Ein hochempfindliches Instrument hat starke Biofluoreszenzsignale von versteinerten Organismen aufgenommen, die vor Millionen von Jahren ausgestorben sind. Laut seinen Entwicklern wäre der neue Compact Color Biofinder ähnlich praktisch bei der Erkennung von Lebenszeichen auf anderen Planetenkörpern und könnte daher bei zukünftigen Missionen der NASA und anderer Weltraumbehörden eine entscheidende Rolle spielen.
Biologische Materialien wie Aminosäuren, Proteine, Lipide und sogar Sedimentgesteine senden alle Biofluoreszenzsignale aus, die mit speziellen Kameras erfasst werden können. Der Compact Color Biofinder, der von entwickelt wurde Anupam Misra von dem Hawaii Institut für Geophysik und Planetologie im UH Manoa School of Ocean and Earth Science and Technology (SOEST) verbessert diese älteren Kameras, indem es winzige Mengen an Biorückständen erkennt, die an Gestein haften. Es kann auch aus mehreren Metern Entfernung arbeiten und große Flächen schnell scannen.
„Die erste Version von Biofinder wurde mit einem großen empfindlichen ICCD-Detektor (Intensified Charge-Coupled Device) hergestellt“, sagt Misra. „Da die Signale von diesem Instrument sehr stark waren, dachte ich, dass eine kleinere Farb-CMOS-Kamera verwendet werden könnte. Dank der heute verfügbaren empfindlichen Low-Light-CMOS-Detektoren ist dies jetzt möglich.“
Einfaches Funktionsprinzip
Das Funktionsprinzip von Biofinder ist einfach, sagt Misra Physik-Welt. Die gesamte Biofluoreszenz hat eine sehr kurze Lebensdauer von weniger als 20 Nanosekunden, daher beleuchtet das System zunächst einen Bereich mit einem aufgeweiteten gepulsten Laserstrahl mit einer Impulsbreite von wenigen Nanosekunden. Die CMOS-Kamera nimmt dann ein Fluoreszenzbild mit kürzester Belichtungszeit auf (1 µs für den vorliegenden Detektor). Das System wartet dann auf den nächsten Laserpuls, um die Messung zu wiederholen.
„Unser Laser feuert 20 Laserpulse in einer Sekunde ab“, erklärt Misra. „Daher nimmt das System 20 Bilder pro Sekunde auf und läuft mit Videogeschwindigkeit.“ Die Nachweisgrenzen liegen bei einem Zielabstand von einem Meter unter ppm, fügt er hinzu.
Nachweis von Biorückständen in Fischfossilien
In ihrer Arbeit, in der sie ausführlich sind Nature Scientific Reports, Misra und Kollegen untersuchten Biorückstände in Fischfossilien aus der Green River-Formation, die aus dem Eozän vor 56-33.9 Millionen Jahren stammt. Sie fanden heraus, dass die Fossilien noch erhebliche Mengen an Rückständen enthalten, was darauf hindeutet, dass diese organische Substanz auch nach so langer Zeit im Fossilisierungsprozess nicht vollständig durch Mineralien ersetzt wurde.
Das Team untermauerte die Erkenntnisse aus den Biofinder-Fluoreszenzbildern mit Messungen unter Verwendung einer Reihe anderer Techniken, darunter Raman- und Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (ATR-FIR) mit abgeschwächter Totalreflexion, Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (SEM-EDS) und Fluoreszenz-Lifetime-Imaging-Mikroskopie (FLIM).
Die Ergebnisse bestätigen, dass biologische Rückstände Millionen von Jahren überleben können, sagt Misra, und dass die Biofluoreszenz-Bildgebung wirksam ist, um diese Spurenrückstände in Echtzeit zu erkennen.
„Kritisch für zukünftige NASA-Missionen“
Die Suche nach Leben – sei es existierend oder ausgestorben – auf anderen Planeten ist ein Hauptziel für Planetenerkundungsmissionen, und die Forscher hoffen, dass ihre Technologie eines Tages Teil von Missionen werden wird, die darauf abzielen, auf fernen Welten nach Biomarkern zu suchen. Tatsächlich bewerben sie sich jetzt, um ihren Instrumentenraum zu qualifizieren.
„Gegenseitige Auffindbarkeit“ wird die Suche nach außerirdischen Zivilisationen verbessern
„Wenn der Biofinder auf einem Rover auf dem Mars oder einem anderen Planeten montiert wäre, könnten wir große Bereiche schnell scannen, um Hinweise auf vergangenes Leben zu finden, selbst wenn der Organismus klein, mit unseren Augen nicht leicht zu erkennen und tot wäre viele Millionen Jahre“, sagt Misra. „Wir gehen davon aus, dass die Fluoreszenzbildgebung bei zukünftigen NASA-Missionen von entscheidender Bedeutung sein wird, um organische Stoffe und die Existenz von Leben auf anderen Planetenkörpern zu entdecken.“
Die Co-Autorin der Studie, Sonia J. Rowley, fügt hinzu, dass die Fähigkeiten des Biofinders auch für die NASA wichtig wären Planetarisches Schutzprogramm, das darauf abzielt, Schadstoffe wie Erdmikroben auf ausgehenden Raumfahrzeugen sowie alle außerirdischen Biogefahren zu erkennen, die die Rückreise antreten könnten.
