Quando eles alcançaram a superfície de Marte em 1976, As duas sondas Viking da NASA pousaram com um baque suave. Com 7 pés de altura, 10 pés de comprimento, e pesando cerca de 1, 300 libras, essas espaçonaves - a primeira missão dos EUA a pousar com sucesso na superfície marciana - pareciam insetos de pílula crescidos.

O que estava diante deles estava enferrujado, terreno baldio empoeirado coberto de pedras sob um céu laranja-amarelado, muito distante das movimentadas metrópoles estrangeiras que escritores e filmes de ficção científica haviam retratado. Os cientistas nunca esperaram cidades alienígenas, mas eles suspeitaram que colônias de alienígenas microbianos podem estar à espreita em solo marciano. Os landers foram os primeiros a procurar vida extraterrestre.

Ambas as sondas foram equipadas com três instrumentos automatizados de detecção de vida, cada um dos quais incubou uma amostra da superfície, estudar o ar acima em busca de moléculas como o dióxido de carbono, que pode indicar fotossíntese, ou metano, quais micróbios podem produzir à medida que metabolizam os nutrientes fornecidos pelas sondas.

Um dos instrumentos recebeu um sinal positivo. O experimento de lançamento rotulado, rastrear o carbono radioativo conforme ele se movia do açúcar digerível para o dióxido de carbono digerido, vi o sinal revelador de vida, metabolizando micróbios.

Os dois outros experimentos, Contudo, nunca fiz.

Essa possível descoberta gerou um debate que persiste até hoje, com os proponentes insistindo (e novas pesquisas sugerindo) que apenas algo vivo poderia ter feito aquele sinal positivo.

Mas, como muitos na comunidade científica, Kate Craft, um cientista planetário do Laboratório de Física Aplicada Johns Hopkins, permanece cético. "Foi uma boa experiência, mas era muito limitado no que era capaz de detectar, "afirmou ela.

Para um, os experimentos Viking presumiram que micróbios em Marte comeriam os nutrientes que fornecemos a eles, o que não é necessariamente verdade. E mesmo se eles fizessem, ainda é difícil acreditar em apenas uma linha de evidência. "Sempre queremos ter positivos em várias assinaturas, " ela disse.

Mais problemático, no entanto, é que os cientistas da época não sabiam que a superfície de Marte é coberta por sais de perclorato, minerais contendo cloro e oxigênio que os experimentos mostram que podem destruir moléculas orgânicas e micróbios quando aquecidos - produzindo gases de cloro, que as sondas Viking de fato detectaram. Ninguém sabia que os sais estavam lá até 2008, quando a sonda Phoenix da NASA os descobriu.

Para Craft e seu colega Chris Bradburne, um biólogo e cientista sênior da APL, as missões Viking destacaram o desafio monstruoso que os cientistas enfrentam para dizer definitivamente que encontramos vida em outro mundo. O tipo, garantia, e a repetibilidade dessa evidência, todos importam. Numerosas espaçonaves desde que as sondas Viking retornaram a Marte, procurando por moléculas orgânicas, que contêm principalmente carbono, hidrogênio, e oxigênio. Eles são comumente associados à vida, mas não são indicadores seguros dela.

Mas a revelação sobre os sais em Marte destacou um aspecto mais saliente, embora um tanto pouco inspirador, Ponto:As chances de detectar sinais de vida até mesmo com a melhor tecnologia são provavelmente pequenas se você não purificar suas amostras primeiro.

Os pesquisadores se fixaram no lado da detecção da equação, mas a preparação da amostra - uma etapa anterior no fluxo de trabalho - foi praticamente ignorada. Os sais são particularmente preocupantes, uma vez que podem dificultar a análise, e os principais alvos para futuras missões de detecção de vida são lugares com sal, oceanos de água líquida abaixo de suas superfícies - mundos como a lua de Júpiter, Europa, e a lua de Saturno, Enceladus.

