När de nådde Mars yta 1976, NASA:s två vikingalandare landade med en mild duns. Vid 7 fot hög, 10 fot lång, och väger runt 1, 300 pund, dessa rymdskepp – det första amerikanska uppdraget som framgångsrikt landade på Mars-ytan – såg ut som övervuxna piller.

Det som låg framför dem var en rostig, dammig ödemark fylld med stenar under en brun-orange himmel, långt borta från de livliga utomjordiska metropoler som science fiction-författare och filmer hade avbildat. Forskare förväntade sig aldrig främmande städer, men de misstänkte att kolonier av mikrobiella utomjordingar kanske lurar i marsjord. Landarna var de första som letade efter utomjordiskt liv.

Båda landarna var utrustade med tre automatiska livsdetektionsinstrument, som var och en inkuberade ett prov från ytan, studera luften ovanför för molekyler som koldioxid, vilket kan indikera fotosyntes, eller metan, vilka mikrober kan producera när de metaboliserar näringsämnen som landarna tillhandahåller.

Ett av instrumenten fick en positiv signal. Det märkta releaseexperimentet, spåra radioaktivt kol när det flyttade från smältbart socker till smält koldioxid, såg det tydliga tecknet på att leva, metaboliserande mikrober.

De två andra experimenten, dock, aldrig gjorde.

Den möjliga upptäckten väckte en debatt som fortsätter än idag, med förespråkare som insisterar (och ny forskning tyder på) att bara något levande kunde ha gett den positiva signalen.

Men som många i det vetenskapliga samfundet, Kate Craft, en planetforskare vid Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, förblir skeptisk. "Det var ett bra experiment, men det var mycket begränsat i vad det kunde upptäcka, " sa hon.

För en, Vikingaexperimenten antog att mikrober på Mars skulle äta de näringsämnen vi gav dem, vilket inte nödvändigtvis är sant. Och även om de gjorde det, det är fortfarande svårt att tro på bara en rad bevis. "Vi vill alltid ha positiva effekter på flera signaturer, " Hon sa.

Mer problematiskt, fastän, är att forskare vid den tiden inte visste att Mars yta är täckt av perkloratsalter, mineraler som innehåller klor och syre som experiment visar kan förstöra organiska molekyler och mikrober när de värms upp - producerar klorgaser, vilket vikingalandarna faktiskt upptäckte. Ingen visste att salterna fanns där förrän 2008, när NASA:s Phoenix-landare upptäckte dem.

För Craft och hennes kollega Chris Bradburne, en biolog och senior forskare vid APL, Vikingauppdragen underströk den monstruösa utmaningen som forskare står inför att definitivt säga att vi har hittat liv i en annan värld. Typen, säkerhet, och repeterbarheten av dessa bevis spelar roll. Många rymdfarkoster sedan vikingalandarna har återvänt till Mars, letar efter organiska molekyler, som mest innehåller kol, väte, och syre. De är ofta förknippade med livet men inte säkra indikatorer på det.

Men avslöjandet om salter på Mars framhävde en mer framträdande, om än något oinspirerande, poäng:Chansen att upptäcka tecken på liv med även den bästa tekniken är sannolikt liten om du inte renar dina prover först.

Forskare har fixerat sig vid detektionssidan av ekvationen, men provberedningen – ett tidigare steg i arbetsflödet – har för det mesta ignorerats. Salter är särskilt oroande, eftersom de kan göra analysen svår, och de främsta målen för framtida livsupptäckningsuppdrag är platser med salt, flytande vattenhav under deras ytor — världar som Jupiters måne Europa och Saturnus måne Enceladus.

Sedan 2013, Bradburne, Hantverk, och ett team av forskare vid APL har utvecklat nya, mikrofluidsystem i palmstorlek för framtida rymdfarkoster för att möta den utmaningen. De kan rena och isolera molekyler som kan vara starka indikatorer på liv - aminosyror, proteiner, RNA, DNA.

"Det är mycket sexigare att tänka på detektorn, " sa Bradburne. "Men om du inte kan förbereda dina prover och optimera dem så att din sensor kan upptäcka vad du är ute efter, de gör dig inget gott."

Men teamet driver ett av sina instrument ännu längre:en sequencer för rymden. Det skulle inte bara förbereda och koncentrera långkedjiga molekyler som DNA och RNA utan pumpa ut hela deras genetiska kod precis vid destinationen. Dessutom, det skulle upptäcka dessa molekyler oavsett om de är som jordbundet DNA och RNA eller inte, ger möjlighet att upptäcka liv med ett helt separat ursprung.

"Det kan ge dig en riktigt avgörande signal, " sa Bradburne. Du måste bara ta reda på hur man bygger den.

Städmaskinerna

Craft och Bradburne hade övervägt att skapa ett provberedningschip för DNA och RNA redan 2014, bygga upp arbete som Bradburne påbörjade några år tidigare.

När det gäller livsindikatorer, DNA och RNA ligger relativt högt på listan, eftersom båda utgör ryggraden från vilken allt jordiskt liv har utvecklats. Men det är just av den anledningen som många forskare var skeptiska till att söka efter DNA och RNA någon annanstans i solsystemet.

