Team utvikler nye verktøy for å hjelpe med å søke etter liv i det dype rommet

Er vi alene i universet? Et svar på det eldgamle spørsmålet har virket fristende innen rekkevidde siden oppdagelsen av isbelagte måner i vårt solsystem med potensielt beboelige hav under overflaten. Men å lete etter bevis på liv i et iskaldt hav hundrevis av millioner kilometer unna byr på enorme utfordringer. Det vitenskapelige utstyret som brukes må være utsøkt komplekst, men likevel i stand til å motstå intens stråling og kryogene temperaturer. Dessuten må instrumentene være i stand til å ta ulike, uavhengige, komplementære målinger som sammen kan produsere vitenskapelig forsvarlige bevis på liv.

For å løse noen av vanskelighetene som fremtidige livsdeteksjonsoppdrag kan møte, har et team ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Sør-California utviklet OWLS, en kraftig pakke med vitenskapelige instrumenter ulik alle andre. Forkortelse for Oceans Worlds Life Surveyor, OWLS er designet for å innta og analysere væskeprøver. Den har åtte instrumenter – alle automatiserte – som i et laboratorium på jorden ville kreve arbeidet til flere dusin mennesker.

En visjon for UGLER er å bruke den til å analysere frossent vann fra en dampfyr som bryter ut fra Saturns måne Enceladus. “Hvordan tar du et dryss med is en milliard miles fra jorden og fastslår – i den ene sjansen du har, mens alle på jorden venter med tilbakeholdt pust – om det er bevis på liv?” sa Peter Willis, prosjektets co-hovedetterforsker og vitenskapsleder. “Vi ønsket å lage det kraftigste instrumentsystemet du kunne designe for den situasjonen for å se etter både kjemiske og biologiske tegn på liv.”

I juni, etter et halvt tiår med arbeid, testet prosjektteamet utstyret sitt – for tiden på størrelse med noen få arkivskap – på det salte vannet i Mono Lake i Californias østlige Sierra. OWLS fant kjemiske og cellulære bevis på liv, ved å bruke den innebygde programvaren for å identifisere bevisene uten menneskelig innblanding.

“Vi har demonstrert den første generasjonen av OWLS-suiten,” sa Willis. “Neste trinn er å tilpasse og miniatyrisere den for spesifikke oppdragsscenarier.”

Utfordringer, løsninger

En hovedvanskelighet OWLS-teamet sto overfor var hvordan man behandler væskeprøver i verdensrommet. På jorden kan forskere stole på tyngdekraften, en rimelig laboratorietemperatur og lufttrykk for å holde prøvene på plass, men disse forholdene eksisterer ikke på et romfartøy som suser gjennom solsystemet eller på overflaten av en frossen måne. Så teamet designet to instrumenter som kan trekke ut en væskeprøve og behandle den i romforholdene.

Siden det ikke er klart hvilken form livet kan ha på en havverden, trengte UGLER også å inkludere det bredest mulige utvalget av instrumenter, som er i stand til å måle et størrelsesområde fra enkeltmolekyler til mikroorganismer. For det formål, kom prosjektet sammen med to delsystemer: ett som bruker en rekke kjemiske analyseteknikker ved bruk av flere instrumenter, og ett med flere mikroskoper for å undersøke visuelle ledetråder.

OWLS’ mikroskopsystem ville være det første i verdensrommet som er i stand til å avbilde celler. Utviklet i samarbeid med forskere ved Portland State University i Oregon, kombinerer den et digitalt holografisk mikroskop, som kan identifisere celler og bevegelse gjennom volumet av en prøve, med to fluorescerende bildeapparater, som bruker fargestoffer for å observere kjemisk innhold og cellulære strukturer. Sammen gir de overlappende visninger med en oppløsning på mindre enn en enkelt mikron, eller omtrent 0,00004 tommer.

Kalt Extant Life Volumetric Imaging System (ELVIS), mikroskopundersystemet har ingen bevegelige deler – en sjeldenhet. Og den bruker maskinlæringsalgoritmer for både å komme inn i naturtro bevegelser og oppdage gjenstander som er opplyst av fluorescerende molekyler, enten de forekommer naturlig i levende organismer eller som tilsatte fargestoffer bundet til deler av celler.

“Det er som å lete etter en nål i en høystakk uten å måtte plukke opp og undersøke hver enkelt høybit,” sa co-hovedetterforsker Chris Lindensmith, som leder mikroskop team. “Vi tar i utgangspunktet store armer med høy og sier: ‘Å, det er nåler her, her og her’.”

For å undersøke mye mindre former for bevis, bruker OWLS sitt Organic Capillary Electrophoresis Analysis System (OCEANS), som i hovedsak trykkkoker væskeprøver og mater dem til instrumenter som søker etter livets kjemiske byggesteiner: alle varianter av aminosyrer, også som fettsyrer og organiske forbindelser. Systemet er så følsomt at det til og med kan oppdage ukjente former for karbon. Willis, som ledet utviklingen av OCEANS, sammenligner det med en hai som kan lukte bare ett molekyl blod i en milliard molekyler med vann – og også fortelle blodtypen. Det ville være bare det andre instrumentsystemet som utfører flytende kjemisk analyse i verdensrommet, etter instrumentet Microscopy, Electrochemistry and Conductivity Analyzer (MECA) på NASAs Phoenix Mars Lander.

OCEANS bruker en teknikk som kalles kapillærelektroforese – i utgangspunktet kjører en elektrisk strøm gjennom en prøve for å skille den inn i dens komponenter. Prøven blir deretter rutet til tre typer detektorer, inkludert en massespektrometerdet kraftigste verktøyet for å identifisere organiske forbindelser.

Sender den hjem

Disse delsystemene produserer enorme mengder data, bare anslagsvis 0,0001 % av disse kan sendes tilbake til den fjerne jorden på grunn av dataoverføringshastigheter som er mer begrenset enn oppringt internett fra 1980-tallet. Så OWLS har blitt designet med det som kalles “onboard science instrument autonomy.” Ved å bruke algoritmer ville datamaskiner analysere, oppsummere, prioritere og velge bare de mest interessante dataene som skal sendes hjem, samtidig som de tilbyr et “manifest” av informasjon som fortsatt er om bord.

“Vi begynner å stille spørsmål nå som krever mer sofistikerte instrumenter,” sa Lukas Mandrake, prosjektets ingeniør for instrumentautonomi. “Er noen av disse andre planetene beboelige? Finnes det forsvarlige vitenskapelige bevis for liv i stedet for et hint om at det kan være der? Det krever instrumenter som tar mye data, og det er det OWLS og dens vitenskapelige autonomi er satt opp for å oppnå. ”

---

---