เราอยู่คนเดียวในจักรวาลหรือไม่? คำตอบสำหรับคำถามเก่าแก่นั้นดูเหมือนจะเข้าถึงได้ง่ายตั้งแต่การค้นพบดวงจันทร์

ที่ปกคลุมไปด้วยน้ำแข็งในระบบสุริยะของเราซึ่งมีมหาสมุทรใต้ผิวดินที่อาจอาศัยอยู่ได้ แต่การมองหาหลักฐานของชีวิตในทะเลที่เย็นยะเยือกซึ่งอยู่ห่างออกไปหลายร้อยล้านไมล์ถือเป็นความท้าทายอย่างมาก อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่ใช้ต้องมีความซับซ้อนอย่างประณีต แต่สามารถทนต่อการแผ่รังสีที่รุนแรงและอุณหภูมิในการแช่แข็งได้ ยิ่งไปกว่านั้น เครื่องมือจะต้องสามารถใช้การวัดที่หลากหลาย เป็นอิสระ และเสริมซึ่งกันและกัน ซึ่งสามารถสร้างหลักฐานการมีชีวิตที่สามารถป้องกันได้ในทางวิทยาศาสตร์

• บทความอื่น ๆ : theeastsoft.com

ทีมงานที่ห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion Laboratory ของ NASA ในแคลิฟอร์เนียตอนใต้ได้พัฒนา OWLS ซึ่งเป็นชุดเครื่องมือวิทยาศาสตร์ที่ทรงพลังไม่เหมือนใครเพื่อจัดการกับปัญหาบางอย่างที่อาจพบในภารกิจการตรวจจับชีวิตในอนาคต ย่อมาจาก Oceans Worlds Life Surveyor OWLS ได้รับการออกแบบมาเพื่อการบริโภคและวิเคราะห์ตัวอย่างของเหลว มันมีเครื่องมือแปดตัว—ทั้งหมดเป็นแบบอัตโนมัติ—ซึ่งในห้องแล็บบนโลก จะต้องมีการทำงานของคนหลายสิบคน

วิสัยทัศน์หนึ่งสำหรับ OWLS คือการใช้มันเพื่อวิเคราะห์น้ำที่แช่แข็งจากไอระเหยที่ปะทุจากเอนเซลาดัสของดวงจันทร์ของดาวเสาร์ “คุณจะเอาน้ำแข็งที่โปรยปรายออกไปหนึ่งพันล้านไมล์จากโลกได้อย่างไรและตัดสิน—ในโอกาสเดียวที่คุณมี ในขณะที่ทุกคนบนโลกกำลังรอด้วยลมหายใจน้อยลง—ว่าจะมีหลักฐานการมีชีวิตหรือไม่” ปีเตอร์ วิลลิส ผู้ร่วมวิจัยหลักและหัวหน้าฝ่ายวิทยาศาสตร์ของโครงการกล่าว “เราต้องการสร้างระบบเครื่องมือที่ทรงพลังที่สุดที่คุณออกแบบได้สำหรับสถานการณ์นั้น เพื่อค้นหาสัญญาณของชีวิตทั้งทางเคมีและชีวภาพ”

OWLS ของ JPL ผสมผสานเครื่องมือวิเคราะห์ทางเคมีอันทรงพลังที่มองหาองค์ประกอบสำคัญของชีวิตด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ค้นหาเซลล์ OWLS เวอร์ชันนี้จะถูกย่อขนาดและปรับแต่งเพื่อใช้กับภารกิจในอนาคต เครดิต: NASA/JPL-Caltechในเดือนถุนายน หลังจากทำงานไปครึ่งทศวรรษ ทีมงานโครงการได้ทดสอบอุปกรณ์ ซึ่งปัจจุบันมีขนาดเท่ากับตู้เก็บเอกสารสองสามตู้—บนผืนน้ำเค็มของทะเลสาบโมโนในแคลิฟอร์เนียตะวันออก OWLS พบหลักฐานทางเคมีและเซลล์ของชีวิต โดยใช้ซอฟต์แวร์ในตัวเพื่อระบุหลักฐานนั้นโดยปราศจากการแทรกแซงของมนุษย์

“เราได้สาธิตชุด OWLS รุ่นแรกแล้ว” วิลลิสกล่าว “ขั้นตอนต่อไปคือการปรับแต่งและย่อให้เล็กลงสำหรับสถานการณ์ภารกิจเฉพาะ”

