Com identificar material cel·lular en un sol gra de glaç en l’espai interplanetari

Cosmobioquímica: Aquest és pràcticament el títol d’un article publicat ahir a Science Advances, amb l’astrobiòleg Fabian Klenner com a primer autor. El títol feia especial referència a Encèlad, satèl·lit de Saturn, i podia estendre’s també a Europa, satèl·lit de Júpiter, i amb una mica més de generositat a tota la col·lecció de planetes secundaris del Sistema Solar Exterior. Aquestes llunes poden emetre a l’espai material originat als seus oceans subsuperficials, aspecte que per si sol ja ens evoca les teories de panspèrmia. En el cas d’Encèlad és ben sabut que, a través de plomes, hi ha emissió de grans de glaç i de gas. En el cas d’Europa això és probable. La nau Cassini mostrà la gran diversitat de composició dels grans de glaç emesos, que entre l’1 i el 4% d’aquests grans presenten matèria orgànica en concentracions elevades. Klenner et al. han simulat experiments d’espectrometria de masses de grans de glaç carregats amb una sola cèl·lula bacteriana, o amb fragments cel·lulars. El SUrface Dust Analyzer de la missió Europa Clipper de la NASA (que serà llençada no pas abans d’octubre d’enguany) té prou capacitat analítica en el context d’un acostament a Europa una velocitat de 4-6 km/s. Klenner et al. ens conviden a pensar que l’Europa Clipper podria ser capaç de detectar restes cel·lulars en l’exosfera europana. L’anàlisi de grans individuals de glaç pot ser més potent que el d’una mostra recollida en una ploma heterogènia.

Espectre de masses catiònic corregit per línia de base d’una gota d’aigua de 15 μm de diàmetre carregada amb l’equivalent d’una cèl·lula de ‘Sphingopyxis alaskensis’, bacteri psicròfil marí. Si en els propers anys aconseguim un espectre semblant en l’exosfera d’Europa o d’Encèlad entrarem en una nova era de la biologia.

Com identificar biosignatures en planetes oceànics extraterrestres.

Si hi ha vida al Sistema Solar més enllà de la Terra els candidats més creïbles són els grans satèl·lits jovians i saturnians. Aquests planetes glacials poden contindre oceans líquids sota l’escorça. Accedir a aquests oceans és ben complex amb la tecnologia actual. No obstant, en el cas d’Encèlad se sap que hi ha emissions de gas i de grans de glaç procedents d’aigües subsuperficials. Possiblement també és el cas d’Europa.

Les dades de la NASA Cassini suggereixen que l’origen de les plomes d’Encèlad és un oceà d’aigua líquida i no tant un reservori més proper a la superfície. La NASA Cassini disposava d’un Cosmic Dust Analyzer (CDA) consistent en un espectròmetre de masser per ionització d’impacte. La NASA Europa Clipper té un SUrface Dust Analyzer (SUDA). Per a missions posteriors hom ha construït l’ENceladus Ice Analyzer (ENIA) o el High Ice Flux Instrument (HIFI). Per a l’espai interplanetari hom projecta la NASA Imap (amb l’IDEX) o la JAXA Destiny⁺.

A Encèlad hi ha una interacció hidrotèrmica entre el nucli rocallós i el mantell oceànic. L’oceà subsuperficial d’Encèlad és d’una salinitat comparable a la de l’oceà superficial de la Terra. D’acord amb les dades de la Cassini, l’oceà d’Encèlad té un contingut de matèria orgànica en forma de compostos volàtils (nitrogenats i oxigenats) i de macromolècules. La majoria dels grans de glaç emesos per les plomes només tenen traces de sals i de substàncies orgàniques, però n’hi ha de més concentrats.

Amb les dades disponibles hom pot assumir que la química orgànica d’Encèlad és prou rica. S’hi ha detectat cianur d’hidrogen i ortofosfats. Però resulta difícil de destriar si és matèria orgànica abiòtica (o prebiòtica) o sí respon a una biosfera amb totes les lletres. Klenner et al. creuen que la resposta depèn de l’anàlisi individual de grans de glaç per espectrometria de masses d’ionització per impacte.

