NASA研制“化学笔记本电脑”寻找外太空生命

NASA研制“化学笔记本电脑”寻找外太空生命

化学电脑笔记本原型机

  如果你想寻找另一个世界的生命迹象,你可能要携带一些小的随身物品。这成为美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)发明化学笔记本电脑的指导思想,它是一种缩小版的实验室,能分析与生命有关的样本。

  JPL 实验室博士后杰西卡·克里莫表示:“如果这个仪器被送上太空,将成为这类检测设备中最敏感的一款,也将成为第一款可同时寻找氨基酸和脂肪酸的仪器。”

  研究人员希望化学笔记本电脑能像《星际迷航》中的首次科学分析仪(Tricorder)那样,有一天能被发送到另一个行星如火星或木卫二上。它大约是普通笔记本电脑的大小,但是更厚一些,因为里面装配了一些化学分析组件。它与 Tricorder 的不同之处在于,需要摄取样本并对其进行分析。

  JPL 技术员福尔南达·莫拉与项目首席皮特·威利斯共同开发了这个仪器。莫拉说:“它是一款可以因执行不同检测任务而重新编程的化学分析仪。比如,它能像普通电脑笔记本那样,用不同的程序来检测氨基酸和脂肪酸。”

  氨基酸是构成蛋白质的组件,而脂肪酸是细胞膜的重要组成部分,它们都是生命不可缺少的非生命来源,而化学笔记本电脑或许能告诉你它们的区别。

  用它寻找什么?

  氨基酸以两种类型出现,左手型和右手型。正如人的左右手一样,这些氨基酸互为镜像,但是包含着同样的成分。地球上的生命只用到了左手氨基酸,因为在生命历史的早期就成为标准了。一些科学家假设,在其他世界中的生命可能会用到右手型氨基酸。

  克里莫说,如果测试发现了左手型和右手型的氨基酸混合物,就可以断定,这个样本并非生命的起源。但是一旦发现了左手型或者右手型氨基酸,可以成为迄今为止其他星球存在生命的证据。

  对氨基酸的分析非常具有挑战性,因为左手型或者右手型的氨基酸版本在大小和电荷上都是等量的。更有挑战性的是,发明一种方法在单项分析中查找所有的氨基酸。

  当笔记本设定为寻找脂肪酸的时候,科学家最感兴趣的是脂肪酸的碳链长度,这也是有机体存在或者曾经存在的标志。

  它如何工作?

  由电池提供电源的“化学笔记本电脑”需要分析液体样本,这一类样本在火星等星体上尤其难得。研究团队联合 JPL 的路德·比格尔将“咖啡机”技术应用其中,样本被放入特定通道,与水混合加热至 100 摄氏度以上,水流会携带有机分子。火星样本分析仪器(SAM)被放置在 NASA“好奇”号火星探测车上,它也用到了类似的原理,但是用的是热而非水。

  一旦水样本被送入化学笔记本电脑,仪器会通过掺入一种荧光染料,能指示氨基酸或脂肪酸。样本一起流入内部的微型芯片,氨基酸或者脂肪酸能够自动分离,在分离管道的尾部是检测激光。当通过激光检测时,荧光染料可以让研究人员看到与氨基酸或者脂肪酸有关的信号。

  在微型芯片内部的“分离通道”中,已经添加了混有样本的化学添加剂。一些物种只能与右手型氨基酸发生反应,而另一些只能与左手型氨基酸发生反应。这些添加剂会改变不同氨基酸类型在分离通道中的存留时间,进而让科学家判断样本中氨基酸的类型。

  为未来应用做检测

  2014 年,研究人员将化学笔记本电脑放在测试火星车中,做了一个区域性的实验。莫拉说:“这是第一次将之应用于实验室外的环境。也是证明其在火星车中运行总体可行的第一步。”

  JPL 的米歇尔·鲁塞尔帮助提供了供这次测试使用的“绿锈”样本,它是一种吸收了有机分子的矿物,可能是重要的生命起源。威利斯说:“我们的终极目标是将这个仪器放在火星探测车上,所以第一次实验室外的测试也是这么做的。”

  从那时起,莫拉一直致力于改进化学电脑笔记本的工作敏感性,以便能检测到更少量的氨基酸或者脂肪酸。现在,这款仪器能够测量浓度低于万亿分之一的样本。而莫拉正在测试一种新型的激光探测器技术。

  接下来的测试将在智利的阿塔卡玛沙漠进行,测试经费来自 NASA 行星科学与技术模拟研究项目的一笔资助。

  克里默表示,这可能是对于寻找土卫二冰雪世界目标的重要应用工具,你只需要融化一点点雪,就可以直接作为样本进行分析了。

  目前,化学笔记本电脑技术在地球上已经有所应用:它可以用来检测环境变化,直接在检测地点分析样本就行了,而不需要再将样本带回实验室;它还能测出药物的成分是合法还是假冒的。

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