Ледяные океанские спутники Солнечной системы являются основной целью в наших поисках жизни. Миссии на Европу и Энцелад будут исследовать эти спутники с орбиты, улучшая наше понимание их и их потенциала для поддержания жизни. Оба мира испускают шлейфы воды из своих внутренних океанов, и космические корабли, отправленные в оба мира, будут исследовать эти шлейфы и даже брать их образцы.
Новое исследование предполагает, что свидетельства жизни в океанах лун могут присутствовать всего в одной крупинке льда, и наш космический корабль может их обнаружить.
Это все из-за усовершенствований научных инструментов, особенно масс-спектрометра. Масс-спектрометры могут идентифицировать неизвестные химические соединения по их молекулярной массе, а также количественно определять известные соединения. Эти инструменты теперь достаточно мощны, чтобы обнаружить крошечное количество клеточного материала.
«Впервые мы показали, что даже крошечная фракция клеточного материала может быть идентифицирована с помощью масс-спектрометра на борту космического корабля», — сказал Фабиан Кленнер, постдокторант Вашингтонского университета в области наук о Земле и космосе. Кленнер также является ведущим автором новой статьи в журнале Science Advances. «Наши результаты дают нам больше уверенности в том, что с помощью новых инструментов мы сможем обнаруживать формы жизни, подобные земным, которые, как мы все больше верим, могут присутствовать на океанских лунах».
Новое исследование называется «Как идентифицировать клеточный материал в одной ледяной крупке, выброшенной с Энцелада или Европы».
Масс-спектрометры существуют уже несколько десятилетий, но в последние годы они быстро усовершенствовались. Исследователи, работающие над созданием более мощной масс-спектрометрии, получили две Нобелевские премии: одну по физике в 1989 году и одну по химии в 2002 году. Премия 2002 года представляет особый интерес для этих исследований, поскольку она была присуждена за разработку методов, которые позволили масс-спектрометрам обнаруживать биологические макромолекулы, включая белки.
Теперь космические корабли и марсоходы часто имеют в своем наборе приборов масс-спектрометры. Он есть у марсохода НАСА Curiosity, а также у Europa Clipper, который отправится на Европу в октябре 2024 года. Он прибудет туда в 2030 году, поэтому это исследование делает его ожидаемое прибытие еще более интригующим.
Мы знаем, что Энцелад и Европа выбрасывают криовулканические шлейфы материала из своих скрытых океанов. Миссия Кассини наблюдала эти извержения, исходящие из южнополярного региона Энцелада. В конце концов космический корабль приблизился к ледяной луне на расстояние 50 км и прошел прямо через шлейфы. С помощью масс-спектрометра он обнаружил углекислый газ, воду, различные углеводороды и органические химические вещества.
«На Энцеладе есть тепло, вода и органические химические вещества — некоторые из основных строительных блоков, необходимых для жизни», — сказал Деннис Мэтсон в 2008 году, в то время научный сотрудник проекта «Кассини» в Лаборатории реактивного движения НАСА.
На Европе также есть криовулканические шлейфы. Космический телескоп «Хаббл» заметил их в 2012 году, а затем учёные, работавшие с данными миссии Галилео, заявили, что данные подтверждают это открытие.
Когда Europa Clipper достигнет пункта назначения в 2030 году, он будет использовать прибор под названием SUDA, анализатор поверхностной пыли. SUDA будет использовать масс-спектрометрию для обнаружения химических веществ в шлейфах Европы. Это исследование предполагает, что SUDA сможет обнаружить клеточный материал на одной ледяной крупинке, если она там есть.
Это исследование основано на распространенной бактерии, обнаруженной в водах Аляски. Это называется Сфингопиксис аляскинский, и исследователи выбрали его, потому что он такой маленький. Он также живет в холодной среде и может выжить, потребляя мало питательных веществ. Возможно, его небольшой размер и другие характеристики делают его аналогом любой жизни, которая может существовать в океане Европы.
В своих экспериментах исследователи смоделировали, как масс-спектрометрия может обнаружить органический материал в крошечной ледяной крупинке. Результаты показали, что наряду с обнаружением ожидаемых неорганических химических веществ масс-спектрометрия также обнаружила аминокислоты из Сфингопиксис аляскинский.
«Они чрезвычайно малы, поэтому теоретически способны вписаться в ледяные зерна, которые выбрасываются из океанского мира, такого как Энцелад или Европа», — сказал Кленнер.
Поиски жизни на Европе могут сводиться к отдельным крупинкам льда. Частично это связано с тем, что разные молекулы оказываются в разных ледяных зернах. Если биологический материал сконцентрирован в ледяных крупинках, то имеет смысл выявлять отдельные частицы, а не усреднять результаты по более крупному образцу льда.
Но будет ли на самом деле в ледяных зернах биологический материал? Как оно могло туда попасть?
На Земле бактериальные клетки заключены в защитную липидную мембрану. Это означает, что иногда они образуют поверхностный слой океана или других водоемов. Если то же самое можно сказать и о любой жизни, которая может существовать на Европе или Энцеладе, то эти бактерии могут образовывать кожу на поверхности океана. На этих ледяных лунах газовые пузыри, которые поднимаются из океана и лопаются на поверхности, могут включать в шлейфы клеточное вещество бактерий.
«Здесь мы описываем правдоподобный сценарий того, как бактериальные клетки теоретически могут быть включены в ледяной материал, который образуется из жидкой воды на Энцеладе или Европе, а затем выбрасывается в космос», — сказал Кленнер.
Именно здесь на помощь приходят масс-спектрометрия и SUDA. SUDA намного мощнее, чем более ранние масс-спектрометры, и способен обнаруживать жирные кислоты и липиды, которые могут попасть в шлейфы. Хотя обнаружение реальной ДНК может показаться Святым Граалем, Кленнер с этим не согласен.
«Для меня поиск липидов или жирных кислот даже более интересен, чем поиск строительных блоков ДНК, и причина в том, что жирные кислоты кажутся более стабильными», — сказал Кленнер.
В своей статье исследователи четко излагают свои результаты. «Наши эксперименты показывают, что даже если только 1% компонентов клетки содержится в ледяном зерне диаметром 15 микрометров (или одна клетка в зерне диаметром 70 микрометров), бактериальные признаки будут очевидны в спектральных данных», — они объяснять.
Это хорошая новость для Europa Clipper и ее инструмента SUDA.
«При наличии подходящих инструментов, таких как анализатор поверхностной пыли на космическом зонде НАСА «Европа Клипер», найти жизнь или ее следы на ледяных лунах может быть проще, чем мы думали», — сказал старший автор Фрэнк Постберг, профессор планетарных наук. в Свободном университете Берлина. «Конечно, если там присутствует жизнь, и она хочет быть заключена в ледяные зерна, происходящие из такой окружающей среды, как подземный резервуар с водой».
