta attualmente realizzando il sistema di purificazione degli amminoacidi da comuni materiali di prototipazione rapida, come le resine ad alta risoluzione utilizzate nella stampa 3D, ma ottenere che il materiale sia degno di spazio pur mantenendo le sue prestazioni, Ohiri ha detto, rimane impegnativo. "Ma questo è ciò che è così eccitante in questo progetto:ci sono così tanti aspetti che sono davvero all'avanguardia".

Il compromesso con gli amminoacidi, anche se, è che sono ovunque, dai meteoriti alle comete alle nuvole interstellari. Alcuni indizi possono indicare se sono biologici o meno. Gli amminoacidi si presentano in due forme che sono immagini speculari l'una dell'altra:una considerata mancina, l'altro destrorso. Attraverso qualche colpo di fortuna dell'evoluzione, tutta la vita sulla Terra usa solo gli amminoacidi levogiri. Quindi per estensione, se un tipo appare più dell'altro in un campione di un altro mondo, potrebbe essere un segno di vita.

Bradburne, però, non lo compra completamente. "Come fai a sapere che non è solo contaminazione?" chiese, come da un microbo che fa l'autostop che in qualche modo è sfuggito al processo di pulizia profonda che tutte le navicelle spaziali attraversano prima del lancio. Rilevare la vita nell'universo, lui dice, si riduce non solo a rilevare le molecole che stai cercando, ma riducendo al minimo le possibilità di ottenere un falso positivo e assicurandosi che i tuoi esperimenti siano ripetibili.

DNA e RNA non sono necessariamente migliori per affrontare questi problemi a meno che tu non possa sequenziarli. Ed ecco perché, quando furono inventati i sequenziatori di nanopori, il team ha visto una nuova opportunità.

La strada per il sequenziamento

I sequenziatori Nanopore sono piccoli, macchine delle dimensioni di una chiavetta che possono prendere un filamento di DNA o RNA e leggere la serie di blocchi molecolari di cui è fatto. Il filo si muove attraverso un poro largo solo miliardesimi di pollice e attraversato da un campo elettrico. Ogni nucleotide interrompe in modo univoco quel campo elettrico mentre si muove attraverso il poro. E un computer può interpretare quell'interruzione e dire esattamente quale nucleotide è appena passato.

Oltre ad essere la dimensione ideale per un veicolo spaziale, Bradburne ha detto, i sequenziatori di nanopori dovrebbero, in teoria, essere in grado di interpretare qualsiasi tipo di molecola a catena lunga che passa attraverso il DNA, RNA, proteine, o qualche XNA sconosciuto. Ma riducono anche le possibilità che un segnale non sia solo un microbo clandestino. Gli organismi terrestri hanno filamenti riconoscibili, come quelli che codificano per enzimi specifici e altre proteine ​​comuni agli esseri viventi sulla Terra. Quindi, se le sequenze sembrano corrispondere a quelle che si trovano frequentemente qui sulla Terra, sono probabilmente un falso positivo.

"I ritorni scientifici sarebbero semplicemente fantastici, "Ha detto Bradburne.

Ci sono una serie di ragioni, anche se, perché gli attuali sequenziatori a nanopori non sono pronti per lo spazio. Per uno, sono fatti di materiali che non possono resistere ad anni di temperature sotto lo zero e radiazioni; anche sulla Terra, durano solo circa sei mesi. Ancora più problematico è che usano le proteine ​​dei batteri dello stafilococco per i pori, sollevando preoccupazione per l'introduzione accidentale di prodotti biologici dalla Terra.

Queste sfide hanno costretto il team a iniziare invece a sviluppare un nuovo sequenziatore e il relativo sistema di preparazione del campione.

"L'idea è che, infine, avremo uno strumento completo per preparare il campione come vogliamo e poi analizzarlo, "Ha detto Artigianato.

La componente di preparazione del campione ha compiuto notevoli progressi nell'ultimo anno. Il team sta provando onde sonore e altri metodi dirompenti per rompere le cellule e le spore aperte che possono ospitare il materiale genetico e le perline magnetiche per poi trattenere le molecole a catena lunga.

Ma progettare il sequenziatore di nanopori è stato più impegnativo. Una piattaforma sintetica con nanopori premuti al suo interno è la più ideale, ma come controllare la dimensione dei pori e farli rallentare la molecola in modo che il computer possa registrare ogni molecola nella catena mentre passa attraverso rimane incerto. Un collaboratore canadese ha persino suggerito di creare i pori quando raggiungono la destinazione per mitigare i problemi con la durata di conservazione. "Non sono sicuro di come lo faremmo, ma niente è fuori discussione in questo momento, "Ha detto Bradburne.