Tota astrobiologia ha de partir de l’únic planeta que sabem habitat, el nostre. A la Terra el 70% de la superfície és cobert per una microcapa oceànica consistent en un biofilm gelatinós. La concentració de microorganismes en aquesta microcapa és fins a centenars de milers de vegades superior a la concentració mitjana de l’oceà. Elements d’aquesta microcapa poden passar a l’atmosfera i esdevindré nuclis en la formació de cristalls en núvols.

Per analogia podem imaginar que hi ha una microcapa orgànica superior a l’oceà d’Encèlad. D’ací vindrien les macromolècules orgàniques detectades per la Cassini. Proporcionalment, tan sols una petita fracció dels grans de glaç de les plomes d’Encèlad té aquest origen. Ara bé, en aquesta fracció de grans hi hauria un procés de concentració de macromolècules i de material refractari. Encèlad aboca grans de glaç a un ritme de 15-65 kg/s, del qual un 10% escapa fins a entrar en l’anell E de Saturn.

La CDA de la Cassini investigà de 30 a 300 grans de glaç en una sola passada per la ploma d’Encèlad. La SUDA de l’Europa Clipper podria analitzar desenes de milers de grans en les plomes hipotètiques d’Europa.

Experiments de laboratori

Klenner et al. utilitzen la desorpció iònica de flux líquid induïda per làser (LILBID) sobre material bacterià. Concretament prenen com a model un cultiu bacterià de Sphingopyxis alaskensis. Es tracta d’un nanobacteri (volum cel·lular inferior a 0,1 μm³) que viu en ambients marins freds. Pot veure’s arrossegat en grans de glaç atmosfèric. Pot sobreviure en un medi baix en nutrients i pot utilitzar gas hidrogen com a font d’energia.

Mostres de cultiu de S. alaskensis eren injectades verticalment en el buit a un corrent d’aigua de 15 μm de diàmetre. El corrent es desintegra en gotes de 2-3 mm. Sota un làser infraroig de 2840 nm de longitud d’ona, es provoca la desorbció de cations i anions de les gotes, que es desvien cap a un espectròmetre de masses de temps de vol (TOF).

L’espectre de masses catiònic d’una gota carregada amb una cèl·lula de S. alaskensis es troba dominat per l’aigua, el potassi (K⁺), el sodi (Na⁺), l’amoni (NH₄⁺). També hi ha pics d’aminoàcids protonats.

L’espectre de masses aniònic és dominat per molècules deprotonades d’àcids grassos saturats i insaturats: àcid tetradecanoic, àcid pentadecanoic, àcid hexadecanoic, àcid octadecanoic, etc.

Europa Clipper i altres missions

Klenner et al. ens mostren la capacitat de la NASA Europa Clipper de detectar biosignatures en el cas que Europa emeti grans de glaç procedents d’una microcapa cel·lular del seu oceà subsuperficial. Els espectres catiònics informaran del perfil aminoacídic d’aquests microorganismes, i els espectres aniònics de perfil lipídic. La SUDA de l’Europa Clipper té la capacitat de detectar fins a un milió d’ions d’un sol gra de glaç. I en cadascuna de les 10 aproximacions a Europa, la SUDA podrà analitzar més de 10.000 grans.

Una anàlisi positiva de la NASA Europa Clipper ens permetria respondre tota una sèrie de qüestions. La primera és: Fins a quin punt la bioquímica de dos planetes diferents pot ser dissimilar?

Lligams:

- How to identify cell material in a single ice grain emitted from Enceladus or Europa. Fabian Klenner, Janine Bönigk, Maryse Napoleoni, Jon Hillier, Nozair Khawaja, Karen Olsson-Francis, Morgan L. Cable, Michael J. Malaska, Sascha Kempf, Bernd Abel, And Frank Postberg. Science Advances 10 (2024)