Cuando llegaron a la superficie de Marte en 1976, Los dos módulos de aterrizaje Viking de la NASA aterrizaron con un suave ruido sordo. A 7 pies de altura, 10 pies de largo, y pesa alrededor de 1, 300 libras, estas naves espaciales, la primera misión de los Estados Unidos en aterrizar con éxito en la superficie marciana, parecían cochinillas demasiado crecidas.

Lo que estaba delante de ellos era un oxidado, páramo polvoriento sembrado de rocas bajo un cielo naranja bronceado, muy lejos de las bulliciosas metrópolis alienígenas que los escritores y películas de ciencia ficción habían descrito. Los científicos nunca esperaron ciudades alienígenas, pero sospechaban que colonias de extraterrestres microbianos podrían estar al acecho en suelo marciano. Los módulos de aterrizaje fueron los primeros en buscar vida extraterrestre.

Ambos módulos de aterrizaje estaban equipados con tres instrumentos automáticos de detección de vida, cada uno de los cuales incubó una muestra de la superficie, estudiar el aire de arriba en busca de moléculas como el dióxido de carbono, que podría indicar fotosíntesis, o metano, qué microbios podrían producir a medida que metabolizan los nutrientes proporcionados por los módulos de aterrizaje.

Uno de los instrumentos recibió una señal positiva. El experimento de liberación etiquetado, rastrear el carbono radiactivo a medida que pasa del azúcar digerible al dióxido de carbono digerido, vi el signo revelador de la vida, metabolizar microbios.

Los otros dos experimentos, sin embargo, nunca lo hizo.

Ese posible descubrimiento provocó un debate que persiste incluso hoy, con los defensores insistiendo (y una nueva investigación sugiriendo) que solo algo vivo podría haber dado esa señal positiva.

Pero como muchos en la comunidad científica, Kate Craft, un científico planetario del Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins, permanece escéptico. "Fue un buen experimento, pero fue muy limitado en lo que pudo detectar, "Dijo.

Para uno, los experimentos de Viking asumieron que los microbios en Marte comerían los nutrientes que les proporcionamos, lo cual no es necesariamente cierto. E incluso si lo hicieran, todavía es difícil de creer solo una línea de evidencia. "Siempre queremos tener positivos en varias firmas, " ella dijo.

Más problemático, aunque, es que los científicos en ese momento no sabían que la superficie de Marte está cubierta de sales de perclorato, minerales que contienen cloro y oxígeno que, según los experimentos, pueden destruir moléculas orgánicas y microbios cuando se calientan, lo que produce gases de cloro, que, de hecho, detectaron los módulos de aterrizaje Viking. Nadie sabía que las sales estaban allí hasta 2008, cuando el módulo de aterrizaje Phoenix de la NASA los descubrió.

Para Craft y su colega Chris Bradburne, biólogo y científico senior de APL, las misiones vikingas subrayaron el monstruoso desafío al que se enfrentan los científicos para decir definitivamente que hemos encontrado vida en otro mundo. El tipo, garantía, y la repetibilidad de esa evidencia importa. Numerosas naves espaciales desde que los módulos de aterrizaje Viking han regresado a Marte, buscando moléculas orgánicas, que contienen principalmente carbono, hidrógeno, y oxigeno. Se asocian comúnmente con la vida, pero no son indicadores seguros de ella.

Pero la revelación sobre las sales en Marte destacó un aspecto más destacado, aunque algo aburrido, Punto:Las posibilidades de detectar signos de vida incluso con la mejor tecnología probablemente sean escasas si no purifica primero las muestras.

Los investigadores se han fijado en el lado de la detección de la ecuación, pero la preparación de la muestra, un paso anterior en el flujo de trabajo, se ha ignorado en su mayoría. Las sales son particularmente preocupantes, ya que pueden dificultar el análisis, y los principales objetivos para futuras misiones de detección de vida son lugares con sal, océanos de agua líquida debajo de sus superficies:mundos como la luna Europa de Júpiter y Encelado, la luna de Saturno.