Desde 2013, Bradburne, Artesanato, e uma equipe de pesquisadores da APL tem desenvolvido novos, sistemas microfluídicos do tamanho da palma da mão para futuras espaçonaves para enfrentar esse desafio. Eles podem purificar e isolar moléculas que podem ser fortes indicadores de vida - aminoácidos, proteínas, RNA, DNA.

"É muito mais sexy pensar sobre o detector, "Bradburne disse." Mas se você não pode preparar suas amostras e otimizá-las para que seu sensor possa detectar o que você está procurando, eles não te fazem nenhum bem. "

Mas a equipe está levando um de seus instrumentos ainda mais longe:um sequenciador para o espaço. Ele não apenas prepararia e concentraria moléculas de cadeia longa como DNA e RNA, mas também bombearia todo o seu código genético direto no destino. Adicionalmente, detectaria essas moléculas, sejam elas como DNA e RNA terrestre ou não, fornecendo a capacidade de detectar vida com uma origem totalmente separada.

"Pode dar um sinal realmente conclusivo, "Bradburne disse. Você só tem que descobrir como construí-lo.

As maquinas de limpeza

Craft e Bradburne haviam considerado a criação de um chip de preparação de amostra para DNA e RNA em 2014, construir trabalhos que Bradburne começou alguns anos antes.

No que diz respeito aos indicadores de vida, DNA e RNA estão relativamente no topo da lista, uma vez que ambos formam a espinha dorsal da qual toda a vida na Terra evoluiu. Mas é exatamente por esse motivo que muitos cientistas se mostraram céticos quanto à busca de DNA e RNA em outras partes do sistema solar.

Para que o material genético transmita informações entre gerações, eles discutiram, os organismos já teriam que evoluir até certo ponto; uma possibilidade bastante improvável, Craft disse. Como tal, muitos cientistas consideraram DNA e RNA bioassinaturas menos importantes e, em vez disso, priorizaram os outros blocos de construção da vida, como aminoácidos - os constituintes de todas as proteínas e enzimas. "A vida não teria que ser 'tão evoluída' para essas assinaturas, "Craft explicou.

Então, a equipe mudou de marcha para fazer um sistema de preparação de amostras em miniatura para aminoácidos. Química da APL Jen Skerritt, engenheira química Tess Van Volkenburg, e mais tarde Korine Ohiri, um especialista em microfluídica, juntou-se à equipe. Desde 2018, eles estão gradualmente aperfeiçoando o design.

Com cerca de 4 polegadas de largura, 4 polegadas de comprimento, e 2 polegadas de altura, o sistema cabe facilmente na palma da sua mão. Ainda assim, está equipado com todas as bombas e válvulas necessárias para empurrar uma amostra. A região ativa do projeto mais recente é preenchida com minúsculos grânulos que atraem aminoácidos em soluções ácidas, enquanto os sais e outras gosma continuam a fluir do outro lado para um depósito de resíduos. Depois que a amostra passa, os aminoácidos são retirados dos grânulos com uma solução básica e enviados para qualquer detector conectado ao chip.

Projetar um sistema de preparação para o espaço não foi fácil, Ohiri disse. A quantidade de energia disponível é frações do que pode ser usado no laboratório, e os materiais precisam suportar temperatura e radiação potencialmente extremas. A equipe está atualmente fazendo o sistema de purificação de aminoácidos a partir de materiais comuns de prototipagem rápida, como resinas de alta resolução usadas na impressão 3-D, mas fazer com que o material seja digno de espaço enquanto mantém seu desempenho, Ohiri disse, continua desafiador. "Mas isso é o que é tão empolgante sobre este projeto:há tantos aspectos que estão realmente na vanguarda."

A troca com aminoácidos, no entanto, é que eles estão em toda parte - de meteoritos a cometas e nuvens interestelares. Certas pistas podem indicar se são biológicas ou não. Os aminoácidos vêm em duas formas que são imagens espelhadas uma da outra:uma considerada canhota, o outro destro. Por algum acaso da evolução, toda a vida na Terra usa apenas os aminoácidos canhotos. Então, por extensão, se um tipo aparece mais do que o outro em uma amostra de outro mundo, pode ser um sinal de vida.

