Ślady życia można wykryć w pojedynczych cząsteczkach lodu z księżyców Układu Słonecznego. Wspólny komunikat prasowy Uniwersytetu Waszyngtońskiego i Wolnego Uniwersytetu w Berlinie.

Źródło: Wolny Uniwersytet w Berlinie, 25 marca 2024 r.

25 marca 2024 r. — Oceany pod powierzchnią niektórych lodowych księżyców Saturna i Jowisza są kandydatami do poszukiwań życia pozaziemskiego. Badania laboratoryjne, przeprowadzone głównie przez naukowców z Freie Universität Berlin i Uniwersytetu Waszyngtońskiego w Seattle, wykazały, że życie, jeśli istnieje, można wykryć. W pojedynczych wyrzucanych cząstkach lodu. „Po raz pierwszy udało nam się wykazać, że materiał komórkowy bakterii można wykryć za pomocą spektrometrii mas na sondzie kosmicznej” – podkreśla lekarz. Fabian Kleiner, kierownik badania. Kleiner jest stażystą podoktorskim na Wydziale Nauk o Ziemi i Kosmosie Uniwersytetu Waszyngtońskiego, a wcześniej prowadził badania na Freie Universität Berlin.

Badanie zatytułowane „Jak zidentyfikować materiał komórkowy w pojedynczym ziarnie lodu emitowanego przez Europę” opublikowano 22 marca w czasopiśmie naukowym Science Advances (doi.org/10.1126/sciadv.adl0849, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl0849).

„Nasze wyniki coraz częściej pokazują, że przyszłe instrumenty będą w stanie wykryć na lodowych księżycach małe formy życia podobne do tych, które znamy z Ziemi” – podkreśla lekarz. Fabian Kleiner, kierownik badania. Fabian Kleiner jest pracownikiem naukowym ze stopniem doktora na Wydziale Nauk o Ziemi i Kosmosie Uniwersytetu Waszyngtońskiego, a wcześniej prowadził badania na Freie Universität Berlin.

Misja Cassini, która działała w układzie Saturna do 2017 roku, odkryła niemal równoległe pęknięcia w pobliżu południowego bieguna lodowego księżyca Saturna, Enceladusa. Z tych pęknięć gazy i cząsteczki lodu pochodzące z podpowierzchniowego oceanu Księżyca wypływają w przestrzeń kosmiczną. Europa, lodowy księżyc Jowisza, wkrótce będzie szczegółowo badana przez instrumenty znajdujące się na pokładzie statku kosmicznego Europa Clipper należącego do NASA. Rozpoczęcie misji zaplanowano na październik tego roku (2024).

Przygotowując się do tej i innych przyszłych misji, naukowcy badają, co nowoczesne instrumenty mogą znaleźć na lodowych księżycach. Ze względu na duże prędkości względne cząstek lodu względem statku kosmicznego bardzo trudno jest symulować wpływ poszczególnych cząstek lodu na spektrometry mas. Zamiast tego naukowcy wykorzystali eksperyment na Wolnym Uniwersytecie w Berlinie. Korzystając z układu eksperymentalnego, naukowcy wstrzyknęli cienki strumień wody do komory próżniowej. Strumień wody rozpada się na małe kropelki, które następnie są bombardowane laserem. Naładowane cząstki powstałe w wyniku bombardowania laserowego zbadano w laboratoryjnym spektrometrze mas, aby przewidzieć, które instrumenty wykryją sondy kosmiczne.

Nowo opublikowane wyniki pokazują, że instrumenty dla przyszłych sond kosmicznych będą w stanie wykrywać materiały komórkowe. Działałoby to nawet wtedy, gdyby materiał komórkowy był obecny w zaledwie kilku pojedynczych cząsteczkach lodu. Jednym z narzędzi wyposażonych w takie możliwości jest analizator pyłu SUrface Dust Analyzer, znajdujący się w maszynie Europe Clipper.

