Vi kanske kan hitta mikrober i rymden - men om vi gjorde det kan vi berätta vad de var, och att de levde?

Den här månaden tidningen Astrobiologi publicerar ett specialnummer för att leta efter livstecken på Saturns iskalla måne Enceladus. Ingår ett papper från Caltechs Jay Nadeau och kollegor som ger bevis på att en teknik som kallas digital holografisk mikroskopi, som använder lasrar för att spela in 3D-bilder, kan vara vår bästa insats för att upptäcka utomjordiska mikrober.

Ingen sond sedan NASA:s Viking -program i slutet av 1970 -talet har uttryckligen sökt efter utomjordiskt liv - det vill säga för verkliga levande organismer. Snarare, fokus har varit att hitta vatten. Enceladus har mycket vatten - ett havs värde, gömd under ett iskallt skal som täcker hela ytan. Men även om livet existerar där på något mikrobiellt sätt, svårigheten för forskare på jorden är att identifiera dessa mikrober från 790 miljoner mil bort.

"Det är svårare att skilja mellan en mikrobe och en dammfläck än du tror, säger Nadeau, forskningsprofessor i medicinsk teknik och flyg inom avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap. "Du måste skilja på brunisk rörelse, som är materiens slumpmässiga rörelse, och avsiktligt, självstyrd rörelse av en levande organism. "

Enceladus är Saturnus sjätte största måne, och är 100, 000 gånger mindre massiv än jorden. Som sådan, Enceladus har en rymningshastighet - den lägsta hastighet som krävs för att ett objekt på månen ska komma undan dess yta - på bara 239 meter per sekund. Det är en bråkdel av jordens, vilket är lite över 11, 000 meter per sekund.

Enceladus ringa flykthastighet möjliggör ett ovanligt fenomen:enorma gejsrar, ventilerande vattenånga genom sprickor i månens isiga skal, sprutar regelbundet ut i rymden. När Saturnusonden Cassini flög förbi Enceladus 2005, det upptäckte vattenånga i det södra polära området och sprängde isiga partiklar vid nästan 2, 000 kilometer i timmen till en höjd av nästan 500 kilometer över ytan. Forskare beräknade att så mycket som 250 kilo vattenånga släpptes varje sekund i varje plume. Sedan de första observationerna mer än hundra gejsrar har upptäckts. Detta vatten tros fylla på Saturnus bländande E -ring, som annars skulle försvinna snabbt, och var föremål för ett nyligen tillkännagivande av NASA som beskriver Enceladus som en "havsvärld" som är det närmaste NASA har kommit att hitta en plats med nödvändiga ingredienser för beboelse.

Vatten som sprängs ut i rymden erbjuder en sällsynt möjlighet, säger Nadeau. Även om det är svårt och kostsamt att landa på en främmande kropp, ett billigare och enklare alternativ kan vara att skicka en sond till Enceladus och passera den genom strålarna, där det skulle samla vattenprover som eventuellt kan innehålla mikrober.

Om vi ​​antar att en sond skulle göra det, det skulle öppna några frågor för ingenjörer som Nadeau, som studerar mikrober i extrema miljöer. Kan mikrober överleva en resa i ett av dessa jetplan? Om så är fallet, hur kunde en sond samla prover utan att förstöra dessa mikrober? Och om prover samlas in, hur skulle de kunna identifieras som levande celler?

Problemet med att söka efter mikrober i ett vattenprov är att de kan vara svåra att identifiera. "Det svåraste med bakterier är att de bara inte har många cellulära funktioner, "Säger Nadeau. Bakterier är vanligtvis klumpformade och alltid små-mindre i diameter än en hårstrå." Ibland är det mycket svårt att skilja på dem och sandkorn, Säger Nadeau.

Vissa strategier för att demonstrera att en mikroskopisk fläck faktiskt är en levande mikrobe innebär att söka efter mönster i dess struktur eller studera dess specifika kemiska sammansättning. Även om dessa metoder är användbara, de bör användas i samband med direkta observationer av potentiella mikrober, Säger Nadeau.

"Att titta på mönster och kemi är användbart, men jag tror att vi måste ta ett steg tillbaka och leta efter mer allmänna egenskaper hos levande saker, som närvaron av rörelse. Det är, om du ser en E. coli, du vet att det lever - och inte, säga, ett sandkorn - på grund av hur det rör sig, "säger hon. I tidigare arbeten, Nadeau föreslog att rörelsen som uppvisades av många levande organismer potentiellt skulle kunna användas som en robust, kemioberoende biosignatur för utomjordiskt liv. Rörelsen hos levande organismer kan också triggas eller förstärkas genom att "mata" mikrobernas elektroner och se dem växa mer aktiva.

För att studera rörelsen av potentiella mikrober från Enceladus plumes, Nadeau föreslår att man använder ett instrument som kallas ett digitalt holografiskt mikroskop som har modifierats specifikt för astrobiologi.

I digital holografisk mikroskopi, ett objekt belyses med en laser och ljuset som studsar av objektet och tillbaka till en detektor mäts. Detta spridda ljus innehåller information om amplituden (intensiteten) för det spridda ljuset, och om dess fas (en separat egenskap som kan användas för att berätta hur långt ljuset reste efter att det spred sig). Med de två typerna av information, en dator kan rekonstruera en 3D-bild av objektet-en som kan visa rörelse genom alla tre dimensionerna.

"Digital holografisk mikroskopi låter dig se och spåra även de minsta rörelser, "Säger Nadeau. Dessutom, genom att märka potentiella mikrober med fluorescerande färgämnen som binder till breda klasser av molekyler som sannolikt kommer att vara indikatorer på liv - proteiner, sockerarter, lipider, och nukleinsyror - "du kan berätta vad mikroberna är gjorda av, " hon säger.

För att studera teknikens potentiella nytta för att analysera utomjordiska prover, Nadeau och hennes kollegor fick prover av kallt vatten från Arktis, som är glesbefolkad med bakterier; de som är närvarande görs tröga av de kalla temperaturerna.

Med holografisk mikroskopi, Nadeau kunde identifiera organismer med en befolkningstäthet på bara 1, 000 celler per milliliter volym, liknande det som finns i några av de mest extrema miljöerna på jorden, som underglaciala sjöar. För jämförelse, det öppna havet innehåller cirka 10, 000 celler per milliliter och en typisk damm kan ha 1-10 miljoner celler per milliliter. Den låga tröskeln för upptäckt, i kombination med systemets förmåga att snabbt testa många prover (med en hastighet av cirka en milliliter per timme) och dess få rörliga delar, gör den idealisk för astrobiologi, Säger Nadeau.

Nästa, teamet kommer att försöka replikera sina resultat med hjälp av prover från andra regioner som är fattiga på jorden, som Antarktis.