För att genetiskt material ska överföra information mellan generationer, de bråkade, organismer skulle redan i viss mån ha behövt utvecklas; en ganska osannolik möjlighet, sa Craft. Som sådan, många forskare ansåg att DNA och RNA var mindre viktiga biosignaturer och prioriterade istället livets andra byggstenar, som aminosyror – beståndsdelarna i alla proteiner och enzymer. "Livet skulle inte behöva vara "lika utvecklat" för dessa signaturer, " Hantverk förklarade.

Så, teamet bytte växel för att göra ett miniatyrprovberedningssystem för aminosyror. APL-kemist Jen Skerritt, kemiingenjör Tess Van Volkenburg, och senare Korine Ohiri, en expert på mikrofluidik, gick med i laget. Sedan 2018, de har gradvis förbättrat designen.

Vid cirka 4 tum bred, 4 tum lång, och 2 tum lång, systemet får lätt plats i din handflata. Ändå är den utrustad med alla pumpar och ventiler som behövs för att trycka igenom ett prov. Den aktiva delen av den senaste designen är fylld med små pärlor som attraherar aminosyror i sura lösningar medan salter och annat smuts fortsätter att rinna ut på andra sidan till en avfallsdeponi. Efter att provet passerat, Aminosyrorna tas bort från pärlorna med en basisk lösning och skickas till vilken detektor som helst som är ansluten till chipet.

Att designa ett förberedelsesystem för rymden har inte varit lätt, sa Ohiri. Mängden tillgänglig kraft är bråkdelar av vad som kan användas i labbet, och materialen måste motstå potentiellt extrem temperatur och strålning. Teamet tillverkar för närvarande aminosyrareningssystemet från vanliga snabba prototypmaterial, såsom högupplösta hartser som används vid 3D-utskrift, men att få materialet att vara utrymmesvärt samtidigt som det behåller dess prestanda, Ohiri sa, förblir utmanande. "Men det är det som är så spännande med det här projektet:Det finns så många aspekter som verkligen ligger i framkant."

Avvägningen med aminosyror, fastän, är att de finns överallt – från meteoriter till kometer till interstellära moln. Vissa ledtrådar kan indikera om de är biologiska eller inte. Aminosyror finns i två former som är spegelbilder av varandra:en som anses vara vänsterhänt, den andra högerhänt. Genom en evolutionstorm, allt liv på jorden använder bara de vänsterhänta aminosyrorna. Så i förlängningen, om en typ förekommer mer än den andra i ett prov från en annan värld, det kan vara ett tecken på liv.

Bradburne, dock, köper den inte helt. "Hur vet du att det inte bara är kontaminering?" han frågade, som från en liftande mikrob som på något sätt undkommit den djuprengöringsprocessen som alla rymdfarkoster går igenom före uppskjutning. Upptäcka liv i universum, han säger, handlar om att inte bara upptäcka molekylerna du letar efter, men att minimera chanserna att få ett falskt positivt och se till att dina experiment är repeterbara.

DNA och RNA är inte nödvändigtvis bättre för att ta itu med dessa problem om du inte kan sekvensera dem. Och det är varför, när nanopore sequencers uppfanns, laget såg en ny möjlighet.

Vägen till sekvensering

Nanopore sequencers är små, maskiner i storlek med tummen som kan ta en sträng av DNA eller RNA och läsa upp serien av molekylära byggstenar som den är gjord av. Strängen rör sig genom en por som är bara miljarddels tum bred och som har ett elektriskt fält som passerar genom sig. Varje nukleotid stör det elektriska fältet på ett unikt sätt när den rör sig genom poren. Och en dator kan tolka den störningen och säga exakt vilken nukleotid som just passerat igenom.

Förutom att vara den idealiska storleken för en rymdfarkost, Bradburne sa, nanopore sequencers bör, i teorin, kunna tolka vilken typ av långkedjig molekyl som helst som kommer igenom - DNA, RNA, proteiner, eller någon okänd XNA. Men de minskar också chansen att en signal inte bara är en fripassagerad mikrob. Jordstammade organismer har igenkännbara strängar, som de som kodar för specifika enzymer och andra proteiner som är vanliga för levande varelser på jorden. Så om sekvenser verkar matcha de som ofta finns här på jorden, de är troligen ett falskt positivt.

"De vetenskapliga avkastningarna skulle bara vara fantastiska, sa Bradburne.

Det finns en mängd anledningar, fastän, varför nuvarande nanopore-sequencers inte är redo för rymden. För en, de är gjorda av material som inte tål åratal av minusgrader och strålning; även på jorden, de håller bara i ungefär sex månader. Ännu mer problematiskt är att de använder proteiner från staph-bakterier för porerna, väcker oro över att oavsiktligt introducera biologiska produkter från jorden.

Dessa utmaningar har tvingat teamet att istället börja utveckla en ny sequencer och medföljande provberedningssystem.

"Tanken är att så småningom, vi kommer att ha ett komplett instrument för att förbereda provet som vi vill ha det och sedan analysera det, " sa Craft.

