Ett mycket känsligt instrument har plockat upp starka biofluorescenssignaler från fossiliserade organismer som dog för miljoner år sedan. Enligt dess utvecklare skulle den nya Compact Color Biofinder vara lika praktisk för att upptäcka tecken på liv på andra planetariska kroppar och kan därför spela en avgörande roll i framtida uppdrag av NASA och andra rymdorganisationer.
Biologiska material som aminosyror, proteiner, lipider och till och med sedimentära bergarter avger alla biofluorescenssignaler som kan detekteras med hjälp av speciella kameror. Compact Color Biofinder, som utvecklats av Anupam Misra från Hawai'i Institute of Geophysics and Planetology vid UH Manoa School of Ocean and Earth Science and Technology (SOEST), förbättrar dessa äldre kameror genom att upptäcka små mängder biorester som klänger sig fast vid sten. Den kan även arbeta på flera meters avstånd och snabbt skanna stora ytor.
"Den första versionen av Biofinder gjordes med hjälp av en stor känslig ICCD [intensified charge-coupled device]-detektor", säger Misra. "Eftersom signalerna från det här instrumentet var mycket starka, tänkte jag att en mindre färg-CMOS-kamera kunde användas. Tack vare de känsliga CMOS-detektorerna för svagt ljus som finns tillgängliga idag är detta nu möjligt.”
Enkel arbetsprincip
Biofinders arbetsprincip är enkel, berättar Misra Fysikvärlden. All biofluorescens har en mycket kort livslängd på mindre än 20 nanosekunder, så systemet belyser först ett område med hjälp av en expanderad pulsad laserstråle med en pulsbredd på några nanosekunder. CMOS-kameran tar sedan en fluorescensbild med den kortaste exponeringstiden (1 µs för den aktuella detektorn). Systemet väntar sedan på nästa laserpuls för att upprepa mätningen.
"Vår laser avfyrar 20 laserpulser på en sekund", förklarar Misra. "Därför tar systemet 20 bildrutor per sekund och körs med videohastighet." Detektionsgränserna ligger under ppm-nivåer på ett målavstånd på en meter, tillägger han.
Detektering av biorester i fiskfossiler
I sitt arbete, som de detaljerar i Natur vetenskapliga rapporter, Misra och kollegor studerade biorester i fiskfossiler från Green River formation, som härrör från eocentiden för 56-33.9 miljoner år sedan. De fann att fossilerna fortfarande innehåller avsevärda mängder rester, vilket antyder att detta organiska material inte helt har ersatts av mineraler i fossiliseringsprocessen, även efter så lång tid.
Teamet backade upp fynden från Biofinder fluorescensbilder med mätningar med en rad andra tekniker, inklusive Raman och försvagad totalreflektion Fourier-transform infraröd (ATR-FIR) spektroskopi, svepelektronmikroskopi (SEM), energidispersiv röntgenspektroskopi (SEM-EDS) och fluorescens livstidsavbildningsmikroskopi (FLIM).
Resultaten bekräftar att biologiska rester kan överleva miljontals år, säger Misra, och att biofluorescensavbildning är effektiv för att detektera dessa spårrester i realtid.
"Kritiskt i framtida NASA-uppdrag"
Sökandet efter liv – vare sig det är existerande eller utrotat – på andra planeter är ett viktigt mål för planetariska utforskningsuppdrag, och forskarna hoppas att deras teknik en dag kommer att bli en del av uppdrag som är utformade för att leta efter biomarkörer i avlägsna världar. Faktum är att de nu ansöker om att få sitt instrumentutrymme kvalificerat.
"Ömsesidig detekterbarhet" kommer att förbättra sökandet efter utomjordiska civilisationer
"Om Biofinder var monterad på en rover på Mars eller en annan planet skulle vi snabbt kunna skanna stora områden snabbt för att upptäcka bevis på tidigare liv, även om organismen var liten, inte lätt att se med våra ögon och död för många miljoner år, säger Misra. "Vi räknar med att fluorescensavbildning kommer att vara avgörande i framtida NASA-uppdrag för att upptäcka organiska ämnen och existensen av liv på andra planetariska kroppar."
Studiens medförfattare Sonia J Rowley tillägger att Biofinders kapacitet också skulle vara viktig för NASA:s Planetskyddsprogram, som syftar till att upptäcka föroreningar som jordmikrober på utgående rymdfarkoster såväl som alla utomjordiska biologiska faror som kan göra återresan.
