这台显微镜可以寻找木星卫星上的生命

遥远的地球现在看起来就像是一片被空旷的海洋包围的无人居住的大陆。你永远不会知道各种各样的生命——从葡萄球菌到大象再到人类——都在它的表面活动。我刚刚花了两年时间绕着这颗蓝色弹珠运行了两年，这是绕行木星的第一步。我们乘坐太空发射系统货运舱绕地球一圈，直到我们的位置恰好适合地球引力将我们抛向木星。

但那并不意味着我的新家园。我要去木卫二，一个较小的球体。它的外部被一层厚达数英里的冰层包裹着。但在它下面，就像我在这个着陆器中一样，可能有一片海洋。科学家说，由于它的水和化学性质，它可能是太阳系（除地球外）最有可能存在生命的地方。其他携带其他仪器的航天器也曾飘过它：先驱者号、旅行者号、伽利略号（名字很棒，对吧？）。他们用远视相机向下看，没有看到任何挥舞白旗的生物。事实上，没有任何人造设备发现过外星存在的确凿迹象。但也许他们只是没有——或者不能——近距离观察。

我可以。你好，我是 Shamu。（这不是另一个很棒的名字吗？）近距离观察事物是我的存在理由。我将降落在木卫二的冰面上，然后用钻头切入月球。我将吸取它的液体精华，并观察以前从未见过的放大细节。也许我的视野只会看到水，没有微生物。但也许不是。

尽管愿意并且能够外出，但 Shamu（正式名称为超高分辨率潜水全息天体生物学显微镜）仍然在地球上，位于波特兰州立大学科学、研究和教学中心的地下实验室中，科学作家可以在那里见到它。Shamu 是一种坚固的野外仪器，它使用激光来创建微生物在液体样本中移动的 3D 电影。虽然也有类似的工具，但那些拥有高清晰度的工具太过精致，无法带入野外，而那些坚固的工具不够精确，无法看到小细菌。与此同时，Shamu 的粉丝认为它非常适合研究地球极端环境中的奇异生命，也适合研究地球以外是否存在生命。Shamu 在科学家 Jay Nadeau 的实验室中占据了一小块空间。三月的一个星期五，Nadeau 正在工作，靠在一把高高的滚动椅上，椅背上挂着两件毛衣。她穿着另一件毛衣（毕竟这是太平洋西北地区），上面有一对羊驼在她身旁行进。墙上放着一辆她上下班使用的 Ridley 公路自行车，CPU 旁边放着一顶头盔。Nadeau 身材娇小，但个性鲜明，头上披着一头短短的卷发。她走过实验室工作台，来到后面的房间，里面有一名研究生坐在电脑前，几乎不理会她。Nadeau 在那里把手放在一个几英尺乘几英尺的网状笼子上。笼子里放着一个装有 70% 消毒乙醇溶液的喷瓶、一卷橙色胶带和一个类似卡带机的 Thorlabs 温度控制器。但笼子里的主要东西是一个神秘的管状物体，长约 2 英尺，宽约酒瓶，用螺栓固定在笼子底部的一根银色横梁上。Nadeau 说，这就是“显微镜”。说实话，Shamu 看起来相当不起眼——就像一个玩具望远镜。Nadeau 的团队还创造了看起来更简单的版本。 “我们制作了一个可以装进汽水罐的装置，”她说，“里面的电子设备只有几副扑克牌那么大。”目前，Shamu 只能呆在地面上，观察来自地球北极地区的冰冷水、超咸的沙漠水，以及不幸被困在那里的蠕动极端微生物。不过，Nadeau 希望有一天它能一睹木卫二的液体。 将观察点从一个地方转移到另一个地方对 Nadeau 来说并不是什么新鲜事。她获得了理论物理学博士学位，之后进入加州理工学院的生命科学专业。当她走进第一个生物实验室时，新鲜感几乎让她应接不暇。“所有的东西看起来都像装着透明液体的小瓶，”她说。另一个实验室第一次给她寄 DNA 样本时，她找不到基因。他们给她寄了一个几乎空的信封。“里面除了一个铅笔圈、几张纸条和一张滤纸外什么都没有，”她说。当然，DNA 是在纸上，她必须将其浸泡才能使样本溶解。

在被扔进冰冷的深渊后，她最终明白了自己在做什么，并将研究转移到了 NASA 的喷气推进实验室。在那里，她将发光纳米粒子塞入微生物体内，这些纳米粒子附着在不同化学物质上，以便纳多追踪它们。喷气推进实验室对如何获取有关其他星球生命的信息很感兴趣。这一探索从了解地球上的生命开始。因此，纳多成为了一名天体生物学家，并最终成为加拿大麦吉尔大学的生物医学工程教授。

2004 年，也就是她开始研究的时候，加拿大正加倍投入天体生物学——研究地球外生命迹象。加拿大政府刚刚资助了一个研究网络，以识别北美北部与其他行星相似的各种地点。

