Buscando vida en mundos oceánicos con OWLS

La vida tal como la conocemos requiere agua. La buena noticia es que el universo está lleno de agua. La mala noticia es que el universo es un gran lugar para buscar. Con tantos lugares donde buscar vida, todos ellos radicalmente diferentes de la Tierra y entre sí, los científicos necesitan muchas estrategias. Una idea es tener tantos instrumentos como sea posible hacinados en una nave espacial. Con una mezcla heterogénea de herramientas científicas en un solo lugar, los científicos podrían analizar varias muestras líquidas en busca de una gran cantidad de diferentes componentes, moléculas o incluso signos de vida.

Por eso, los científicos e ingenieros del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en California están desarrollando Ocean Worlds Life Surveyor (OWLS). Este dispositivo autónomo de detección de vida también es infinitamente adaptable: su conjunto de instrumentos está equipado con herramientas que son portátiles y pueden integrarse en muchas misiones diferentes, desde la Tierra hasta Marte y Titán.

En lugar de un mensaje que diga: “Llévame con tu líder”, los científicos pasan mucho tiempo explorando planetas distantes en busca de los signos más básicos de vida. Dado que la Tierra es el único ejemplo que tenemos de cómo funciona la vida, dependemos mucho de la suposición de que la vida extraterrestre funciona de manera similar a la vida terrestre, y la química dice que hay un modelo básico que toda la vida debería compartir.

La vida tal como la conocemos necesita un conjunto específico de circunstancias y sustancias químicas para unirse en el lugar y el momento adecuados. Los astrónomos se centran en estos componentes básicos de la vida cuando analizan datos sobre objetivos planetarios distantes. Incluyen carbono, nitrógeno, fósforo, azufre y más. Sin embargo, el agua se sitúa firmemente en lo más alto de la lista de ingredientes necesarios para la vida. El agua líquida es vital para la capacidad de la vida de disolver nutrientes, transportar sustancias químicas y eliminar desechos. Por eso el campo de la astrobiología, el estudio de la búsqueda de vida en el universo, está tan obsesionado con los planetas, los planetas enanos y las lunas que albergan cantidades sustanciales de agua.

Justo en nuestro propio patio trasero, tenemos evidencia de océanos salados en las lunas de Saturno, Titán y Encelado; océanos subterráneos en las lunas jovianas Europa, Ganímedes y Calisto; agua en Tritón, la luna de Neptuno, e incluso evidencia de agua en Plutón también. También creemos que, a pesar de sus climas actuales, Venus y Marte pueden haber poseído océanos hace miles de millones de años.

El estudio de estos mundos nos brinda una visión (relativamente) cercana de cómo funcionan los océanos fuera de la Tierra y, si tenemos mucha suerte, cómo podrían albergar vida, ahora o en el pasado.

El conjunto de OWLS consta de dos subsistemas de instrumentos: OCEANS (Sistema de análisis de electroforesis capilar orgánica) y ELVIS (Sistema de imágenes volumétricas de vida existente). Ambos están diseñados para tomar muestras líquidas recolectadas e investigarlas en busca de posibles signos de vida, mediante dos técnicas básicas.

OCEANS utiliza una técnica de separación de moléculas llamada electroforesis. Después de cocinar a presión las muestras líquidas, el fluido pasa a través de un tubo. Ahí es donde OCEANS clasifica el resto de moléculas en función de su carga, tamaño y movilidad en presencia de un campo eléctrico. Luego, el detector puede evaluar la composición de la muestra.

Identifica diferentes componentes químicos de la vida, como aminoácidos, ácidos grasos y compuestos orgánicos. No todas estas sustancias serían una señal directa de vida, pero indicarían la posibilidad de vida: los ingredientes necesarios para que la vida ocurra.

ELVIS es esencialmente un sistema de microscopios que examinan la muestra desde diferentes perspectivas. Los científicos de la Universidad Estatal de Portland en Oregón trabajaron conjuntamente con el JPL para desarrollar ELVIS. El objetivo era permitir que el dispositivo buscara grandes volúmenes de muestras con alta resolución.