Desde el 2013, Bradburne, Artesanía, y un equipo de investigadores de APL han estado desarrollando nuevos sistemas de microfluidos del tamaño de la palma de la mano para futuras naves espaciales para abordar ese desafío. Pueden purificar y aislar moléculas que podrían ser fuertes indicadores de vida:aminoácidos, proteínas, ARN, ADN.

"Es mucho más sexy pensar en el detector, ", Dijo Bradburne." Pero si no puede preparar sus muestras y optimizarlas para que su sensor pueda detectar lo que busca, no te hacen ningún bien ".

Pero el equipo está impulsando uno de sus instrumentos aún más:un secuenciador para el espacio. No solo prepararía y concentraría moléculas de cadena larga como ADN y ARN, sino que bombearía todo su código genético justo en el destino. Adicionalmente, detectaría estas moléculas si son como ADN y ARN terrestres o no, proporcionando la capacidad de detectar vida con un origen completamente separado.

"Podría darte una señal realmente concluyente, "Dijo Bradburne. Solo tienes que descubrir cómo construirlo.

Las maquinas de limpieza

Craft y Bradburne habían considerado crear un chip de preparación de muestras para ADN y ARN en 2014, basándose en el trabajo que Bradburne inició unos años antes.

En lo que respecta a los indicadores de vida, El ADN y el ARN ocupan un lugar relativamente alto en la lista, ya que ambos forman la columna vertebral a partir de la cual ha evolucionado toda la vida terrestre. Pero es por esa razón exacta que muchos científicos se mostraron escépticos a la hora de buscar ADN y ARN en otras partes del sistema solar.

Para que el material genético transmita información entre generaciones, ellos discutieron, los organismos ya habrían tenido que evolucionar hasta cierto punto; una posibilidad bastante improbable, Dijo Craft. Como tal, Muchos científicos consideraron que el ADN y el ARN eran biofirmas menos importantes y, en cambio, dieron prioridad a otros componentes básicos de la vida. como los aminoácidos, los componentes de todas las proteínas y enzimas. "La vida no tendría que ser 'tan evolucionada' para esas firmas, "Craft explicó.

Entonces, el equipo cambió de marcha para crear un sistema de preparación de muestras en miniatura para aminoácidos. La química de APL Jen Skerritt, ingeniera química Tess Van Volkenburg, y luego Korine Ohiri, un experto en microfluidos, se unió al equipo. Desde 2018, gradualmente han ido perfeccionando el diseño.

Aproximadamente 4 pulgadas de ancho, 4 pulgadas de largo, y 2 pulgadas de alto, el sistema puede caber fácilmente en la palma de su mano. Sin embargo, está equipado con todas las bombas y válvulas necesarias para hacer pasar una muestra. La región activa del último diseño está llena de pequeñas perlas que atraen aminoácidos en soluciones ácidas, mientras que las sales y otras mugre continúan fluyendo por el otro lado hacia un depósito de desechos. Después de que pase la muestra, los aminoácidos se eliminan de las perlas con una solución básica y se envían a cualquier detector conectado al chip.

Diseñar un sistema de preparación para el espacio no ha sido fácil, Ohiri dijo. La cantidad de energía disponible son fracciones de lo que se puede usar en el laboratorio, y los materiales deben soportar temperaturas y radiaciones potencialmente extremas. El equipo está fabricando actualmente el sistema de purificación de aminoácidos a partir de materiales comunes de creación rápida de prototipos, como las resinas de alta resolución utilizadas en la impresión 3D, pero lograr que el material sea digno de espacio mientras se mantiene su rendimiento, Ohiri dijo, sigue siendo un desafío. "Pero eso es lo que es tan emocionante de este proyecto:hay tantos aspectos que realmente están a la vanguardia".

La compensación con los aminoácidos, aunque, es que están en todas partes, desde meteoritos hasta cometas y nubes interestelares. Ciertas pistas pueden indicar si son biológicas o no. Los aminoácidos vienen en dos formas que son imágenes especulares entre sí:una considerada para zurdos, el otro diestro. A través de alguna casualidad de la evolución, toda la vida en la Tierra usa solo los aminoácidos zurdos. Entonces, por extensión, si un tipo aparece más que el otro en una muestra de otro mundo, podría ser un signo de vida.

