约翰·霍普金斯大学的杰里米·雷姆 2011年7月29日，卡西尼号用窄角相机在一个画面中捕捉到了土星的五颗卫星
学分:美国航天局/JPL-加州理工学院/空间科学研究所 当他们在1976年到达火星表面时，美国国家航空航天局的两个维京着陆器砰的一声着陆了
这些飞船高7英尺，长10英尺，重约1300磅，是美国第一艘
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成功降落在火星表面的任务——看起来像杂草丛生的药丸虫
摆在他们面前的是一片锈迹斑斑、积满灰尘的荒地，黄褐色的天空下散落着岩石，远离科幻小说作家和电影描绘的熙熙攘攘的外星大都市
科学家们从未预料到外星城市，但他们怀疑微生物外星人可能潜伏在火星土壤中
登陆者是第一个寻找外星生命的人
两个着陆器都配备了三个自动生命探测仪器，每个仪器都从表面培养一个样本，研究上方空气中的二氧化碳等分子，这些分子可能指示微生物在代谢着陆器提供的营养物质时可能产生的光合作用或甲烷
其中一个仪器得到了一个积极的信号
标记释放实验跟踪放射性碳从可消化的糖到可消化的二氧化碳的变化，发现了微生物生存和代谢的信号
然而，另外两个实验却从未成功
这一可能的发现引发了一场持续至今的辩论，支持者坚持(新的研究表明)只有活着的东西才能发出积极的信号
但是像科学界的许多人一样，约翰·霍普金斯应用物理实验室的行星科学家凯特·克拉夫特仍然持怀疑态度
“这是一个很好的实验，但是它能探测到的东西非常有限，”她说
首先，维京人的实验假设火星上的微生物会吃掉我们提供给它们的营养，这不一定是真的
即使他们做到了，也很难相信仅仅一条线的证据
“我们总是希望在多个签名上有积极的东西，”她说
然而，更大的问题是，当时的科学家不知道火星表面覆盖着高氯酸盐，这是一种含氯和氧的矿物质，实验表明加热时会破坏有机分子和微生物，产生氯气，而维京着陆器实际上检测到了这种气体
直到2008年，美国宇航局的凤凰号着陆器发现了这些盐，才有人知道它们的存在
对于克拉夫特和她的同事克里斯·布拉德伯恩，一位生物学家和人工臭氧层的高级科学家来说，维京任务强调了科学家面临的巨大挑战，要他们明确地说我们在另一个世界发现了生命
证据类型、可靠性和可重复性都很重要
自从维京着陆器以来，无数宇宙飞船已经返回火星，寻找主要包含碳、氢和氧的有机分子
它们通常与生活联系在一起，但不是生活的确定指标
但是关于火星上的盐的发现强调了一个更突出的点，尽管有些令人沮丧:如果你不首先净化你的样本，即使是最好的技术检测生命迹象的可能性也很小
研究人员一直专注于等式的检测方面，但样品制备——工作流程中的早期步骤——基本上被忽略了
盐类尤其令人担忧，因为它们会使分析变得困难，而且未来生命探测任务的主要目标是表面下有咸水洋的地方——比如木星的卫星欧罗巴和土星的卫星恩克拉多斯
自2013年以来，布拉德伯恩、克拉夫特和一组研究人员一直在为未来的航天器开发新的手掌大小的微流体系统，以应对这一挑战
他们可以纯化和分离可能是生命强有力指标的分子——氨基酸、蛋白质、核糖核酸、脱氧核糖核酸
“想到探测器就更性感了，”布拉德伯恩说
“但如果你不能准备好样本并优化它们，让你的传感器能够检测到你想要的东西，它们对你没有任何好处
" 但该团队正在进一步推进他们的一种仪器:太空定序器
它不仅可以制备和浓缩像脱氧核糖核酸和核糖核酸这样的长链分子，还可以在目的地提取它们的全部遗传密码
此外，它将检测这些分子，无论它们是否像陆地上的脱氧核糖核酸和核糖核酸，从而提供检测完全不同来源的生命的能力
“这可能会给你一个真正决定性的信号，”布拉德伯恩说
你只需要想出如何建造它
当美国宇航局的维京着陆器拍摄火星表面时，他们展示了一片岩石和灰尘的不毛之地
