今年3月，来自加州理工学院、JPL和华盛顿大学的一支生物工程师团队在格陵兰岛度过了一周。他们使用雪地摩托运送科学设备，等待暴风雪过去，并在冰面上连续工作数小时。现在，同一批研究人员正计划前往加利福尼亚州的莫哈韦沙漠，研究Searles湖。该湖是一处干燥、极咸的盆地，天然含有砷和硼等恶劣化学物质。研究人员正在测试一台全息显微镜，该设备由他们专门设计和制造，用于观察此类极端环境中繁衍的微生物。最终目标是什么？将这台显微镜送上航天器，在火星或土星的冰冷卫星土卫二等其他世界上搜寻生物特征，即生命迹象。
“我们宏大的总体假设是，运动性是一种良好的生物特征。”加州理工学院科学研究人员Jay Nadeau解释道，她是 全息显微镜项目的研究人员之一，该项目名为SHAMU（Submersible Holographic Astrobiology Microscope with Ultraresolution，超高分辨率潜水式全息天体生物学显微镜）。“我们怀疑，如果我们传回细菌游动的视频，那将比几乎任何其他证据都更能证明生命的存在。”
她说，不妨想想微生物学之父安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）。他在17世纪和18世纪使用简单的显微镜观察原生动物和细菌。“他根据它们的运动方式，立即判断出它们是有生命的东西，”Nadeau说。事实上，列文虎克在描述观察牙缝中牙菌斑样本时写道，他看到了“许多非常小的微小动物，它们移动得非常漂亮”。Nadeau补充道：“一旦大家亲眼看到它们在动，就没有人再怀疑列文虎克了。”
为了在另一个世界上捕捉到“移动”中的微生物图像，Nadeau与她的同事（包括 Mory Gharib，即加州理工学院Hans W. Liepmann航空与仿生工程讲席教授兼副教务长），提出了采用数字全息术而非传统显微术的设想。
全息术是一种记录样本反射光全部信息的方法，以便日后重建三维图像。与通常需要在薄样本（例如载玻片上的样本）上借助多个透镜聚焦的显微术相比，全息术的优势在于能够在相对较大的体积范围内聚焦，并获得高分辨率图像，而且无需依赖活动部件。如果该仪器被送入太空，这些活动部件可能会在极端环境中或发射、着陆过程中损坏。
普通摄影只记录光线经物体散射后到达相机镜头的强度（与其振幅相关）。但光作为一种波，既有振幅，也有相位。相位是另一种属性，可用于判断光在散射后传播了多远。全息术是同时记录这两者的技术，这使得重建样本的三维图像成为可能。
要理解这项技术，首先设想将一颗石子投入池塘，并观察从该点扩散开的涟漪。再设想在新的位置投入第二颗石子，产生第二组涟漪。如果涟漪与水面上的物体（如一块岩石）发生相互作用，涟漪就会被该物体衍射或散射，从而改变波的图样，这种效应是可以被探测到的。全息术类似于同时在池塘中投入两颗石子，这两颗石子就是两束激光：一束是参考光束，未受样本影响；另一束是物光束，射入样本并被衍射或散射。探测器测量两束光涟漪的组合，即叠加，这被称为干涉图样。通过了解波的传播方式并分析干涉图样，计算机便能够重建物光束在穿过样本时所遇到的情况
“我们可以利用一幅干涉图样，重建某一体积内不同平面中的所有图像，”Chris Lindensmith解释道。他是JPL的系统工程师，也是该项目的研究人员之一。“因此，我们事后可以直接重建任何感兴趣的平面，查看其中是否有东西。”
这意味着，一张图像即可捕捉样本中的全部微生物，无论其数量是一个细菌还是上千个。通过连续拍摄一系列此类图像，研究人员便可以重建每个细菌在样本中游动的路径。
Lindensmith表示，这在传统显微术中几乎不可能实现。使用显微术时，需要实时对焦，也就是说，有人必须转动旋钮，使样本靠近或远离显微镜镜头，以保持某一特定微生物处于焦点之中。在此期间，由于焦点范围非常小，他们会错过样本中其他微生物的运动。