W swoich badaniach naukowcy wykorzystali Sphingopyxis alaskensis, bakterię występującą w wodach Alaski. W porównaniu z E. coli, organizmem modelowym powszechnie stosowanym w badaniach na Ziemi, znacznie mniejsze bakterie S. alaskensis żyją w zimnym środowisku i mogą przetrwać na niewielkiej ilości składników odżywczych. Wszystkie te właściwości mogą sprawić, że obiekt ten będzie bardziej odpowiednim kandydatem na możliwe życie na lodowatym księżycu.

„Bakterie są bardzo małe, więc teoretycznie mieszczą się w wyrzucanych cząsteczkach lodu” – wyjaśnia Fabian Kleiner.

Z poprzednich badań wiadomo, że różne substancje są emitowane oddzielnie w poszczególnych cząsteczkach lodu w podpowierzchniowym oceanie. Nowe badanie pokazuje, że analiza poszczególnych cząstek lodu jest znacznie bardziej przydatna do identyfikacji potencjalnego życia niż najpierw zbieranie miliardów cząstek lodu i analizowanie ich razem.

W innym badaniu przeprowadzonym przez tych samych naukowców niedawno odkryto obecność fosforanów w pobliżu Enceladusa. Zatem Enceladus ma wystarczającą ilość energii, wody, fosforanów i innych soli, a także materii organicznej opartej na węglu, co zwiększa prawdopodobieństwo, że na Księżycu panują warunki odpowiednie do życia bakteryjnych form życia, takich jak te, które znamy z Ziemi.

Naukowcy uważają, że gdyby bakterie miały błonę lipidową, utworzyłyby bardzo cienką warstwę na powierzchni oceanu. Proces znany z Ziemi. Na lodowatym księżycu, gdzie ocean łączy się z powierzchnią (na przykład poprzez pęknięcia w skorupie lodowej), różnica ciśnień w próżni kosmicznej powoduje wrzenie zimnego oceanu. Ponadto pęcherzyki gazu unoszące się w oceanie przedostają się na powierzchnię wody, potencjalnie zatrzymując materiał komórkowy w tworzących się cząsteczkach lodu.

„Tutaj opisujemy prawdopodobny scenariusz, w jaki bakterie mogą zostać uwięzione w cząsteczkach lodu powstających z ciekłej wody na Enceladusie lub Europie, a następnie wyrzucone w przestrzeń kosmiczną” – mówi Fabian Kleiner.

Analizator pyłu powierzchniowego w Europe Clipper ma lepsze możliwości analityczne niż narzędzia stosowane w poprzednich misjach. Ponadto po raz pierwszy urządzenie to będzie w stanie wykryć ujemnie naładowane jony powstające w wyniku uderzeń cząstek lodu, co jest przydatne do wykrywania potencjalnych kwasów tłuszczowych i lipidów.
„Właściwie poszukiwanie lipidów lub kwasów tłuszczowych jest dla mnie bardziej interesujące niż poszukiwanie składników DNA, ponieważ kwasy tłuszczowe wydają się nieco bardziej stabilne” – dodaje Fabian Kleiner.

„Dzięki odpowiednim narzędziom, takim jak analizator pyłu SUrface na pokładzie należącej do NASA statku kosmicznego Europa Clipper, znalezienie śladów życia na lodowatym księżycu może być łatwiejsze, niż nam się wydawało” – wyjaśnia profesor Frank Postberg, współautor badania. Frank Postberg jest profesorem nauk planetarnych w Instytucie Nauk o Ziemi na Wolnym Uniwersytecie w Berlinie. „Podstawowym warunkiem jest oczywiście to, że istnieje tam życie i że formy życia są również otoczone cząsteczkami lodu, które powstają na przykład z ciekłej wody pod skorupą lodową”.

Badanie zostało sfinansowane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC), NASA i Niemiecką Fundację Badawczą (DFG). Innymi współautorami są dr Janine Bonnigke. Maris Napoleone, dr. Johna Hilliera i dr. Nazir Khawaja z Wolnego Uniwersytetu w Berlinie, profesor Karin Olsson Francis z Open University of Great Britain, dr. Morgana Cable’a i dr. Michael Malaska z Jet Propulsion Laboratory NASA (USA), profesor Sascha Kempf z Uniwersytetu Kolorado w Boulder (USA) i profesor Bernd Appel z Uniwersytetu w Lipsku.