هندسة الكشف عن الحياة صكوك لبعثات علم الفضاء

The Engineering of Life-Detection Instruments for Astrobiology Missions

إن مهام علم الأحياء الفلكية تمثل أحد أكثر المحاولات العلمية طموحاً في البشرية، وهو البحث عن الحياة خارج الأرض، وركيزة مركزية لهذه البعثات هي تطوير أدوات متطورة لكشف الحياة مصممة لتحديد علامات الحياة في الماضي أو الحاضر في عالم آخر، وكلاهما يجب أن تعمل في الكواكب البعيدة والأقمار مثل المريخ واليوروبا والإنسلادوس وكلما كانتاً تشكل ظروفاً بيئية متطرفة.

التحديات الرئيسية في أدوات الكشف عن الحياة الهندسية

وتتطلب أدوات تصميم بعثات علم الفلك التغلب على مجموعة من التحديات المترابطة التي تتجاوز كثيرا التحديات التي تواجهها أدوات التحليل المختبري على الأرض، ويجب أن تعمل هذه الأدوات بصورة مستقلة أو ذات تدخل بشري محدود، وأن تنجو من ظروف الإطلاق القصوى والعبور، وأن تعمل في بيئات يمكن أن تتدهور أداء الأجهزة بمرور الوقت، وأن يكون الفشل في أي نظام فرعي قد يعرّض بعثة كاملة للخطر، مما يجعل من الموثوقية والثغراء في الشواغل الرئيسية.

Environmental Constraints

كما أن أدوات الكشف عن الحياة يجب أن تكون محكومة بالبيئات التي تكون معادية للنظم الإلكترونية والميكانيكية، وأن يكون الإشعاع مصدر قلق رئيسي: أشعة الكون المجرة والظواهر الشمسية يمكن أن تلحق الضرر بالأجهزة الحساسة للكشف عن الحرارة، وتشويه المواد ذات الصبغة اللازرية، وتسبب في حدوث اضطرابات حرجة في الأجهزة الإلكترونية.

السلطة، الكتلة، والحدود فولومي

وقد تكون هناك قيود شديدة على موارد المركبات الفضائية، إذ أن مجموعة أدوات نموذجية على غطاء المريخ قد تكون لها ميزانية جماعية لا تتجاوز عشرات الكيلوجرامات وميزانية طاقة لعشرات الشواذ، وهذه القيود تحد من حجم وتعقيد الأدوات التحليلية، ويجب على المهندسين أن يحققوا أعلى عائد علمي ممكن لكل كيلو غرام وكرونة، مما يدفع إلى تطوير نظم مصغرة للاستهلاك، مثل أجهزة كشف الوصلات الصغيرة.

مراقبة التلوث وحماية النباتات

وبالإضافة إلى ذلك، فإن أحد أكثر المتطلبات صرامة لصكوك الكشف عن الحياة هو منع التلوث الأمامي - إدخال الكائنات المجهرية أو الجزيئات العضوية المستديمة إلى البيئة المستهدفة، وهو ما يحكمه البروتوكولات الدولية التي تخضع لها لجنة أبحاث الفضاء، ويجب أن تكون الأدوات مجمّعة ومختبرة في غرف نظيفة مع تدابير صارمة للتحكم البيولوجي، وقد تُعَمَّم باستخدام أدوات الضبط الحراري غير المستقرة.

متطلبات الحساسية والخصوصية

كما أن أدوات علم الأحياء الفلكية يجب أن تكون قادرة على كشف الجزيئات العضوية بتركيزات منخفضة للغاية، وغالباً ما تكون في نطاقات القطع لكل مليار أو أقل، وعلى المريخ مثلاً، فإن خلفية المزجات العضوية غير المثبّتة وغيرها من المزيجات المثبطة يمكن أن تزيل الجزيئات العضوية على النطاقات الزمنية الجيولوجية، مما يجعل الكشف عن العلامات الأحيائية القديمة أمراً صعباً للغاية.