ซอฟต์แวร์อิสระทางวิทยาศาสตร์บน OWLS ของ JPL ติดตามอนุภาคขณะที่น้ำไหลผ่านกล้องจุลทรรศน์ โดยใช้อัลกอริธึมการเรียนรู้ด้วยเครื่องเพื่อค้นหาหลักฐานของการเคลื่อนไหวที่เหมือนจริง ในที่นี้ ร่องรอยของอนุภาคที่เอกเทศเชื่อว่าเป็นของสิ่งมีชีวิตที่ “เคลื่อนไหวได้” เป็นสีม่วงแดง เครดิต: NASA/JPL-Caltech
ความท้าทาย แนวทางแก้ไข

ปัญหาสำคัญที่ทีม OWLS ต้องเผชิญคือการประมวลผลตัวอย่างของเหลวในอวกาศ บนโลกนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถพึ่งพาแรงโน้มถ่วง อุณหภูมิห้องทดลองที่เหมาะสม และความกดอากาศเพื่อเก็บตัวอย่างให้อยู่กับที่ แต่สภาพเหล่านั้นไม่มีอยู่บนยานอวกาศที่แล่นผ่านระบบสุริยะหรือบนพื้นผิวของดวงจันทร์ที่เยือกแข็ง ทีมงานจึงออกแบบเครื่องมือสองเครื่องที่สามารถดึงตัวอย่างของเหลวและประมวลผลในสภาวะของพื้นที่

เนื่องจากยังไม่ชัดเจนว่าสิ่งมีชีวิตรูปแบบใดที่อาจจะเกิดขึ้นในโลกของมหาสมุทร OWLS จึงจำเป็นต้องรวมชุดเครื่องมือที่กว้างที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งสามารถวัดช่วงขนาดได้ตั้งแต่โมเลกุลเดี่ยวไปจนถึงจุลินทรีย์ ด้วยเหตุนี้ โปรเจ็กต์จึงได้เข้าร่วมสองระบบย่อย ระบบแรกใช้เทคนิคการวิเคราะห์ทางเคมีที่หลากหลายโดยใช้เครื่องมือหลายอย่าง และอีกระบบหนึ่งมีกล้องจุลทรรศน์หลายตัวเพื่อตรวจสอบเบาะแสที่มองเห็นได้

ระบบกล้องจุลทรรศน์ของ OWLS จะเป็นระบบแรกในอวกาศที่สามารถถ่ายภาพเซลล์ได้ ได้รับการพัฒนาร่วมกับนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐพอร์ตแลนด์ในรัฐโอเรกอน โดยได้รวมกล้องจุลทรรศน์โฮโลแกรมดิจิทัล ซึ่งสามารถระบุเซลล์และการเคลื่อนไหวตลอดปริมาตรของตัวอย่าง โดยใช้เครื่องสร้างภาพเรืองแสงสองตัว ซึ่งใช้สีย้อมเพื่อสังเกตเนื้อหาทางเคมีและโครงสร้างเซลล์ เมื่อรวมกันแล้วจะให้มุมมองที่ทับซ้อนกันที่ความละเอียดน้อยกว่าไมครอนเดียวหรือประมาณ 0.00004 นิ้ว

น้ำแข็งและไอน้ำพ่นออกมาจากดวงจันทร์เอนเซลาดัสของดาวเสาร์ซึ่งเป็นพื้นที่ใต้ผิวน้ำที่ซ่อนอยู่ในภาพนี้ ซึ่งถ่ายโดยภารกิจ Cassini ของ NASA ในระหว่างการบินผ่านปี 2010 OWLS ได้รับการออกแบบมาเพื่อนำเข้าและวิเคราะห์ตัวอย่างของเหลวจากขนนกดังกล่าว เครดิต: NASA/JPL/Space Science Institute

ระบบย่อยของกล้องจุลทรรศน์ที่มีชื่อเรียกว่า Extant Life Volumetric Imaging System (ELVIS) ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่หายาก และใช้อัลกอริธึมการเรียนรู้ด้วยเครื่องเพื่อเข้าถึงการเคลื่อนไหวที่เหมือนจริงและตรวจจับวัตถุที่สว่างขึ้นด้วยโมเลกุลเรืองแสง ไม่ว่าจะเกิดขึ้นตามธรรมชาติในสิ่งมีชีวิตหรือเป็นสีย้อมที่เพิ่มเข้ามาซึ่งจับกับส่วนต่างๆ ของเซลล์

