07/10/2022 - 8:51
Estamos sozinhos no universo? Uma resposta a essa pergunta antiga parecia tentadoramente ao alcance desde a descoberta de luas incrustadas de gelo em nosso Sistema Solar com oceanos subterrâneos potencialmente habitáveis. Mas procurar evidências de vida em um mar gelado a centenas de milhões de quilômetros de distância apresenta enormes desafios. O equipamento científico usado deve ser extremamente complexo, mas capaz de suportar radiação intensa e temperaturas criogênicas. Além disso, os instrumentos devem ser capazes de fazer medições diversas, independentes e complementares que, juntas, possam produzir provas de vida cientificamente defensáveis.
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Para resolver algumas das dificuldades que futuras missões de detecção de vida podem encontrar, uma equipe do Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da Nasa no sul da Califórnia desenvolveu o OWLS, um poderoso conjunto de instrumentos científicos diferente de qualquer outro. Abreviação de Oceans Worlds Life Surveyor, o OWLS é projetado para ingerir e analisar amostras líquidas. Possui oito instrumentos – todos automatizados – que, em um laboratório na Terra, exigiriam o trabalho de várias dezenas de pessoas.
Uma visão para o OWLS é usá-lo para analisar a água congelada de uma pluma de vapor em erupção da lua de Saturno Encélado. “Como você pega uma pitada de gelo a um bilhão de milhas da Terra e determina – na única chance que você tem, enquanto todos na Terra estão esperando com a respiração suspensa – se há evidências de vida?”, disse Peter Willis, coinvestigador principal e líder científico do projeto. “Queríamos criar o sistema de instrumentos mais poderoso que você pudesse projetar para essa situação para procurar sinais de vida químicos e biológicos.”
Teste inicial
Em junho, após meia década de trabalho, a equipe do projeto testou seu equipamento – atualmente do tamanho de alguns armários – nas águas salgadas do Lago Mono, na Califórnia. O OWLS encontrou evidências químicas e celulares de vida, usando seu software embutido para identificar essas evidências sem intervenção humana.
“Demonstramos a primeira geração do conjunto OWLS”, disse Willis. “O próximo passo é personalizá-lo e miniaturizá-lo para cenários de missão específicos.”
O software de autonomia científica no OWLS do JPL rastreia as partículas à medida que a água passa pelo microscópio, usando algoritmos de aprendizado de máquina para procurar evidências de movimento realista. Aqui, os rastros de partículas que a autonomia acredita pertencer a organismos “móveis” são coloridos em magenta. Crédito: Nasa/JPL-Caltech
Desafios e soluções
Uma das principais dificuldades que a equipe do OWLS enfrentou foi como processar amostras líquidas no espaço. Na Terra, os cientistas podem contar com a gravidade, uma temperatura de laboratório razoável e a pressão do ar para manter as amostras no lugar, mas essas condições não existem em uma espaçonave que atravessa o Sistema Solar ou na superfície de uma lua congelada. Assim, a equipe projetou dois instrumentos que podem extrair uma amostra líquida e processá-la nas condições do espaço.
Como não está claro que forma a vida pode assumir em um mundo oceânico, o OWLS também precisava incluir a maior variedade possível de instrumentos, capazes de medir uma faixa de tamanho de moléculas únicas a microrganismos. Para isso, o projeto juntou dois subsistemas: um que emprega diversas técnicas de análise química usando vários instrumentos e outro com vários microscópios para examinar pistas visuais.
O sistema de microscópio do OWLS seria o primeiro no espaço capaz de fazer imagens de células. Desenvolvido em conjunto com cientistas da Universidade Estadual de Portland, no Oregon, ele combina um microscópio holográfico digital, que pode identificar células e movimentos em todo o volume de uma amostra, com dois geradores de imagens fluorescentes, que usam corantes para observar o conteúdo químico e as estruturas celulares. Juntos, eles fornecem visualizações sobrepostas em uma resolução de menos de um único mícron, ou cerca de 0,00004 polegada.
Sensibilidade aguçada
Apelidado de Extant Life Volumetric Imaging System (ELVIS), o subsistema de microscópio não possui partes móveis – uma raridade. E usa algoritmos de aprendizado de máquina para detectar movimentos realistas e detectar objetos iluminados por moléculas fluorescentes, sejam naturais em organismos vivos ou como corantes adicionados ligados a partes das células.
“É como procurar uma agulha no palheiro sem ter que pegar e examinar cada pedaço de feno”, disse o coinvestigador principal Chris Lindensmith, que lidera a equipe do microscópio. “Estamos basicamente pegando grandes braçadas de feno e dizendo: ‘Oh, há agulhas aqui, aqui e aqui’.”
Para examinar formas muito menores de evidência, o OWLS usa seu Organic Capillary Electrophoresis Analysis System (OCEANS), que essencialmente cozinha amostras líquidas sob pressão e as alimenta em instrumentos que buscam os blocos químicos de construção da vida: todas as variedades de aminoácidos, bem como ácidos graxos e compostos orgânicos. O sistema é tão sensível que pode até detectar formas desconhecidas de carbono. Willis, que liderou o desenvolvimento do OCEANS, o compara a um tubarão que pode cheirar apenas uma molécula de sangue em um bilhão de moléculas de água – e também dizer o tipo sanguíneo. Seria apenas o segundo sistema de instrumentos a realizar análises químicas de líquidos no espaço, depois do instrumento Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer (MECA) no Phoenix Mars Lander da Nasa.
O OCEANS usa uma técnica chamada eletroforese capilar – basicamente, executando uma corrente elétrica através de uma amostra para separá-la em seus componentes. A amostra é então encaminhada para três tipos de detectores, incluindo um espectrômetro de massa, a ferramenta mais poderosa para identificar compostos orgânicos.
Envio para casa
Esses subsistemas produzem grandes quantidades de dados, dos quais apenas cerca de 0,0001% poderiam ser enviados de volta à Terra distante devido às taxas de transmissão de dados que são mais limitadas do que a internet discada da década de 1980. Portanto, o OWLS foi projetado com o que é chamado de “autonomia de instrumentos científicos a bordo”. Usando algoritmos, os computadores analisariam, resumiriam, priorizariam e selecionariam apenas os dados mais interessantes para serem enviados para casa, ao mesmo tempo que ofereciam um “manifesto” de informações ainda a bordo.
“Estamos começando a fazer perguntas que exigem instrumentos mais sofisticados”, disse Lukas Mandrake, engenheiro de sistemas de autonomia de instrumentos do projeto. “Alguns desses outros planetas são habitáveis? Há evidências científicas defensáveis para a vida em vez de uma sugestão de que ela possa estar lá? Isso requer instrumentos que coletam muitos dados, e é isso que o OWLS e sua autonomia científica estão configurados para realizar.”