Bradburne, Contudo, não acredita completamente. "Como você sabe que não é apenas contaminação?" ele perguntou, como de um micróbio carona que de alguma forma escapou do processo de limpeza profunda por que todas as espaçonaves passam antes do lançamento. Detectando vida no universo, ele diz, se resume a não apenas detectar as moléculas que você está procurando, mas minimizando as chances de obter um falso positivo e garantindo que seus experimentos possam ser repetidos.

O DNA e o RNA não são necessariamente melhores para lidar com esses problemas, a menos que você possa sequenciá-los. E é por isso, quando os sequenciadores nanopore foram inventados, a equipe viu uma nova oportunidade.

O caminho para o sequenciamento

Sequenciadores Nanopore são pequenos, máquinas do tamanho de um pen drive que podem pegar uma fita de DNA ou RNA e ler a série de blocos de construção moleculares de que ela é feita. O fio se move através de um poro com apenas bilionésimos de polegada de largura e que tem um campo elétrico passando por ele. Cada nucleotídeo interrompe exclusivamente esse campo elétrico à medida que se move através do poro. E um computador pode interpretar essa interrupção e dizer exatamente qual nucleotídeo acabou de passar.

Além de ser do tamanho ideal para uma nave espacial, Bradburne disse, sequenciadores nanopore devem, em teoria, ser capaz de interpretar qualquer tipo de molécula de cadeia longa que venha através de DNA, RNA, proteínas, ou algum XNA desconhecido. Mas também reduzem as chances de um sinal não ser apenas um micróbio clandestino. Organismos originados da Terra têm filamentos reconhecíveis, como aqueles que codificam para enzimas específicas e outras proteínas comuns aos seres vivos na Terra. Portanto, se as sequências parecem corresponder às frequentemente encontradas aqui na Terra, provavelmente são um falso positivo.

"Os resultados científicos seriam simplesmente incríveis, "Bradburne disse.

Há uma série de razões, no entanto, por que os sequenciadores nanopore atuais não estão prontos para o espaço. Para um, eles são feitos de materiais que não podem suportar anos de temperaturas abaixo de zero e radiação; mesmo na Terra, eles duram apenas cerca de seis meses. Ainda mais problemático é que eles usam proteínas de bactérias estafilococos para os poros, levantando preocupação sobre a introdução acidental de produtos biológicos da Terra.

Esses desafios forçaram a equipe a, em vez disso, começar a desenvolver um novo sequenciador e um sistema de preparação de amostra que o acompanha.

"A ideia é que, eventualmente, teremos um instrumento completo para preparar a amostra da maneira que quisermos e depois analisá-la, "Craft disse.

O componente de preparação de amostra teve avanços significativos no último ano. A equipe está tentando ondas sonoras e outros métodos disruptivos para abrir células e esporos que podem abrigar o material genético e as esferas magnéticas para, então, reter as moléculas de cadeia longa.

Mas projetar o sequenciador nanopore foi mais desafiador. Uma plataforma sintética com nanoporos pressionados é a mais ideal, mas como controlar o tamanho dos poros e fazê-los diminuir a velocidade da molécula para que o computador possa registrar cada molécula da cadeia à medida que ela passa permanece incerto. Um colaborador canadense até sugeriu fazer os poros quando eles chegam ao destino para mitigar problemas com a vida útil. "Não tenho certeza de como faríamos isso, mas nada está fora de questão agora, "Bradburne disse.

Apesar dos obstáculos, a equipe não perdeu tempo em falar sobre sua ferramenta com pesquisadores que desenvolvem missões conceituais. "Nós conversamos quando podemos, "Craft disse, principalmente para que as pessoas saibam que é um futuro instrumento viável.

E um conceito recente, uma missão para a lua de Saturno, Encélado, inclui algo muito semelhante a ele.