Nonostante gli ostacoli, il team non ha perso tempo a parlare del proprio strumento con i ricercatori che sviluppano missioni concettuali. "Ne parliamo quando possiamo, " Artigianato ha detto, principalmente per far sapere alla gente che è imminente, strumento valido.

E un concetto recente, una missione sulla luna di Saturno Encelado, include qualcosa di molto simile ad esso.

Un'altra ricerca della vita

A 314 miglia di larghezza, circa la larghezza della Pennsylvania, e in media nove volte più lontano dal Sole della Terra, Encelado avrebbe dovuto essere solo una palla di ghiaccio congelata.

Ma nel 2006, La missione Cassini della NASA ha rivelato una scoperta allettante:un pennacchio di vapore acqueo e ghiaccio che fuoriesce da quattro "strisce di tigre" cavernose al polo sud di Encelado. Varie misurazioni indicano che le faglie si collegano direttamente a un oceano globale di acqua liquida sotto la superficie. L'oceano potrebbe interagire con il nucleo roccioso della luna in un modo simile alle bocche idrotermali di acque profonde della Terra, dove vivono e prosperano quasi 600 specie animali.

Mentre Cassini passava attraverso i pennacchi, ha trovato molecole come il metano, diossido di carbonio, e ammoniaca:sospetti frammenti chimici di molecole più complesse con quattro dei sei elementi chiave per la vita:carbonio, idrogeno, azoto e ossigeno.

"Encelado è un mondo oceanico in cui abbiamo abbastanza dati per andare oltre a chiederci se è abitabile, "ha detto Shannon MacKenzie, uno scienziato planetario all'APL. "A Encelado, siamo pronti a fare il passo successivo e a cercare segni di vita".

MacKenzie ha recentemente guidato lo sviluppo di un concetto di missione che farebbe proprio questo. Si chiama Encelado Orbilander, e funzionerebbe proprio come suona:part-orbitar, parte-lander. Sei strumenti effettueranno misurazioni sul materiale raccolto dal pennacchio di Encelado per cercare diverse potenziali biofirme:amminoacidi levogiri e destrorsi, grassi e altri idrocarburi a catena lunga, molecole capaci di immagazzinare informazioni genetiche, e persino strutture simili a cellule.

Come concetto di missione, lo studio Orbilander non identifica implementazioni di strumenti specifici come quelli che il team di Craft e Bradburne sta producendo, ma include le loro idee concettuali.

"Ci sarà sempre una certa incertezza nelle misurazioni della ricerca della vita, " ha detto MacKenzie. "Ecco perché avere una buona fase di preparazione del campione, che aiuta a ridurre al minimo il limite di rilevamento, è così importante, e perché avere strumenti come il sequenziatore nanopori, che può offrire sia l'identificazione che la caratterizzazione, sono così critici."

Con la possibilità di campionare una luna oceanica, Il team di Craft e Bradburne sta cercando di determinare quanta acqua è necessaria per rilevare quelle biofirme. Ed ovviamente, non è facile. "Pensavo che potessimo andare in questi mondi oceanici, immergici le dita dei piedi, e poter vedere se la vita c'è o no, " disse Craft. Ma mentre leggeva le ricerche degli oceanografi, ha imparato che devono filtrare litri d'acqua per cercare prove di vita, anche qui sulla Terra. "È semplicemente fantastico. A causa di tutta quell'acqua là fuori, è così diluito, " lei disse.

Come si raccolgono volumi d'acqua così grandi e li si concentra su un altro mondo? Come li elabori in un microchip e vedi se ci sono molecole importanti lì?

"Ci sono solo un sacco di sfide che non sono state ancora affrontate, " Craft ha detto. La squadra continua a collegarsi, anche se. Lo scorso mese, hanno eseguito alcuni esperimenti lavando vari volumi di campioni di amminoacidi diluiti addizionati nell'acqua dell'oceano attraverso il loro chip campione. I primi risultati sono promettenti, con il sistema che cattura tutti gli amminoacidi con una gamma di efficienze che verrà riportata in un prossimo articolo scientifico.

Se mai passato dal concetto al launchpad, Encelado Orbilander non sarebbe decollato fino alla metà degli anni '30, dando al team di Craft e Bradburne un po' di tempo per sviluppare ulteriormente i propri strumenti. Ma anche se la tecnologia non è pronta per quella missione, Ohiri, come gli altri della squadra, rimane ottimista sul fatto che la tecnologia un giorno volerà.

"La mia speranza è che quando la tecnologia sarà abbastanza matura, ci sarà una missione sui libri, e saremo pronti per questo, " lei disse.