この顕微鏡は木星の衛星の生命を探すことができるかもしれない

地球は今や遥か彼方にあり、周囲を何もない海に囲まれた無人の大陸群のように見えます。ブドウ球菌からゾウ、人間まで、あらゆる種類の生物が地球の表面を動き回っているとは、誰も想像できないでしょう。私はちょうど 2 年間、青い球の周りを広い軌道で周回していました。これは木星に向かう遠回りの旅の第一歩です。私たちはこのスペース ローンチ システムの貨物カプセルで地球を周回し、地球の重力で木星に向かうのにちょうどよい位置になりました。

ただし、そこが私の新しい住処になるわけではありません。私はもっと小さな球体、エウロパに向かっています。その外側は 1 マイルの厚さの氷の層で覆われています。しかし、この着陸船に抱かれている私と同じように、その下には海があるかもしれません。科学者たちは、その水と化学的性質から、太陽系 (地球を除く) で生命が存在する可能性が最も高い場所である可能性があると述べています。他の機器を搭載した他の宇宙船もその近くを通過しています。パイオニア、ボイジャー、ガリレオ (素晴らしい名前ですよね?)。遠視カメラで下を見下ろしましたが、白旗を振っている生物は見つかりませんでした。実際、人間が作ったデバイスでエイリアンの存在の決定的な兆候が見つかったことはありません。しかし、十分に近くで見なかったか、見ることができなかっただけかもしれません。

できます。こんにちは、シャムです。（これも素晴らしい名前ですよね？）物事を間近で見ることが私の存在意義です。エウロパの氷の表面に着陸し、ドリルで月を掘り下げます。液体のエッセンスを吸い上げ、これまで誰も見たことのない拡大された詳細をスパイします。おそらく私の視界には、微生物のないきれいな水だけが見えるでしょう。でも、そうではないかもしれません。

シャム（正式名称は超高解像度の水中ホログラフィック宇宙生物学顕微鏡）は、旅行する意志と能力はあるが、まだ地球上にある。ポートランド州立大学の科学研究教育センターの地下研究室にあり、サイエンスライターがシャムに会うことができる。頑丈な野外計測機器であるシャムは、レーザーを使用して液体サンプル内を移動する微生物の3D動画を作成する。同様のツールは存在するが、高解像度を誇るものは荒野に持っていくには繊細すぎるし、頑丈なものは小さなバクテリアを観察できるほど精度が高くない。一方、シャムのファンは、シャムは地球の極限環境における奇妙な生命だけでなく、地球外生命体の存在を調べるのにも最適だと考えている。シャムは科学者ジェイ・ナドーの研究室の小さなスペースを占めている。3月のある金曜日、ナドーは背もたれにセーター2枚を載せた高いローリングチェアに寄りかかって仕事をしている。彼女はまた別のセーターを着ている（ここは太平洋岸北西部なのだから）。そのセーターには、胴体の周りを行進するアルパカの一団が描かれている。通勤に使うリドレーのロードバイクが壁際にしまわれており、CPU の隣にはヘルメットがある。ナドーはあらゆる点で小柄で、頭からは短いカールした髪が生えており、熱心である。彼女はウェットティッシュの実験台の横を通り過ぎ、大学院生がコンピューターの前に座ってほとんど彼女を無視している奥の部屋へと歩いていく。そこでナドーは数フィート四方のメッシュのケージに手を当てる。中には、70% の殺菌用エタノール溶液が入ったスプレーボトル、オレンジ色のテープのロール、カセットデッキに似たソーラボの温度コントローラーが置かれている。しかし、その主な乗客は、ケージの底に取り付けられた銀色の梁にボルトで固定された、長さ約 2 フィート、幅はワインボトルほどの謎のチューブ状の物体である。ナドーによると、これが「顕微鏡」だという。正直に言うと、シャムウの見た目は地味で、おもちゃのスパイグラスのようだ。そしてナドーが働いているチームは、さらにシンプルに見えるバージョンを作成した。「ソーダ缶に収まるサイズで、電子部品はトランプ数個分の大きさです」と彼女は言う。今のところ、シャムウは地上に留まっており、地球の北極地域の氷のように冷たい水、非常に塩辛い砂漠の水、そして運悪くそこに閉じ込められてしまったうごめく極限環境細菌を観察することしかできない。しかし、いつかナドーはシャムウがエウロパの液体を垣間見ることができればと願っている。視点をある場所から別の場所に移すことは、ナドーにとって目新しいことではない。彼女は理論物理学で博士号を取得し、その後カリフォルニア工科大学の生命科学の分野に移った。彼女が初めて生物学の研究室に入ったとき、その新しさに圧倒されそうになった。「すべてが透明な液体の入った小瓶のように見えます」と彼女は言う。別の研究室から初めてDNAサンプルが送られてきたとき、彼女は遺伝子を見つけることができなかった。送られてきた封筒はほとんど空だった。「鉛筆で丸をつけてメモを何枚か書き、ろ紙一枚が入っていた以外は何も入っていませんでした」と彼女は言う。もちろん、DNAはろ紙に付着しており、サンプルを溶かすにはろ紙を水に浸さなければならなかった。