全息显微镜相对于显微术的所有优势，使其在太阳系其他地方的研究中颇具吸引力。科学家们还渴望近距离详细研究许多世界，以搜寻生命迹象。2008年，科学家利用凤凰号火星着陆器的数据确定，火星北部平原地表以下不深处存在水冰，使该地区成为后续取样研究的候选地点。此外，木星的卫星木卫二和土星的卫星土卫二都被认为在冰冻表面之下蕴藏着液态海洋。因此，SHAMU团队表示，加州理工学院团队正在开发的这种紧凑、坚固的显微镜，可能是着陆器前往上述任一地点时仪器组合中极为理想的组成部分。
Nadeau表示，该团队的原型机在格陵兰岛的野外测试中表现良好。在每个测试地点，研究人员在海冰上钻了一个孔，将显微镜沉入某一深度，使冰内被困的部分含盐液态水（称为卤水）能够渗入设备的样本区，然后采集全息图像。“我们知道生物生活在水中，也知道它们的生活方式和游动方式，”Nadeau说。“但信不信由你，没有人知道海冰卤水中生活着哪些微生物，也不知道它们能否游动。”
这是因为，用于计数、标记和观察微生物的典型技术依赖脆弱的仪器，且通常需要大量电力，因而无法在北极等极端环境中使用。因此，“在我们这样做之前，从未有人在采集后立即研究过海冰生物，”作为该项目成员参加格陵兰之行的加州理工学院专职科学家Stephanie Rider说。此前，其他团队采集样本后将其带回实验室，样本有时会在冷冻箱中保存数周。“等有人研究这些样本时，它们经历了多少次升温和降温，谁知道呢？”Rider说。“到那时，样本可能已经完全不同了。”
在格陵兰之行期间，SHAMU团队成功采集了一些图像，这些图像已被用于制作海冰卤水中细菌和藻类的视频。他们还将样本带回格陵兰努克的一个实验室，将其升温过夜，并加入细菌生长培养基。这与过去研究海冰微生物所采用的标准条件相同。研究人员发现，在这些条件下，“一切都开始疯狂地窜动”，Nadeau说。这表明，为了保证观察结果准确，观察确实需要在冰上原地进行，而不能带回实验室。
团队对格陵兰测量的成功对火星可能意味着什么尤为兴奋。“从中我们知道，当把样本直接从冰中取出时，我们能够判断其中的东西是活的，”Nadeau说。“如果我们能在地球的冰中发现生命，那么火星冰层的孔隙中也可能存在生命。也许寻找生物并不一定需要大片的液态海洋；生命完全有可能仅存在于冰层孔隙之中。”
为期三年的SHAMU项目于2014年1月启动，资金来自戈登和贝蒂·摩尔基金会。未来几个月，工程师们希望改进显微镜的样本舱，并缩小整个设备的尺寸。他们相信，到资助期结束时，将拥有可以发射的仪器。
作为太空中的首次测试，他们希望将该仪器送往国际空间站，不仅要观察它在太空中的表现，还要在零重力条件下观察微生物样本。除此之外，他们希望将SHAMU搭载于火星着陆器上，作为NASA Discovery任务的一部分，该任务旨在搜寻火星冰冻北部平原中的生物特征。加州理工学院团队正与Honeybee Robotics合作，该公司已为众多NASA任务（包括凤凰号火星着陆器）制造了钻探和取样系统。双方计划将全息显微镜集成到一台钻机上，该钻机将向火星地下冰层钻进三英尺。
除Nadeau、Gharib和Lindensmith外，华盛顿大学海洋学院的Jody Deming也是SHAMU项目的研究人员之一。
本文与 加州理工学院合作发布。发布并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Kimm Fesenmaier为加州理工学院撰稿。
图片：火星图像，显示了子午台地（Terra Meridiani），为NASA一张未注明日期的图片。路透社/NASA/Greg Shirah/Handout
