Een wild idee: microben voor het verkennen van exoplaneten

Ze zijn klein, lichtgewicht en aanpasbaar, en kunnen zichzelf reproduceren in een tempo dat door de mens gemaakte machines nooit zullen kunnen repliceren.

Dus hoewel sondes en rovers tot nu toe voorop hebben gelopen bij de verkenning van ons zonnestelsel, gelooft Church dat ze zullen moeten wijken naarmate we verder de ruimte in gaan. Astraal reizen is eigendom van microben.

Een professor met wilde ideeën

George Church presenteerde zijn visie op een nieuwe manier Wetenschappelijk materiaalDit is niet de eerste keer dat hij voor opschudding zorgt met onverwachte projecten – zoals het gebruik van genetische technologie om mammoeten na te maken.

Church, 69, staat bekend om zijn technische benadering van genetische manipulatie en is een van de drijvende krachten achter de ontwikkeling van de baanbrekende genetische technologie CRISPR.

Door de visie van de biosonde combineert Church zijn ervaring in genetische manipulatie met zijn levenslange interesse in ruimtevaart. En hoewel het lijkt alsof hij deze keer iets groter denkt, is zijn idee eigenlijk om zo klein mogelijk te denken.

De kerk werd geïnspireerd door een ander project, Starshot-hack, dat in 2016 werd gelanceerd door natuurkundige Stephen Hawking en anderen. Het project heeft tot doel om tegen 2050 duizend kleine sondes, StarChips genaamd, naar de dichtstbijzijnde exoplaneten te sturen.

De StarChip-sondes zullen slechts ongeveer één gram wegen en zullen worden gelanceerd met behulp van zogenaamde zonnezeilen, aangedreven door krachtige lasers hier op aarde. Onderzoekers hopen dat de sensoren ongeveer twintig procent van de lichtsnelheid kunnen bereiken.

Het doelwit is de dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri, gelegen in het Alpha Centauri-systeem. Astronomen hebben rond de ster twee exoplaneten ontdekt, waarvan er één, Proxima Centauri b, ongeveer zo groot is als de aarde.

Omdat Proxima Centauri zich op een afstand van 4,2 lichtjaar bevindt, zal de sonde naar verwachting over ongeveer 21 jaar arriveren. Ter vergelijking: een normale ruimtesonde als Voyager 1, die zojuist het zonnestelsel heeft verlaten, zou er meer dan 70.000 jaar over doen om dezelfde afstand af te leggen.

Het succes ervan hangt vooral af van het succes van de onderzoekers die Breakthrough Starshot hebben ontwikkeld bij de ontwikkeling van ultralichte elektronica. Elke StarChip, zoals de sensoren worden genoemd, moet kleiner zijn dan een creditcard en processors, camera’s, voedingen en radiozenders bevatten die samen minder dan een gram wegen.

Church gelooft dat sensoren aanzienlijk lichter kunnen worden gemaakt met behulp van microben in plaats van elektronica.

Biologie overtreft technologie

Een laag gewicht biedt veel voordelen. Ten eerste hoeven de laserkanonnen die de tentakels afvuren niet zo krachtig te zijn, en kunnen zonnezeilen veel kleiner zijn. Dit maakt het lanceren van elke sonde veel goedkoper.

Voor één elektronensonde, die één gram weegt, is een zonnezeil van ongeveer tien vierkante meter nodig. Hetzelfde zeil zou een capsule kunnen lanceren die duizend miljard bacteriën bevat, en elke individuele cel is in wezen een sonde op zichzelf.

Volgens Church zouden we, door het aantal microben in elke capsule te verminderen en lichter te maken, een miljard extra sondes kunnen lanceren in dezelfde hoeveelheid als een enkele Breakthrough Starshot-missie – en veel meer exoplaneten kunnen bereiken.

Maar er is nog een cruciaal voordeel. Terwijl de StarChip-sondes slechts één moment krijgen om de exoplaneet te observeren terwijl deze voorbij raast, zal de biosonde juist kunnen vertragen en landen omdat hij zo licht is.

Het idee is om een ​​zonnezeil als paraplu te gebruiken en te profiteren van de tegendruk die ontstaat door het licht dat afkomstig is van de ster van de exoplaneet, Proxima Centauri. Op deze manier verliest de sonde voldoende snelheid om zachtjes op het planeetoppervlak te landen, om de microbiële inhoud niet te vernietigen.

