Ученые разрабатывают новые инструменты для поиска жизни в глубоком космосе

С тех пор, как в Солнечной системе были обнаружены покрытые льдом спутники планет-гигантов с потенциально пригодными для жизни подземными океанами, возник вопрос — есть ли там жизнь? Но поиск свидетельств жизни в холодных океанах в сотнях миллионов километров от Земли сопряжен с огромными трудностями. Используемое научное оборудование должно быть чрезвычайно сложным, и способным выдерживать интенсивное излучение и низкие температуры. Более того, инструменты должны быть в состоянии проводить разнообразные, независимые, взаимодополняющие измерения, которые вместе могли бы дать научно обоснованное доказательство жизни.

Чтобы решить трудности, с которыми могут столкнуться будущие миссии по обнаружению жизни, команда Лаборатории реактивного движения НАСА разработала OWLS, мощный набор научных инструментов, не похожий ни на один другой.

Сокращенно от Oceans Worlds Life Surveyor, OWLS предназначен для приема и анализа жидких проб. В нем есть восемь инструментов, все автоматизированные, которые в лаборатории на Земле потребовали бы работы нескольких десятков человек.

Одно из возможных применений OWLS — использовать его для анализа воды из шлейфа, извергающегося из спутника Сатурна Энцелада. «Мы хотели создать самую мощную систему инструментов, которую можно было разработать для этой ситуации, чтобы искать как химические, так и биологические признаки жизни», — говорят ученые.

В июне, после пяти лет работы, проектная группа протестировала свое оборудование в соленых водах озера Моно в Восточной Сьерре в Калифорнии. OWLS обнаружил химические и клеточные признаки жизни, используя встроенное программное обеспечение для идентификации этих свидетельств без вмешательства человека.

«Мы продемонстрировали первое поколение пакета OWLS, — сказал Питер Уиллис, руководитель проекта. «Следующий шаг — настроить и миниатюризировать его для конкретных сценариев миссии».

Основная трудность, с которой столкнулась команда OWLS, заключалась в том, как обрабатывать жидкие образцы в космосе. На Земле ученые могут полагаться на гравитацию, разумную лабораторную температуру и давление воздуха, чтобы удерживать образцы на месте, но таких условий не существует на космическом корабле, летящем через Солнечную систему, или на поверхности замерзшей планеты. Поэтому ученые разработали два прибора, способных извлекать жидкий образец и обрабатывать его в условиях космоса.

Поскольку неясно, какую форму может принять жизнь в океаническом мире, OWLS также необходимо было включить как можно более широкий набор инструментов, способных измерять диапазон размеров от отдельных молекул до микроорганизмов.

С этой целью в проекте были объединены две подсистемы: одна использует различные методы химического анализа с использованием нескольких инструментов, а другая с несколькими микроскопами для изучения визуальных подсказок.

Система микроскопов OWLS станет первой в космосе, способной визуализировать клетки. Она сочетает в себе цифровой голографический микроскоп, который может идентифицировать клетки и движение по всему объему образца, с двумя флуоресцентными формирователями изображений, которые используют красители для наблюдения за химическим составом и клеточными структурами. Вместе они обеспечивают перекрывающиеся виды с разрешением менее одного микрона.

Подсистема микроскопа, получившая название Extant Life Volumetric Imaging System (ELVIS), не имеет движущихся частей, что является редкостью. И она использует алгоритмы машинного обучения, чтобы отслеживать реалистичное движение и обнаруживать объекты, освещенные флуоресцентными молекулами, естественным образом встречающимися в живых организмах или с добавленными красителями, связанными с частями клеток.

Чтобы изучить гораздо более мелкие формы доказательств, OWLS использует свою систему анализа органического капиллярного электрофореза (OCEANS), которая, по сути, готовит жидкие образцы под давлением и подает их в инструменты, которые ищут химические строительные блоки жизни: все разновидности аминокислот, а также как жирные кислоты и органические соединения.

Система настолько чувствительна, что может обнаруживать даже неизвестные формы углерода. Питер Уиллис, руководивший разработкой OCEANS, сравнивает ее с акулой, которая может учуять всего одну молекулу крови в миллиарде молекул воды, а также определить группу крови. Это будет всего лишь вторая система приборов для проведения химического анализа жидкостей в космосе после прибора для микроскопии, электрохимии и анализатора проводимости (MECA) на посадочном модуле Phoenix Mars Lander НАСА.

В OCEANS используется техника, называемая капиллярным электрофорезом, — по сути, пропускание электрического тока через образец для разделения его на компоненты. Затем образец направляется на три типа детекторов, включая масс-спектрометр, самый мощный инструмент для идентификации органических соединений.

Эти подсистемы производят огромные объемы данных, всего около 0,0001% из которых можно будет отправить обратно на Землю из-за ограниченной скорости передачи данных.

Таким образом, OWLS был разработан с учетом так называемой «автономности бортовых научных инструментов». Используя алгоритмы, компьютеры будут анализировать, обобщать, расставлять приоритеты и выбирать только самые интересные данные для отправки домой, а также предлагать «манифест» информации, все еще находящейся на борту.

«Сейчас мы начинаем задавать вопросы, которые требуют более сложных инструментов», — сказал Лукас Мандрейк, инженер по системе автономных инструментов проекта. «Являются ли некоторые из этих других планет пригодными для жизни? Есть ли обоснованные научные доказательства жизни, а не намек на то, что она может быть там? Для этого требуются инструменты, которые собирают много данных, и это то, для чего предназначен OWLS и его научная автономия».