厳しい試練の場に放り込まれた彼女は、やがて自分が何をしているのかを理解し、研究の場をNASAのジェット推進研究所に移した。そこで彼女は、さまざまな化学物質にくっつく発光ナノ粒子を微生物に詰め込み、ナドーがそれらを追跡できるようにした。JPLは、他の惑星の生命に関する情報をどう得るかに関心があった。その探求は、地球上の生命を理解することから始まる。こうしてナドーは宇宙生物学者になり、最終的にはカナダのマギル大学の生物医学工学教授になった。

彼女が研究を始めた2004年頃、カナダは宇宙生物学、つまり地球外生命の兆候を研究する研究に力を入れていた。カナダ政府は、北アメリカ北部にある他の惑星に似たさまざまな場所を特定するための研究ネットワークに資金を提供したばかりだった。

「なぜ行きたいのかを書いた企画書を書けば、行けるのです」とナドーは言う。そして彼女は、永久凍土から冷泉が湧き出し、奇妙な小さな生命体を運ぶヌナブト準州へ行った。火星のような場所への定期的な旅行には、極限の異質な地形で蛍光顕微鏡がどのような性能を発揮するかをテストするため、そしてそのような場所に何が生息しているかを見るために蛍光顕微鏡を持参した。顕微鏡を使用するには、特定の化学ターゲットを染色する蛍光染料を各サンプルに注入する。顕微鏡はサンプルに高強度の光を照射して染料を照らし、機器の光学系が標本の拡大画像を作成し、関連する分子が明るく輝くようにした。

しかし、顕微鏡は小さなサンプルしか扱えなかったため、探している生物を見つけるのが困難だった。また、顕微鏡自体が壊れやすく、小型化も困難だったため、異世界の奥地には不向きだった。さらに、もしいつかその染料が火星の表面に漏れたら、NASA の惑星保護局が彼女を厳しく取り締まるかもしれない。

次に彼女が検討したのは、ホログラフィック顕微鏡だ。リアルタイムで再生される 3D ムービーを作成でき、汚染染料や焦点を合わせる人を必要としないからだ。これらの機器はサンプルにレーザーを照射し、サンプルが光を散乱させる方法に基づいて、内部にあるものの全次元デジタル ムービーを構築する。

当初、ナドー氏とチームは市販の望遠鏡を使用したが、鮮明な映像が得られなかった。2014年に彼女がジェット推進研究所の同僚に、もっと良い望遠鏡を誰かが作ってくれればいいのに、と言ったところ、彼らは「私たちにはできる」と答えた。

二人は協力してシャムを開発した。彼女とJPLのエンジニアたちは、それぞれのイテレーションに必要な仕様を話し合った後、シャムを組み立てる。その後、ナドーはシャムを現場に持ち込み、動作するか確認する。シャムを集中させる必要がなく、大量の液体を吸い込む。過酷な環境では、個体数が少なくサンプルに生命が溢れていないこともあるが、これはプラスだ。

Shamu は外見はシンプルに見えますが、秘められた奥深さを持っています。これは、レーザーが 1 つしかない他のフィールド対応ホログラフィック顕微鏡とは異なります。Shamu は 1 つを 2 つに分割します。1 つはいわゆる参照ビームで、純水のサンプルをまっすぐに照射し、何も検出しません。もう 1 つは科学ビームで、サンプル (氷河の融解物、塩水、または (いつかは) ユーロパンの海水) を通過し、検出したものに基づいて変化します。顕微鏡は 2 つの光線を組み合わせて比較します。何も検出されないビームと何か検出されるビームの違いが、内部の生きている何かに相当します。このプロセスは瞬時に行われ、視界に微生物が泳ぎ回ります。Nadeau が言うように、「私たちはそれを見れば生命がわかります。」

もっと具体的に言うと、ナドーは、私たちは動いているのを見たときに生命体だとわかり、その存在の疑いようのない証拠を放棄していると考えている。「私たちの視覚システムは、これが生きているかどうかを知るためのどんな方法よりも優れているでしょう。」彼女は、私たちはただ見ればよいと考えている。