“Een sonde die de aarde bereikt is veel waardevoller dan een sonde die in zeer korte tijd over een lange afstand vliegt”, vertelt Church aan het tijdschrift Science.

Zodra de microben op Proxima Centauri b landen, is hun eerste taak om te overleven in de buitenaardse omgeving en zich voort te planten.

Hier komt de rol van genetische manipulatie. Church gelooft dat het mogelijk is om microben te voorzien van genen die hen een goede kans geven om de lange reis in de ruimte te overleven en te gedijen onder de omstandigheden op de exoplaneet.

In het artikel geeft hij een aantal voorbeelden van bacteriën, schimmels en algen die voor de benodigde genen kunnen zorgen.

De speciaal ontwikkelde microben moeten bestand zijn tegen alles: van grote doses kosmische straling en extreme temperaturen tot extreem droge omgevingen.

Microben moeten ook kunnen omgaan met minder zonlicht en wellicht minder toegang tot de elementen die ten grondslag liggen aan het leven op aarde.

Om zich voort te planten hebben de meeste micro-organismen minstens tien verschillende elementen nodig, maar Church gelooft dat dit aantal kan worden verminderd door de microben te onderwerpen aan kunstmatige evolutie in het laboratorium, waar ze één voor één worden beroofd.

Lichtflitsen onthullen de ontdekkingen

Kortom, microscopisch kleine astronauten moeten op alles voorbereid zijn, omdat de omstandigheden op de exoplaneet onbekend zijn. Dit zijn precies de omstandigheden die ze moesten onderzoeken.

Daarom moet het sensoren bevatten in de vorm van receptoren die omgevingsfactoren zoals temperatuur, druk en pH registreren.

Ten slotte moeten microben uiteraard berichten over hun ontdekkingen kunnen sturen naar wetenschappers op aarde. Volgens Church is de eenvoudigste oplossing het gebruik van zogenaamde bioluminescentie, dat wil zeggen licht dat wordt gegenereerd door biochemische processen.

In zee creëren bijvoorbeeld grote groepen algen via bioluminescentie zogenoemde moiré.

Op dezelfde manier kunnen microben op de exoplaneet gezamenlijk optische signalen uitzenden die informatie bevatten over wat hun receptoren detecteren. Als twee soorten microben zijn uitgerust met verschillende receptoren, kunnen ze zo worden ontworpen dat ze op verschillende lichtfrequenties uitzenden.

In 2021 de regen Amerikaanse wetenschappers geloven dat het voor ons daadwerkelijk mogelijk zal zijn om licht van het oppervlak van een exoplaneet te detecteren.

De onderzoekers dachten dat Proxima Centauri evenveel kunstlicht uitstraalt als vanaf de aarde. De resultaten toonden aan dat als het licht in een smalle frequentieband zou worden gebundeld, de James Webb-telescoop het zou kunnen detecteren.

Dus Church gelooft dat we lichtsignalen van microben op de exoplaneet kunnen detecteren. Hierbij wordt uiteraard aangenomen dat het zich over grote gebieden heeft verspreid, maar het is mogelijk dat dit wel het geval is.

Als de omstandigheden ideaal zijn en de microben geen vijanden of concurrenten tegenkomen, zo berekent Church, kunnen ze zich zo snel voortplanten dat ze in 124 uur een enkele laag over een heel oppervlak vormen – minder dan een week.

Of het idee realistisch is of pure sciencefiction, zal binnenkort duidelijk worden. Church gelooft dat het technisch al mogelijk is om te beginnen met de eerste experimenten die in ons zonnestelsel kunnen worden uitgevoerd, bijvoorbeeld op een asteroïde.

“Het tijdsbestek voor testen op korte termijn bedraagt ​​wellicht slechts een paar jaar. Daarna zal het nog eens tien jaar duren voordat we microben naar de dichtstbijzijnde sterren kunnen sturen en ze naar huis kunnen laten bellen.”

Als de visie van George Church uitkomt, zullen we niet de eerste aardbewoners zijn die naar de sterren reizen. Die eer gaat naar micro-organismen, die genetisch veel beter zijn toegerust om het werk te doen.