Outra busca pela vida

Com 314 milhas de largura - aproximadamente a largura da Pensilvânia - e, em média, nove vezes mais longe do Sol do que a Terra, Encélado deveria ser apenas uma bola de gelo congelada.

Mas em 2006, A missão Cassini da NASA revelou uma descoberta tentadora:uma nuvem de vapor d'água e gelo saindo de quatro cavernosas "listras de tigre" no pólo sul de Enceladus. Várias medições indicam que as falhas estão diretamente ligadas a um oceano global de água líquida abaixo da superfície. O oceano pode estar interagindo com o núcleo rochoso da lua de uma forma semelhante às fontes hidrotermais profundas da Terra, onde quase 600 espécies de animais vivem e prosperam.

Conforme a Cassini passava pelas plumas, ele encontrou moléculas como o metano, dióxido de carbono, e amônia - fragmentos químicos suspeitos de moléculas mais complexas com quatro dos seis elementos essenciais para a vida:carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio.

"Enceladus é um mundo oceânico onde temos dados suficientes para ir além de perguntar se ele é habitável, "disse Shannon MacKenzie, um cientista planetário da APL. "Em Enceladus, estamos prontos para dar o próximo passo e buscar sinais de vida. "

MacKenzie recentemente liderou o desenvolvimento de um conceito de missão que faria exatamente isso. É chamado de Enceladus Orbilander, e funcionaria exatamente como soa:parte orbital, part-lander. Seis instrumentos realizariam medições no material coletado da pluma de Enceladus para pesquisar várias bioassinaturas potenciais - aminoácidos destros e canhotos, gorduras e outros hidrocarbonetos de cadeia longa, moléculas capazes de armazenar informações genéticas, e até mesmo estruturas semelhantes a células.

Como um conceito de missão, o estudo Orbilander não identifica implementações de instrumentos específicos como aqueles que a equipe de Craft e Bradburne está produzindo, mas inclui suas idéias conceituais.

"Sempre haverá alguma incerteza nas medições de busca de vida, "MacKenzie disse." É por isso que ter uma boa etapa de preparação da amostra, o que ajuda a minimizar o limite de detecção, é tão importante, e por que ter instrumentos como o sequenciador nanopore, que pode oferecer identificação e caracterização, são tão críticos. "

Com a chance de amostrar uma lua do oceano, A equipe de Craft e Bradburne está tentando determinar quanta água é necessária para detectar essas bioassinaturas. E claro, não é fácil. "Eu pensei que poderíamos ir para esses mundos oceânicos, mergulhe nossos dedos do pé, e ser capaz de ver se a vida existe ou não, "Craft disse. Mas enquanto ela lia pesquisas de oceanógrafos, ela aprendeu que eles precisam filtrar litros de água para procurar evidências de vida - mesmo aqui na Terra. "É simplesmente incrível. Por causa de toda aquela água lá fora, é tão diluído, " ela disse.

Como você coleta volumes tão grandes de água e os concentra em outro mundo? Como você os processa em um microchip e vê se há alguma molécula importante lá?

"Existem vários desafios que ainda não foram resolvidos, "Craft disse. A equipe continua trabalhando, no entanto. Mês passado, eles realizaram alguns experimentos liberando vários volumes de amostras diluídas de aminoácidos cravadas na água do oceano através de seu chip de amostra. Os resultados iniciais são promissores, com o sistema capturando todos os aminoácidos em uma variedade de eficiências que serão relatadas em um próximo artigo científico.

Se alguma vez mudou do conceito para a plataforma de lançamento, Enceladus Orbilander não decolaria até meados da década de 2030, dando à equipe de Craft e Bradburne algum tempo para desenvolver ainda mais suas ferramentas. Mas mesmo que a tecnologia não esteja pronta para essa missão, Ohiri, como outros na equipe, permanece otimista de que a tecnologia um dia voará.

"Minha esperança é que, quando a tecnologia estiver madura o suficiente, haverá uma missão nos livros, e estaremos prontos para isso, " ela disse.