学分:美国国家航空航天局/JPL/约翰·霍普金斯大学应用物理实验室 清洗机 克拉夫特和布拉德伯恩早在2014年就考虑过在布拉德伯恩几年前开始的工作的基础上，为脱氧核糖核酸和核糖核酸制造一种样品制备芯片
就生命指标而言，脱氧核糖核酸和核糖核酸在列表中占据相对较高的位置，因为它们都是所有地球生命进化的支柱
但正是因为这个原因，许多科学家对在太阳系其他地方寻找脱氧核糖核酸和核糖核酸持怀疑态度
他们认为，为了让遗传物质在几代人之间传递信息，生物在某种程度上已经进化了；克拉夫特说，这是一个相当不可能的可能性
因此，许多科学家认为脱氧核糖核酸和核糖核酸不太重要，而是优先考虑生命的其他组成部分，如氨基酸——所有蛋白质和酶的组成部分
克拉夫特解释说:“对于这些特征，生命不必‘进化’了。”
因此，研究小组转换了设备，为氨基酸制作了一个微型样品制备系统
人工臭氧层化学家珍·斯凯里特、化学工程师苔丝·范·沃尔肯伯格以及后来的微流体专家科林·奥希里加入了这个团队
自2018年以来，他们一直在逐步完善设计
该系统宽约4英寸，长约4英寸，高约2英寸，可轻松放入手掌
然而，它配备了推动样本通过所需的所有泵和阀门
最新设计的活性区域充满了吸引酸性溶液中氨基酸的小珠，而盐和其他粘性物质继续从另一侧流出，进入废物堆
样品通过后，用碱性溶液从珠子上剥离氨基酸，并运送到芯片上的任何检测器上
奥希里说，设计一个太空准备系统并不容易
可用的能量只是实验室中可用能量的几分之一，而且这些材料需要承受潜在的极端温度和辐射
Ohiri说，该团队目前正在用普通的快速原型材料(如用于三维打印的高分辨率树脂)制造氨基酸纯化系统，但要让这种材料在保持其性能的同时具有空间价值，仍然具有挑战性
“但这就是这个项目令人兴奋的地方:有很多方面都处于领先地位
" 然而，氨基酸的权衡是它们无处不在——从陨石到彗星到星际云
某些线索可以表明它们是否是生物性的
氨基酸有两种形式，它们是彼此的镜像:一种被认为是左撇子，另一种是右撇子
通过某种偶然的进化，地球上所有的生命都只使用左手氨基酸
因此，从广义上讲，如果一种类型在另一个世界的样本中出现的次数多于另一种，这可能是生命的迹象
然而，布拉德伯恩并不完全相信
“你怎么知道不只是污染？”他问道，比如来自一种搭便车的微生物，这种微生物以某种方式逃脱了所有航天器在发射前经历的深度清洁过程
他说，探测宇宙中的生命不仅仅是探测你要寻找的分子，而是最大限度地减少得到假阳性的机会，并确保你的实验是可重复的
除非你能对它们进行测序，否则脱氧核糖核酸和核糖核酸不一定能更好地解决这些问题
这就是为什么当纳米孔测序仪被发明时，研究小组看到了一个新的机会
测序之路 纳米孔测序仪是拇指大小的小型机器，可以提取一条脱氧核糖核酸或核糖核酸，并读出由它组成的一系列分子构件
这根线穿过一个只有十亿分之一英寸宽的孔，并且有一个电场穿过它
每一个核苷酸在穿过孔隙时都会破坏电场
计算机可以解释这种破坏，并准确说出哪个核苷酸刚刚通过
布拉德伯恩说，除了是航天器的理想尺寸之外，理论上，纳米孔测序仪应该能够解释任何类型的长链分子——DNA、RNA、蛋白质或一些未知的XNA。
但是它们也减少了信号不仅仅是偷渡的微生物的可能性
土茎生物有可识别的链，例如那些编码地球生物共有的特定酶和其他蛋白质的链
因此，如果序列似乎与地球上常见的相匹配，它们很可能是假阳性
“科学回报将是惊人的，”布拉德伯恩说
然而，目前的纳米孔测序仪还没有准备好进入太空，原因有很多
首先，它们是由不能承受多年零下温度和辐射的材料制成的；即使在地球上，它们也只持续大约六个月
更成问题的是，他们用葡萄球菌的蛋白质来填充毛孔，这引起了人们对意外引入地球生物制品的担忧
这些挑战迫使该团队转而开始开发一种新型测序仪和配套的样品制备系统
克拉夫特说:“我们的想法是，最终我们将拥有一个完整的仪器，按照我们想要的方式准备样本，然后进行分析。”