“มันเหมือนกับการมองหาเข็มในกองฟางโดยไม่ต้องหยิบและตรวจดูหญ้าแห้งทุกชิ้น” คริส ลินเดนสมิธ นักวิจัยร่วมหลัก ซึ่งเป็นผู้นำทีมกล้องจุลทรรศน์ กล่าว “โดยพื้นฐานแล้วเรากำลังคว้าหญ้าแห้งจำนวนหนึ่งและพูดว่า ‘โอ้มีเข็มอยู่ที่นี่และที่นี่'”

เพื่อตรวจสอบหลักฐานในรูปแบบที่เล็กกว่ามาก OWLS ใช้ระบบวิเคราะห์อิเล็กโตรโฟรีซิสอินทรีย์ (OCEANS) ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วความดันจะต้มตัวอย่างของเหลวและป้อนให้กับเครื่องมือที่ค้นหาองค์ประกอบทางเคมีของชีวิต: กรดอะมิโนทุกชนิดเช่นกัน เป็นกรดไขมันและสารประกอบอินทรีย์ ระบบมีความละเอียดอ่อนมาก

จึงสามารถตรวจจับคาร์บอนในรูปแบบที่ไม่รู้จักได้ วิลลิส ซึ่งเป็นผู้นำการพัฒนาของ OCEANS เปรียบเทียบกับฉลามที่สามารถดมกลิ่นเลือดเพียงหนึ่งโมเลกุลในน้ำหนึ่งพันล้านโมเลกุล และยังบอกถึงหมู่เลือดได้อีกด้วย มันจะเป็นเพียงระบบเครื่องมือที่สองในการวิเคราะห์ทางเคมีเหลวในอวกาศ ต่อจากเครื่องมือ Microscopy, Electrochemistry และ Conductivity Analyzer (MECA) บน Phoenix Mars Lander ของ NASA

OCEANS ใช้เทคนิคที่เรียกว่าคาปิลลารีอิเล็กโตรโฟรีซิส โดยพื้นฐานแล้วจะใช้กระแสไฟฟ้าผ่านตัวอย่างเพื่อแยกออกเป็นส่วนประกอบ จากนั้น ตัวอย่างจะถูกส่งไปยังเครื่องตรวจจับสามประเภท รวมถึงแมสสเปกโตรมิเตอร์ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ทรงพลังที่สุดในการระบุสารประกอบอินทรีย์

ระบบย่อยเหล่านี้สร้างข้อมูลจำนวนมหาศาล โดยประมาณ 0.0001% ของข้อมูลนั้นสามารถส่งกลับไปยังโลกที่ห่างไกลได้ เนื่องจากอัตราการส่งข้อมูลที่จำกัดมากกว่าอินเทอร์เน็ตผ่านสายโทรศัพท์ในช่วงทศวรรษ 1980 ดังนั้น OWLS จึงได้รับการออกแบบด้วยสิ่งที่เรียกว่า “ความเป็นอิสระของเครื่องมือวิทยาศาสตร์แบบออนบอร์ด” การใช้อัลกอริธึม คอมพิวเตอร์จะวิเคราะห์ สรุป จัดลำดับความสำคัญ และเลือกเฉพาะข้อมูลที่น่าสนใจที่สุดที่จะส่งกลับบ้าน ในขณะเดียวกันก็นำเสนอ “รายการ” ของข้อมูลที่ยังคงอยู่บนเครื่อง

Lukas Mandrake วิศวกรระบบเครื่องดนตรีอิสระของโครงการกล่าวว่า “ตอนนี้เรากำลังเริ่มถามคำถามซึ่งจำเป็นต้องใช้เครื่องมือที่มีความซับซ้อนมากขึ้น “ดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ เหล่านี้อาศัยอยู่ได้หรือไม่ มีหลักฐานทางวิทยาศาสตร์ที่สามารถปกป้องชีวิตได้แทนที่จะเป็นคำใบ้ว่าอาจมีอยู่ที่นั่นหรือไม่ ที่ต้องใช้เครื่องมือที่ใช้ข้อมูลจำนวนมาก และนั่นคือสิ่งที่ OWLS และความเป็นอิสระทางวิทยาศาสตร์ของมันถูกตั้งค่าให้สำเร็จ “