Holografisk billeddannelse kunne bruges til at opdage tegn på liv i rummet

Vi er muligvis i stand til at finde mikrober i rummet - men hvis vi gjorde det, kunne vi fortælle, hvad de var, og at de var i live?

Denne måned journal Astrobiologi udgiver et særnummer dedikeret til søgen efter tegn på liv på Saturns iskolde måne Enceladus. Inkluderet er et papir fra Caltechs Jay Nadeau og kolleger, der tilbyder bevis for, at en teknik kaldet digital holografisk mikroskopi, som bruger lasere til at optage 3D-billeder, kan være vores bedste bud på at spotte udenjordiske mikrober.

Ingen sonde siden NASAs vikingeprogram i slutningen af ​​1970'erne har eksplicit søgt efter udenjordisk liv - dvs. for faktiske levende organismer. Hellere, fokus har været på at finde vand. Enceladus har meget vand - et hav værd, skjult under en iskold skal, der dækker hele overfladen. Men selvom liv eksisterer der på en eller anden mikrobiel måde, vanskeligheden for videnskabsmænd på Jorden er at identificere disse mikrober fra 790 millioner miles væk.

"Det er sværere at skelne mellem en mikrobe og et støvkorn, end du skulle tro, " siger Nadeau, forskningsprofessor i medicinsk teknik og rumfart i afdelingen for ingeniørvidenskab og anvendt videnskab. "Du er nødt til at skelne mellem Brownsk bevægelse, som er den tilfældige bevægelse af stof, og det tilsigtede, selvstyret bevægelse af en levende organisme."

Enceladus er Saturns sjettestørste måne, og er 100, 000 gange mindre massiv end Jorden. Som sådan, Enceladus har en flugthastighed - den mindste hastighed, der er nødvendig for, at et objekt på månen kan undslippe sin overflade - på kun 239 meter i sekundet. Det er en brøkdel af Jordens, hvilket er lidt over 11, 000 meter i sekundet.

Enceladus 'minimale flugthastighed giver mulighed for et usædvanligt fænomen:enorme gejsere, udluftning af vanddamp gennem sprækker i månens iskolde skal, flyder jævnligt ud i rummet. Da Saturn-sonden Cassini fløj forbi Enceladus i 2005, den opdagede vanddampfluer i det sydlige polarområde og sprængte iskolde partikler ved næsten 2, 000 kilometer i timen til en højde på næsten 500 kilometer over overfladen. Forskere har beregnet, at så meget som 250 kg vanddamp blev frigivet hvert sekund i hver fane. Siden de første observationer, mere end hundrede gejsere er blevet opdaget. Dette vand menes at genopbygge Saturns diaphanous E-ring, som ellers ville forsvinde hurtigt, og var genstand for en nylig meddelelse fra NASA, der beskriver Enceladus som en "havverden", der er det nærmeste, NASA er kommet på at finde et sted med de nødvendige ingredienser til beboelighed.

Vand, der sprænger ud i rummet, giver en sjælden mulighed, siger Nadeau. Mens det er vanskeligt og dyrt at lande på et fremmedlegeme, en billigere og nemmere mulighed kunne være at sende en sonde til Enceladus og føre den gennem jetflyene, hvor den ville indsamle vandprøver, der muligvis kunne indeholde mikrober.

Forudsat at en sonde skulle gøre det, det ville åbne op for et par spørgsmål til ingeniører som Nadeau, der studerer mikrober i ekstreme miljøer. Kunne mikrober overleve en rejse i et af disse jetfly? Hvis så, hvordan kunne en sonde indsamle prøver uden at ødelægge disse mikrober? Og hvis der indsamles prøver, hvordan kan de identificeres som levende celler?

Problemet med at søge efter mikrober i en prøve af vand er, at de kan være svære at identificere. "Det sværeste ved bakterier er, at de bare ikke har en masse cellulære funktioner, "Siger Nadeau. Bakterier er normalt klatformede og altid små-mindre i diameter end en hårstreng." Nogle gange er det meget svært at se forskel på dem og sandkorn, " siger Nadeau.

Nogle strategier til at demonstrere, at en mikroskopisk plet faktisk er en levende mikrobe, involverer at søge efter mønstre i dens struktur eller studere dens specifikke kemiske sammensætning. Selvom disse metoder er nyttige, de bør bruges sammen med direkte observationer af potentielle mikrober, siger Nadeau.

"At se på mønstre og kemi er nyttigt, men jeg tror, ​​vi skal tage et skridt tilbage og lede efter mere generelle egenskaber ved levende ting, som tilstedeværelsen af ​​bevægelse. Det er, hvis du ser en E. coli, du ved, at den er i live – og ikke, sige, et sandkorn - på grund af den måde, det bevæger sig på, " siger hun. I tidligere arbejde, Nadeau foreslog, at bevægelsen udstillet af mange levende organismer potentielt kunne bruges som en robust, kemi-uafhængig biosignatur for udenjordisk liv. Bevægelsen af ​​levende organismer kan også udløses eller forstærkes ved at "fodre" mikrobernes elektroner og se dem blive mere aktive.

At studere bevægelsen af ​​potentielle mikrober fra Enceladus' faner, Nadeau foreslår at bruge et instrument kaldet et digitalt holografisk mikroskop, der er blevet modificeret specifikt til astrobiologi.

I digital holografisk mikroskopi, en genstand belyses med en laser, og lyset, der preller af objektet og tilbage til en detektor, måles. Dette spredte lys indeholder information om amplituden (intensiteten) af det spredte lys, og om dens fase (en separat egenskab, der kan bruges til at fortælle, hvor langt lyset rejste efter det spredte sig). Med de to typer information, en computer kan rekonstruere et 3D-billede af objektet - et, der kan vise bevægelse gennem alle tre dimensioner.

"Digital holografisk mikroskopi giver dig mulighed for at se og spore selv de mindste bevægelser, "Siger Nadeau. Desuden ved at mærke potentielle mikrober med fluorescerende farvestoffer, der binder sig til brede klasser af molekyler, der sandsynligvis vil være indikatorer for liv - proteiner, sukkerarter, lipider, og nukleinsyrer - "du kan se, hvad mikroberne er lavet af, " hun siger.

For at studere teknologiens potentielle nytte til at analysere udenjordiske prøver, Nadeau og hendes kolleger hentede prøver af køligt vand fra Arktis, som er tyndt befolket med bakterier; de, der er til stede, bliver træge af de kolde temperaturer.

Med holografisk mikroskopi, Nadeau var i stand til at identificere organismer med befolkningstætheder på kun 1, 000 celler pr. milliliter volumen, svarende til, hvad der findes i nogle af de mest ekstreme miljøer på Jorden, såsom subglaciale søer. Til sammenligning, det åbne hav indeholder omkring 10, 000 celler pr. milliliter og en typisk dam kan have 1-10 millioner celler pr. milliliter. Den lave tærskel for detektion, kombineret med systemets evne til at teste en masse prøver hurtigt (med en hastighed på omkring en milliliter i timen) og dets få bevægelige dele, gør den ideel til astrobiologi, siger Nadeau.

Næste, holdet vil forsøge at replikere deres resultater ved hjælp af prøver fra andre mikrobe-fattige områder på Jorden, såsom Antarktis.