学分:约翰霍普金斯APL 样品制备部分在过去一年中取得了显著进展
该团队正在尝试声波和其他破坏性方法来打破可能包含遗传物质和磁珠的开放细胞和孢子，然后抓住长链分子
但是设计纳米孔测序仪更具挑战性
一个有纳米孔压入其中的合成平台是最理想的，但是如何控制孔的大小并使它们减慢分子的速度，以便计算机可以在分子通过时记录链中的每个分子仍然不确定
一位加拿大合作者甚至建议在到达目的地时制作毛孔，以缓解保质期问题
“我不知道我们会怎么做，但现在没有什么是不可能的，”布拉德伯恩说
尽管有这些障碍，这个团队没有浪费时间和研究人员谈论他们的工具，开发概念任务
克拉夫特说:“我们尽可能地谈论它，主要是为了让人们知道这是一个即将到来的、可行的工具。”
最近的一个概念，土星卫星恩克拉多斯的任务，包括一些非常相似的东西
对生命的另一种探索 土卫二宽314英里，大约相当于宾夕法尼亚州的宽度，平均距离太阳的距离是地球的9倍，它应该只是一个冰冻的冰球
但是在2006年，美国国家航空航天局的卡西尼任务揭示了一个诱人的发现:土卫二南极的四个洞穴状“老虎条纹”喷出一缕水蒸气和冰
各种测量表明，断层与地表下的全球液态水海洋直接相关
海洋可能以类似于地球深海热液喷口的方式与月球的岩石核心相互作用，在那里有近600种动物生活和繁衍
当卡西尼号穿过羽流时，它发现了甲烷、二氧化碳和氨等分子，这些分子被怀疑是更复杂分子的化学碎片，其中含有生命的六种关键元素中的四种:碳、氢、氮和氧
“恩克拉多斯是一个海洋世界，在那里我们有足够的数据，不仅仅是问它是否适合居住，”人工臭氧层的行星科学家香农·麦肯齐说
“在恩克拉多斯，我们准备迈出下一步，寻找生命的迹象
" 麦肯齐最近领导了一个任务概念的开发，它可以做到这一点
它被称为恩克拉多斯或比兰德，它将按照它的声音运行:部分轨道飞行器，部分着陆器
六个仪器将对从土卫二羽状物收集的材料进行测量，以寻找几种潜在的生物特征——左右对称的氨基酸、脂肪和其他长链碳氢化合物、能够存储遗传信息的分子，甚至类似细胞的结构
作为一个任务概念，奥比兰德的研究没有确定像克拉夫特和布拉德伯恩的团队正在生产的那些特定的仪器实现，但它确实包括他们的概念想法
麦肯齐说:“在搜寻生命的测量中总会有一些不确定性。”
“这就是为什么有一个良好的样品制备步骤(有助于将检测极限降至最低)如此重要，也是为什么像纳米孔测序仪这样既能提供识别又能提供表征的仪器如此重要
" 克拉夫特和布拉德伯恩的团队有机会对海洋卫星进行采样，试图确定探测这些生物特征需要多少水
当然，这并不容易
“我想我们可以去这些海洋世界，把脚趾伸进去，看看那里是否有生命，”克拉夫特说
但是当她阅读海洋学家的研究时，她了解到他们必须过滤升水来寻找生命的证据——即使是在地球上
“这太神奇了
因为那里的水太稀了，”她说
你如何收集如此大量的水，并把它们集中到另一个世界？你如何在微芯片中处理它们，看看那里是否有任何重要的分子？ 克拉夫特说:“还有很多挑战尚未解决。”
不过，团队一直在努力
上个月，他们进行了一些实验，通过他们的样品芯片冲洗海水中添加的各种稀释氨基酸样品
初步结果是有希望的，该系统以一系列效率捕获所有氨基酸，这将在即将发表的科学论文中报告
如果从概念转移到发射平台，恩克拉多斯或比兰德要到21世纪30年代中期才能发射，这给了克拉夫特和布拉德伯恩的团队一些时间来进一步开发其工具
但是，即使这项技术还没有为这项任务做好准备，奥希里和团队中的其他人一样，仍然乐观地认为这项技术有一天会飞起来
她说:“我希望，当这项技术足够成熟的时候，会有一项任务提上日程，我们会为此做好准备。”
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