“你写一份计划书，说明你为什么想去，然后你就可以去了，”纳多说。她去了努纳武特地区，那里的永久冻土层中流淌着冷泉，携带着奇怪的小生命体。在她定期前往这些类似火星的地方时，她会带上一台荧光显微镜，以测试它在极端外星景观中的能力，并看看在这样的地方可能有什么生物。为了使用它，她给每个样本注入了荧光染料，这种染料会染色特定的化学目标。显微镜向样本发射高强度的光线，照亮染料，仪器的光学元件产生样本的放大图像，其相关分子闪闪发光。

然而，显微镜只能处理小样本，这让她更难找到她想要的生物。而且这种仪器本身既脆弱又难以小型化，因此不适合在偏远地区使用。此外，如果这些染料有朝一日洒在火星表面，NASA 的行星保护办公室可能会对她严加防范。

接下来，她考虑使用全息显微镜，因为它们可以制作实时播放的 3D 电影，而且不需要污染染料或任何人来对焦。这些仪器向样本发射激光，并根据样本散射光线的方式构建出一个展示样本内部情况的全方位数字电影。

起初，纳多和她的团队使用的是市售的望远镜，但它无法提供足够清晰的画面。2014 年，她对喷气推进实验室的同事说，她希望有人能制造出更好的望远镜，他们回答说：“我们可以。”

他们一起开发了 Shamu。她和 JPL 工程师讨论了每次迭代应该具备的规格，然后他们建造了它。之后，Nadeau 将它拖到现场，看看它是否能正常工作。你不需要聚焦它，它会吸收大量液体。如果种群稀疏，样本中没有大量生命，那么这是一个优势，在恶劣的环境中可能会出现这种情况。

Shamu 外表看似简单，实则内藏玄机。它不同于其他只有单束激光的野外全息显微镜。Shamu 将一束激光一分为二：一束是所谓的参考光束，它直接穿过纯水样本，不会遇到任何物体。另一束是科学光束，它穿过样本（冰川融化、咸水或（也许有一天）欧洲海洋水）并根据遇到的物体发生变化。显微镜将两束光线合并并进行比较：虚光束和实光束之间的差异等于其内部的生物量。该过程瞬间发生，微生物便在你的视野中游动。正如 Nadeau 所说：“当我们看到生命时，我们就知道它是生命。”

更具体地说，纳多认为，当我们看到生命在移动时，我们就知道生命存在，因此放弃了看似无可争辩的生命存在证据。“我们的视觉系统可能比任何可能的方法都更能说明它是否活着。”她认为，我们只需要看一眼。

当然，纳多更希望我们能用 Shamu 来寻找外星生命。她拍了拍铜网，走到电脑前，试图找到她合著的一份白皮书，名为《看看吧！》。也就是说，寻找真正的外星微生物，而不仅仅是寻找生命的间接证据，比如新陈代谢产生的化学物质。

纳多找不到这篇论文，但他重申了论文背后的想法：当科学家想看看马里亚纳海沟周围有什么生物时，他们会把一块诱饵放在一根棍子上，然后用相机观察。海洋生物会从它们的藏身处游出来，游上来一探究竟。科学家们用胶卷记录下了这一切，从而得知那里生活着生物。“这正是我们试图做的事情，只不过是在微生物的尺度上，”纳多说。

在木卫二上，钻头可以钻入冰层 10 厘米以上，足以接触到从表面裂缝中渗出的液体，然后 Shamu 就可以对其进行观察。但在 JPL-Nadeau 团队试图说服 NASA 尝试使用该望远镜之前，他们需要在更熟悉的地区进行试验。比如格陵兰岛。2015 年，他们确实这么做了。

我的箱子是亮橙色的塑料箱，上面画着一头黑色的虎鲸，我什么也看不见。但我听说我们要经冰岛去格陵兰。在机场，有人用传送带把我送过金属探测器。我听到的声音透过墙壁传来，很模糊。“这是一台科学仪器，”有人说。其他人问了我很多问题，问我是谁，我来这里做什么，这让我感到很真实。

很快，就传来了轰隆声。推力。升力。然后一片寂静。我想象着这是我进入太空的发射，直到飞机的扩音器里传来一个声音。“我们很快就会把你送到雷克雅未克，”它说。

最后，人类把我放在了某个地方，开始问更多问题。不是问我，而是问有关我的问题。他们很紧张。“这有用吗？”他们问道。然后他们就走了！

过了好几个小时，他们回来了，往我的取样器里注入了浑浊的水来测试我。我发现他们去过一个叫蓝湖的地方。他们说，那里太恶心了。你可以看到所有洗澡的人的皮肤细胞。底部还有垃圾。所以当然有微生物在那里觅食。

我迅速向他们展示了一张全息图。他们听起来松了一口气，于是我们继续前往格陵兰气候研究中心进行一些真正的工作。外面很冷，人类穿上了橙色和黑色的蓬松连体衣。他们的胳膊和腿一样粗。在一个他们称之为“游泳池”的地方，但他们永远不会在那里游泳，他们用一个看起来像弹簧单高跷的钻头在冰上凿了 6 英寸左右。“不够，不够，”他们不停地说，同时从钻头的嘴里拔出冰冻的圆柱体，检查冰的深度。