Bradburne, sin embargo, no lo compra por completo. "¿Cómo sabes que no es solo contaminación?" preguntó, como de un microbio que hace autostop y que de alguna manera escapó del proceso de limpieza profunda por el que pasan todas las naves espaciales antes del lanzamiento. Detectando vida en el universo, él dice, se reduce a no solo detectar las moléculas que estás buscando, pero minimizando las posibilidades de obtener un falso positivo y asegurándose de que sus experimentos sean repetibles.

El ADN y el ARN no son necesariamente mejores para abordar esos problemas a menos que pueda secuenciarlos. Y es por eso, cuando se inventaron los secuenciadores de nanoporos, el equipo vio una nueva oportunidad.

El camino hacia la secuenciación

Los secuenciadores de nanoporos son pequeños, Máquinas del tamaño de una memoria USB que pueden tomar una hebra de ADN o ARN y leer la serie de bloques moleculares de los que está hecha. La hebra se mueve a través de un poro que tiene solo una mil millonésima de pulgada de ancho y que tiene un campo eléctrico que lo atraviesa. Cada nucleótido interrumpe de forma única ese campo eléctrico a medida que se mueve a través del poro. Y una computadora puede interpretar esa interrupción y decir exactamente qué nucleótido acaba de pasar.

Además de tener el tamaño ideal para una nave espacial, Bradburne dijo:Los secuenciadores de nanoporos deberían, En teoria, ser capaz de interpretar cualquier tipo de molécula de cadena larga que pase:ADN, ARN, proteínas, o algún XNA desconocido. Pero también reducen las posibilidades de que una señal no sea solo un microbio polizón. Los organismos de origen terrestre tienen hebras reconocibles, como las que codifican enzimas específicas y otras proteínas comunes a los seres vivos de la Tierra. Entonces, si las secuencias parecen coincidir con las que se encuentran con frecuencia aquí en la Tierra, es probable que sean un falso positivo.

"Los resultados científicos serían simplemente asombrosos, "Dijo Bradburne.

Hay un montón de razones aunque, por qué los secuenciadores de nanoporos actuales no están listos para el espacio. Para uno, están hechos de materiales que no pueden soportar años de temperaturas bajo cero y radiación; incluso en la Tierra, solo duran unos seis meses. Aún más problemático es que usan proteínas de estafilococos para el poro, suscitando preocupación por la introducción accidental de productos biológicos de la Tierra.

Esos desafíos han obligado al equipo a comenzar a desarrollar un secuenciador novedoso y un sistema de preparación de muestras que lo acompaña.

"La idea es que, finalmente, tendremos un instrumento completo para preparar la muestra de la forma que queramos y luego analizarla, "Dijo Craft.

El componente de preparación de muestras ha avanzado significativamente durante el último año. El equipo está probando ondas sonoras y otros métodos disruptivos para romper las células y las esporas que pueden albergar el material genético y las perlas magnéticas para luego retener las moléculas de cadena larga.

Pero diseñar el secuenciador de nanoporos ha sido más desafiante. Una plataforma sintética con nanoporos presionados es la más ideal, pero cómo controlar el tamaño de los poros y hacer que reduzcan la velocidad de la molécula para que la computadora pueda registrar cada molécula de la cadena a medida que pasa, sigue siendo incierto. Un colaborador canadiense incluso sugirió hacer los poros cuando llegan al destino para mitigar los problemas con la vida útil. "No estoy seguro de cómo haríamos eso, pero nada está fuera de la mesa en este momento, "Dijo Bradburne.

A pesar de los obstáculos, el equipo no ha perdido tiempo en hablar sobre su herramienta con investigadores que desarrollan misiones conceptuales. "Lo hablamos cuando podemos, Craft dijo:sobre todo para que la gente sepa que es un próximo instrumento viable.

Y un concepto reciente, una misión a Encelado, la luna de Saturno, incluye algo muy similar.