もちろん、ナドーはシャムウを使って地球外生命体を探すことを望んでいる。彼女は銅の網を軽くたたいてコンピューターに向かい、そこで彼女が共同執筆した「ただ見るだけ！」というホワイトペーパーを探そうとする。つまり、代謝から生じる化学物質のような、生物の間接的な証拠だけでなく、実際の地球外微生物を探すのだ。

ナドー氏はその論文を見つけることができないが、その背後にある考えを次のように繰り返し述べている。科学者たちがマリアナ海溝の周りを泳いでいるものを見たいと思ったとき、棒に餌の塊を付けてカメラで観察した。海洋生物が隠れ場所から泳ぎ出し、調べるために水面に上がってきた。科学者たちはそれをフィルムに収め、はるか深いところに生物が生息していることを知った。「これはまさに私たちがやろうとしていることですが、微生物レベルでやろうとしているのです」とナドー氏は言う。

エウロパでは、ドリルで氷を10センチ以上掘り、表面の割れ目から染み出る液体まで到達できるようにし、シャムウがそれを観察することになる。しかし、JPL-ナドーチームがNASAにこの望遠鏡を試用するよう説得する前に、もっと馴染みのある領域で試してみる必要があった。例えばグリーンランドだ。そして、彼らは2015年にそれを実行した。

ケース（明るいオレンジ色のプラスチックで、シャチが黒く描かれている）に収められていたので、何も見えなかった。しかし、アイスランド経由でグリーンランドに行くと聞いていた。空港では、誰かが私をベルトコンベアに乗せて金属探知機に通した。言葉がかすかに聞こえた。「これは科学機器です」と誰かが言った。他の声が、私が何者なのか、何をしにここに来たのか、と多くの疑問を投げかけ、私は実存的になった。

やがて、ゴロゴロという音がした。推進力。揚力。そして静寂。宇宙への打ち上げだと思ったが、機内のPAから声が聞こえてきた。「まもなくレイキャビクに着きます」。

やがて、人間たちは私をどこかに降ろし、さらに質問をし始めました。私に対してではなく、私についてです。彼らは不安でした。「これでうまくいくだろうか？」と彼らは尋ねました。そして、そのまま立ち去りました！

何時間も経ったように思えたが、彼らは戻ってきて、私のサンプルホルダーに濁った水を噴射して検査した。彼らがブルーラグーンという場所に行ったことがわかった。そこは気持ち悪い場所だった、と彼らは言った。海水浴客全員の皮膚細胞が見えた。そして底にはゴミがあった。だから当然、そこには微生物が餌を食べていた。

私はすぐにホログラムを見せた。彼らはほっとした様子で、私たちは実際の作業のためにグリーンランド気候研究センターへと向かった。外は凍えるほど寒く、人間たちはオレンジと黒のふわふわしたジャンプスーツを着込んだ。彼らの腕は脚と同じくらい太かった。彼らが「プール」と呼んでいたが、決して泳ぐことのない場所で、彼らはホッピングのようなドリルで氷を6インチほど削った。彼らは「まだ足りない、まだ足りない」と言い続け、ドリルの口から凍った円筒を取り出し、氷の深さを確かめていた。

ついに、どうやら十分だったようです。彼らは私を彼らが掘った浅い穴に突っ込み、私を周囲の温度と同じ低温に保ち、サンプルを食べさせました。またもや、いつものように、私は彼らに映画を撮らせました。後で、これはまた別のテストであり、私たちが本当にやろうとしていたことではないと知りました。