Provberedningskomponenten har gjort betydande framsteg under det senaste året. Teamet försöker ljudvågor och andra störande metoder för att bryta upp celler och sporer som kan hysa det genetiska materialet och magnetiska pärlor för att sedan hålla fast vid de långkedjiga molekylerna.

Men att designa nanopore-sequencern har varit mer utmanande. En syntetisk plattform med nanoporer pressade in i den är den mest idealiska, men hur man kontrollerar porernas storlek och gör dem så att de bromsar molekylen så att datorn kan registrera varje molekyl i kedjan när den passerar genom är fortfarande osäkert. En kanadensisk samarbetspartner föreslog till och med att göra porerna när de når destinationen för att lindra problem med hållbarhet. "Jag är inte säker på hur vi skulle göra det, men ingenting är på bordet just nu, sa Bradburne.

Trots hindren, teamet har inte slösat bort tid på att prata om deras verktyg med forskare som utvecklar konceptuppdrag. "Vi pratar om det när vi kan, " Craft sa, mest för att låta folk veta att det är en kommande, livskraftigt instrument.

Och ett nytt koncept, ett uppdrag till Saturnus måne Enceladus, innehåller något som liknar den.

Ännu ett sökande efter livet

Vid 314 miles bred - ungefär samma bredd som Pennsylvania - och i genomsnitt nio gånger längre bort från solen än jorden, Enceladus borde bara ha varit en frusen isboll.

Men 2006 NASA:s Cassini-uppdrag avslöjade en lockande upptäckt:en plym av vattenånga och is som spyr ut från fyra grottformiga "tigerränder" vid Enceladus sydpol. Olika mätningar indikerar att felen länkar direkt till ett globalt flytande vattenhav under ytan. Havet kan interagera med månens steniga kärna på ett sätt som liknar jordens hydrotermiska öppningar i djuphavet, där nästan 600 djurarter lever och frodas.

När Cassini passerade genom plymerna, den hittade molekyler som metan, koldioxid, och ammoniak – misstänkta kemiska fragment av mer komplexa molekyler med fyra av de sex grundämnen som är nyckeln till liv:kol, väte, kväve och syre.

"Enceladus är en havsvärld där vi har tillräckligt med data för att gå längre än att fråga om den är beboelig, sa Shannon MacKenzie, en planetforskare vid APL. "På Enceladus, vi är redo att ta nästa steg och söka efter tecken på liv."

MacKenzie ledde nyligen utvecklingen av ett uppdragskoncept som skulle göra just det. Den heter Enceladus Orbilander, och det skulle fungera precis som det låter:part-orbiter, dellandare. Sex instrument skulle utföra mätningar på material som samlats in från Enceladus plym för att söka efter flera potentiella biosignaturer - vänster- och högerhänta aminosyror, fetter och andra långkedjiga kolväten, molekyler som kan lagra genetisk information, och även cellliknande strukturer.

Som ett uppdragskoncept, Orbilander-studien identifierar inte specifika instrumentimplementeringar som de som Craft och Bradburnes team producerar, men det inkluderar deras konceptuella idéer.

"Det kommer alltid att finnas ett visst mått av osäkerhet i mätningar av att söka efter livet, " sa MacKenzie. "Det är därför du har ett bra provförberedande steg, vilket hjälper till att minimera detektionsgränsen, är så viktigt, och varför ha instrument som nanopore sequencer, som kan erbjuda både identifiering och karaktärisering, är så kritiska."

Med chansen att prova en havsmåne, Craft och Bradburnes team försöker avgöra hur mycket vatten som behövs för att upptäcka dessa biosignaturer. Och naturligtvis, det är inte lätt. "Jag trodde att vi kunde åka till dessa havsvärldar, doppa våra tår i, och kunna se om livet finns där eller inte, " sa Craft. Men när hon läst forskning av oceanografer, hon har lärt sig att de måste filtrera liter vatten för att leta efter bevis på liv – även här på jorden. "Det är bara fantastiskt. På grund av allt vatten där ute, det är så utspätt, " Hon sa.

Hur samlar man upp så stora volymer vatten och koncentrerar dem till en annan värld? Hur bearbetar man dem i ett mikrochip och ser om det finns några viktiga molekyler där?

"Det finns bara ett gäng utmaningar som inte har åtgärdats ännu, " sa Craft. Teamet fortsätter att koppla av, fastän. Förra månaden, de utförde några experiment med att spola olika volymer av utspädda aminosyraprover spetsade i havsvatten genom deras provchip. De första resultaten är lovande, med systemet som fångar alla aminosyror med en rad effektivitetsvinster som kommer att rapporteras i en kommande vetenskaplig artikel.

Om någonsin flyttats från koncept till startfält, Enceladus Orbilander skulle inte lyfta förrän i mitten av 2030-talet, ge Craft och Bradburnes team lite tid att vidareutveckla sina verktyg. Men även om tekniken inte är redo för det uppdraget, Ohiri, som andra i laget, är fortfarande optimistisk att tekniken en dag kommer att flyga.

"Min förhoppning är att när tekniken är mogen nog, det kommer att finnas ett uppdrag på böckerna, och vi kommer att vara redo för det, " Hon sa.