Otra busqueda de vida

Con 314 millas de ancho, aproximadamente el ancho de Pensilvania, y en promedio nueve veces más lejos del Sol que de la Tierra, Encelado debería haber sido solo una bola de hielo congelada.

Pero en 2006, La misión Cassini de la NASA reveló un descubrimiento tentador:una columna de vapor de agua y hielo que brota de cuatro cavernosas "rayas de tigre" en el polo sur de Encelado. Varias mediciones indican que las fallas se relacionan directamente con un océano de agua líquida global debajo de la superficie. El océano puede estar interactuando con el núcleo rocoso de la luna de una manera similar a los respiraderos hidrotermales de las profundidades marinas de la Tierra, donde viven y prosperan casi 600 especies animales.

Mientras Cassini atravesaba las plumas, encontró moléculas como el metano, dióxido de carbono, y amoníaco:presuntos fragmentos químicos de moléculas más complejas con cuatro de los seis elementos clave para la vida:carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno.

"Encelado es un mundo oceánico donde tenemos suficientes datos para ir más allá de preguntar si es habitable, "dijo Shannon MacKenzie, un científico planetario en APL. "En Encelado, estamos listos para dar el siguiente paso y buscar señales de vida ".

MacKenzie dirigió recientemente el desarrollo de un concepto de misión que haría precisamente eso. Se llama Enceladus Orbilander, y funcionaría tal como suena:orbitador parcial, aterrizaje parcial. Seis instrumentos realizarían mediciones en el material recolectado de la pluma de Encelado para buscar varias firmas biológicas potenciales:aminoácidos de la mano izquierda y derecha, grasas y otros hidrocarburos de cadena larga, moléculas capaces de almacenar información genética, e incluso estructuras similares a células.

Como concepto de misión, el estudio de Orbilander no identifica implementaciones de instrumentos específicas como las que está produciendo el equipo de Craft y Bradburne, pero incluye sus ideas conceptuales.

"Siempre habrá cierta incertidumbre en las mediciones de búsqueda de vida, ", Dijo MacKenzie." Es por eso que tener un buen paso de preparación de muestras, que ayuda a minimizar el límite de detección, es tan importante, y por qué tener instrumentos como el secuenciador de nanoporos que puede ofrecer tanto identificación como caracterización, son tan críticos ".

Con la posibilidad de probar una luna oceánica, El equipo de Craft y Bradburne está tratando de determinar cuánta agua se necesita para detectar esas biofirmas. Y por supuesto, no es fácil. "Pensé que podríamos ir a estos mundos oceánicos, sumergir nuestros dedos de los pies, y poder ver si hay vida o no, "Dijo Craft. Pero como ha leído las investigaciones de los oceanógrafos, ha aprendido que tienen que filtrar litros de agua para buscar evidencia de vida, incluso aquí en la Tierra. "Es simplemente increíble. Debido a toda esa agua que hay, es tan diluido " ella dijo.

¿Cómo recolectas volúmenes tan grandes de agua y los concentras en otro mundo? ¿Cómo los procesa en un microchip y ve si hay moléculas importantes allí?

"Hay un montón de desafíos que aún no se han abordado, "Dijo Craft. El equipo sigue trabajando, aunque. El mes pasado, realizaron algunos experimentos enjuagando varios volúmenes de muestras de aminoácidos diluidos añadidos en agua del océano a través de su chip de muestra. Los resultados iniciales son prometedores, con el sistema capturando todos los aminoácidos en una gama de eficiencias que se informarán en un próximo artículo científico.

Si alguna vez pasó del concepto a la plataforma de lanzamiento, Encelado Orbilander no despegaría hasta mediados de la década de 2030, dando a Craft y al equipo de Bradburne algo de tiempo para desarrollar aún más sus herramientas. Pero incluso si la tecnología no está lista para esa misión, Ohiri, como otros miembros del equipo, se mantiene optimista de que la tecnología volará algún día.

"Mi esperanza es que para cuando la tecnología esté lo suficientemente madura, habrá una misión en los libros, y estaremos listos para ello, " ella dijo.