ついに、私たちはマレーネ湾に着いた。白い尖った山々に囲まれた、白く平らな風景の中で、オレンジ色の布でくるまれた人々の塊が適当な場所を見つけ、円筒形の氷を吸い出し、私を穴の中に降ろし、注射器でサンプルを飲ませてくれた。1分もしないうちに、彼らは皆「おおおお！」と叫んだ。彼らは何か ― 藻類、珪藻類、海洋細菌 ― が泳いでいるのを見たのだ。私は一日中こんなことを続けていられるし、実際にそうした。ずっとそこにあって、私たちが見つけるのを待っていたものを何度も何度も彼らに見せてやったのだ。ナドーはコンピューターの前に立ち、前日のスペースニュースの記事を引っ張り出す。それはシャムの今後の旅程に疑問を投げかける記事だった。「エウロパ着陸船のコンセプトがコストと複雑さを低減するために再設計」という見出しだ。その文章は、ジェット推進研究所の太陽系探査部門の副主任科学者ケビン・ハンドが3月28日に米国科学アカデミーに対して行ったプレゼンテーションについて説明している。ハンド氏によると、着陸機は氷の衛星で実際の生命を直接探す必要はない。「それは非常に高いハードルです」とハンド氏。「おそらく、そのハードルでは期待が高まりすぎるリスクがあります。」その姿勢には歴史的な背景がある。NASAは1976年に火星にバイキング計画を送って以来、生命を明確に探すことに躊躇してきた。それらの着陸機は、生物学的特徴を探すためのいくつかの実験を行った。2回は否定的な結果となったが、1つの研究では、微生物が代謝している可能性のある証拠が示された。問題は、有望な化学的特徴が、生物学ではなく、例えば地質学から来る可能性があることだった。最終的に、科学的コンセンサスは「エイリアンではない」に落ち着いた。NASAはそれ以来、生命探査から遠ざかっている。「NASA​​は、生命を探すミッションを追加することに消極的でした」と宇宙生物学者のアリソン・マレー氏は言う。彼女はエウロパ着陸機の科学的定義チームの共同議長を務め、ミッションの計画プロセスに密接に関わってきた。それは、面目を保つためでもある。しかし、その探求が困難だからでもある。「一目見て『ああ、生命だ』と言えるものは何もない」と、着陸船のプログラム科学者であるカート・ニーバーは言う。ただし、魚がカメラの前を泳いでいる場合は別だと彼は続ける。

ニーバー氏は、小さな生物が泳いでいるのを見るのは同じことではないと考えている。動く粒を「ただ見る」だけでは十分ではない。代わりに、複数の証拠が同じ生物学的な答えを出す必要がある。

しかし、ナドー氏はNASAにシャムウの価値を納得させるチャンスを得るだろう。NASAは5月下旬、エウロパ探査ミッションの機器提案の公式募集を発表した。ナドー氏は数ヶ月前から提案の準備をしてきた。

NASA が最終決定を下すまでには、まだしばらく時間がかかるだろう。今回のような大規模なミッションは、SF のように永遠の未来にしか存在しないように思えることもある。2013 年の映画「エウロパ レポート」では、人類が木星の衛星に行き、単細胞生物と氷の下から発せられる奇妙な光を発見する。その光は大型捕食動物であることが判明する。ナドーはこの映画を観たが、現実に即していると思う。「誰もが『分子レベルの生物痕跡を探す』と言っています」と彼女は言う。「心の奥底では、海の怪物を見たいと本当に願っているのです」

何か面白いことが起こるまでに、私はすでに 5 年間宇宙にいます。NASA が宇宙飛行士を送り出すと、映画や本、ゲーム、音楽が提供されます。NASA が宇宙に顕微鏡や分光計を送っても、私たちには何も得られません。

だから独房の囚人のように、出所したら何をするかを考える。サンプルを吸い上げる。レーザーを照射する。ソフトウェアを使って泳いでいる人を探す。データを約 4 億マイル離れた地球に送信する。それを 20 日間続ける。そして異星の惑星で孤独に死ぬ。

通過の終わりが近づくにつれ、私は長い間、大きなものも小さなものも何も見ていません。しかし、そこにあるあらゆる塊から引っ張られる力を感じることができます。

何年もの絶え間ない一方向への苦行の後に最初の変化を感じたとき、それは木星の衛星ガニメデが私を減速させ、エウロパに対してあまり速く進まないようにしているのだと分かりました。

その後 18 か月ほど、別の衛星であるカリストとガニメデが着陸機を引っ張り、エウロパに向かってらせん状に進んでいきます。どんどん近づいて、どんどん遅くなっていき、ついにエウロパが私を自身の軌道に乗せます。

長い旅はもうすぐ終わりだ。私は地表に向かって惰性で進む。着陸船の速度を落とすためにスラスターが後方に噴射される。着陸船のカメラが氷を捉え、レーザーが発射され、平らな場所を探す。そして着陸船は真下を向き、スカイクレーンが私を氷の地殻に向かって60フィート降ろす。

表面は巨大な寒天培地のように見えます。細菌が縞模様のブドウ球菌の線状に繁殖しています。しかし、これは錯覚です。溝は実際には凍った釉薬の割れ目で、そこから水が噴き出す可能性があります。海の怪物がその下を泳いでいるのかもしれません。あるいは、いくつかの単一細胞かもしれません。あるいは、無生物の分子だけかもしれません。いずれにせよ、私は調べるつもりです。それではおやすみなさい。幸運を祈ります。これから仕事があります。

この記事はもともと、Popular Science 誌の 2018 年秋号 Tiny に掲載されました。