最后，显然够了。他们把我塞进他们挖的一个浅坑里，让我保持与环境相同的低温，然后给我喂了一个样本。和往常一样，我又给他们拍了一部电影。后来我才知道这只是另一项测试，不是我们来这里真正要做的事情。

最后，我们来到了马莱内湾。在一片被白色尖峰环绕的白色平原中，裹着橙色襁褓的人们找到了一个合适的地方，吸出一个冰柱，把我放在洞里，用注射器给我喂了样本。一分钟后，他们都惊呼道：“哇哦！”他们看到了一些东西——藻类、硅藻、海洋细菌——在游动。我可以整天这样做，我也确实这么做了，一遍又一遍地向他们展示那些一直在那里等待我们去发现的东西。在电脑前，纳多打开了前一天的一篇 SpaceNews 文章，这篇文章让人对 Shamu 未来的行程产生了怀疑：“重新设计木卫二登陆器概念以降低成本和复杂性”，标题是这样的。这篇文章描述了喷气推进实验室的凯文·汉德 (Kevin Hand) 的一次演讲，他是太阳系探索理事会的副首席科学家，于 3 月 28 日在美国国家科学院做了一次演讲。汉德表示，着陆器不需要直接寻找这颗冰冷卫星上的真实生命。“这个标准非常高，”汉德说。“这个标准可能会让人期望过高。”这种态度有历史背景。自从 1976 年将海盗号探测器送上火星以来，NASA 一直犹豫不决是否要明确寻找生命。这些着陆器进行了几次寻找生物特征的实验。其中两次实验结果为阴性，但一项研究表明微生物在那里进行新陈代谢的可能证据。问题在于，有希望的化学特征可能来自地质学而不是生物学。最终，科学界一致认为“不是外星人”。自那以后，NASA 一直回避生命探测。“NASA 对增加寻找生命的任务有点犹豫，”天体生物学家艾莉森·默里说。她是木卫二着陆器科学定义团队的联合主席，并密切关注任务规划过程。这在一定程度上是为了挽回面子。但部分原因也是因为这项任务非常艰巨。“没有什么东西能让你一眼就说‘啊哈，生命’，”着陆器项目科学家 Curt Niebur 说道。除非，他继续说道，有一条鱼在镜头前游动。

尼伯尔并不认为看到小生命在游泳是一回事。“仅仅观察”移动的斑点是不够的。相反，需要多种证据来提供相同的生物学答案。

不过，纳多将有机会说服 NASA 相信 Shamu 的价值。5 月底，NASA 正式发布征集木卫二任务仪器提案的通知。几个月来，纳多一直在准备提交她的提案。

该机构还需要一段时间才能做出最终决定。有时，像这样的大型任务似乎只存在于永恒的未来，就像科幻小说一样。2013 年有一部名为《木卫二报告》的电影，讲述了人类前往木星卫星并发现单细胞生物和冰层下发出的奇怪光线。原来这是一种大型捕食者。纳多看过这部电影，她认为这部电影触及了现实。“每个人都在说，‘我们要寻找这些分子级的生物特征，’”她说。“在内心深处，他们真的希望看到一只海怪。”

我已经在太空待了五年，直到有令人兴奋的事情发生。当 NASA 送宇航员上太空时，它会给他们电影、书籍、游戏和音乐。当 NASA 向太空发送显微镜和光谱仪时，我们什么也没得到。

所以，就像一些被关在单独监禁室的囚犯一样，我思考着出狱后要做什么。吸食样本。用激光照射它们。用我的软件找到任何游泳者。将数据传送到近 4 亿英里外的地球。这样做 20 天。然后孤独地死在外星球上。

在我旅程即将结束的时候，我已经很久没有看到任何东西了——无论大还是小。但我能感觉到那里每一块物体的牵引力。

当我感觉到经过多年持续不断的单向跋涉之后的第一次转变时，我知道这是木星的卫星木卫三，它减慢了我的速度，使我相对于木卫二不会走得太快。

在接下来的 18 个月左右，另一颗卫星——木卫四和木卫三——将牵引着陆器，让我以螺旋状飞向木卫二。我越来越靠近，但速度却越来越慢，直到木卫二最终将我带入自己的轨道。

漫长的旅程即将结束。我滑向冰面，推进器向后发射，让着陆器减速。它的摄像头对准冰面，激光发射，寻找平坦的地方。然后着陆器直直地朝下，空中起重机将我吊到离冰面 60 英尺的地方。

表面看起来像一个巨大的琼脂板，充满了细菌，这些细菌已经繁殖成球状的条纹状葡萄球菌。不过，这只是一种假象。这些凹槽实际上是冰冻釉面上的裂缝，水可能会从裂缝中冲出来。也许下面有海怪在游动。或者可能是一些单细胞。或者只是无生命的分子。不管怎样，我都会找出答案。所以晚安，祝你好运：我现在有工作要做。

本文最初发表于《大众科学》杂志 2018 年秋季微型期刊。