Si lo consideramos como una situación de encontrar una aguja en un pajar, "es como buscar una aguja en un pajar sin tener que recoger y examinar cada pedazo de heno", dijo el investigador co-principal Chris Lindensmith, que dirige el estudio. equipo de microscopio. “Básicamente tomamos grandes brazadas de heno y decimos: 'Oh, hay agujas aquí, aquí y aquí'”.

Esto significa que, en lugar de tomar pequeñas muestras para observarlas, como en un portaobjetos de microscopio Biology 101, ELVIS observa la muestra en 3-D utilizando un microscopio holográfico digital. Se pasa un gran volumen de muestra a través del sistema de microscopios, donde se puede analizar el líquido y recopilar datos en tiempo real. Los subsistemas ELVIS pueden identificar células a partir de minerales y seleccionar estructuras específicas como proteínas y paredes celulares.

Además, los microscopios incluyen dos generadores de imágenes fluorescentes. Los generadores de imágenes pueden etiquetar las células, si las hay, con tintes fluorescentes y seguir sus movimientos en la muestra, además de recoger información sobre su contenido químico y estructuras celulares.

Los subsistemas OCEANS y ELVIS generan abundantes datos que deben transmitirse a la Tierra. Dado que las velocidades de transmisión de datos en el espacio son peores que las de Internet por discado de los años 80, eso no será fácil. De hecho, sólo se puede transmitir un sorprendente 0,0001% de los datos que recopilará OWLS.

"Eso es como tomar toda la Guía del autoestopista galáctico y condensarla en un solo tweet", dijo Mark Wronkiewicz. Lideró el desarrollo de la autonomía científica a bordo para OWLS, y así es como OWLS resolverá su problema de datos.

OWLS puede comprimir datos en 3 o 4 órdenes de magnitud y priorizarlos para la transmisión en orden de importancia. (https://www.jpl.nasa.gov/go/owls/onboard-science-autonomy)

¿Cómo? Los algoritmos escritos para el programa de autonomía científica filtran todos los datos recopilados por minuto en busca de los mejores y más interesantes. Luego, OWLS transmite solo las piezas más importantes al equipo científico aquí en la Tierra.

Los algoritmos son producto de semanas de reuniones entre los equipos científicos y el equipo de autonomía. Los científicos definieron cuáles son los datos más cruciales y el equipo de programadores del equipo autónomo creó un software que puede encontrar y extraer esas firmas biológicas.

Por ejemplo, los algoritmos podrían analizar la información producida por un espectrómetro de masas en OWLS, cuyos datos parecen picos irregulares. El programa encuentra los picos en estos datos sin procesar y realiza recortes, dejando atrás los datos menos interesantes. Incluso puede elaborar estadísticas sobre las propiedades de cada pico de los datos. Estos picos se convierten en una huella química que los científicos pueden utilizar.

El desarrollo de OWLS tiene dos fases: fases de placa de pruebas y de placa de latón.

La fase de prueba fue cuando los equipos desarrollaron cada uno de los instrumentos por separado para probar su concepto y su desempeño exitoso. El equipo de OWLS ya realizó una prueba con los dispositivos independientes en Mono Lake, California. OWLS se encuentra actualmente en la fase de diseño, cuando el equipo produce una suite integrada con todos los módulos trabajando juntos para analizar una muestra. Después de la fase de tablero, el conjunto de instrumentos se someterá a otra prueba para evaluar su funcionalidad como unidad.

Cuando esté completo, OWLS podrá integrarse en una variedad de misiones planetarias planificadas para las próximas décadas, desde explorar lo alto de la atmósfera de Venus hasta las profundidades de los lagos de Titán. La suite OWLS está diseñada para que cualquiera o todos los componentes puedan adoptarse para estas diferentes configuraciones de misión dependiendo de los objetivos científicos específicos y los recursos de la misión.

El genio de OWLS también tiene usos en la Tierra. Los instrumentos OCEANS y ELVIS pueden resultar útiles para analizar y estudiar muestras de gran volumen en menos tiempo. Además, la autonomía puede ahorrar más tiempo a los científicos al indicarles los datos más importantes y relevantes para su trabajo. Los científicos pueden imaginar a OWLS estudiando muestras de sangre en medicina o muestras líquidas en ciencias marinas.

Como la vida misma, OWLS se adapta fácilmente y debería prosperar en una amplia gama de entornos, realizando muchas tareas diferentes.