تقنيات الكشف الأساسية للتوقيعات البيولوجية

وقد تم تكييف مجموعة واسعة من التقنيات التحليلية لرحلات الفضاء، وكل منها له مواطن قوة وقيود متميزة، وكثيرا ما تجمع أدوات الكشف الحديثة بين تقنيات متعددة ضمن مجموعة واحدة من الأدوات لتوفير بيانات تكميلية والحد من مخاطر وجود إيجابيات أو سلبيات كاذبة.

مساحات المبيدات الحشرية

(أ) المطيافات العضوية التي تستخدمها شركة " لام " (Sa) وهي تستخدم في تحليلات غير عضوية ذات طابع غير مأمون، وهي تستخدم عينات من مادة الأشعة المميتة (Gas) التي تستخدمها شركة " SB) (Ga) (Gs chromat) (Gs chromuper) (G)

Raman Spectroscopy

(أ) إن الأشعة المقطعية للرأس هي تقنية مضاربة لا تُستهان بها، وهي توفر معلومات عن التركيب الجزيئي والترابط، وهي مفيدة بصفة خاصة لكشف المعادن والمركبات العضوية، بل وخنازير صغيرة مثل البوليسترات البوليفية، وتستخدم أدوات الرماين جهازاً لازرياً للكشف عن الظواهر الجزيئية، كما أن الملامح الخافضة للأشعة

الأشعة فوق البنفسجية والأشعة فوق البنفسجية

وتُعدّ هذه العينات المُعدّدة الأشعة تحت الحمراء من المواصفات المغناطيسية التي تستخدم في الاختبارات المتعددة المؤشرات، وهي تقدم معلومات تكميلية إلى مطياف خام (Rman) كما أنَّ المواصفات ذات الأشعة فوق البنفسجية التي تستخدم في المواصفات المتعددة الفلزات المستخدمة في المختبرات، ويجري تطوير أدوات الترسبات المُدمجة لأجهزة التفريغ السطحي (CIR-HI)

Microscopy and Imaging

(ب) إن التصوير بالمقياسات المجهرية للأدوية الكيمياء (الجهاز الكيميائي) هو أمر حاسم بالنسبة لاستخدامات الأشعة الأحيائية كخلايا مجهرية، والآلات، والملفات الحيوية، والكشف عن الخلايا المغناطيسية ذات الأشعة السينية، والكشف عن الأشعة السينية، والصور المميزة للخلايا الصبغة البيولوجية، والصور المصغرة التي تُستخدم فيها أجهزة الأشعة السينية.

Immunoassays and Biosensors

وتستخدم الأدوات القائمة على التنويم المغنطيسية أجهزة مضادة أو أجهزة استنشاق للجرائم المستهدفة الملزمة تحديداً، وتوفر كشفاً انتقائياً عالياً للعلامات البيولوجية مثل الأحماض الأمينو، والنواة، والثدييات، والبروتينات، ويمكن تشكيل هذه النظم باعتبارها رقائق مصغرة أو مقذوفات للتدفقات الجانبية، على نحو مماثل لفحوصات الحمل.

فحص الحمض النووي وتضخيمه

ومع ذلك، فإن أكثر المهام حيوية وضوحاً هي الكشف عن البوليمرات الإعلامية مثل الحمض النووي أو الناموسيات النووية، وقد تكون أدوات التصفية القائمة على تكنولوجيا النانوبور (مثلاً، قاعدة أوكسفورد نانوبوري مينيون) قد ثبتت على المحطة الفضائية الدولية، ويجري النظر فيها في بعثات الكواكب المقبلة، ويمكن أن تضخم أجهزة كشف البوليميراسية بكميات من الحمض النووي إلى مستويات يمكن اكتشافها.

الصكوك والبعثات الملحوظة

وقد عزز العديد من البعثات السابقة والحاضرة والمقبلة حالة الفن في مجال أدوات الكشف عن الحياة، حيث يسهم كل منها في إيجاد حلول هندسية فريدة ورؤية علمية فريدة.

مختبر علوم المريخ: تحليل العينات في المريخ

(أ) إنّ مجموعة أدوات (سام) في مركب (ناسا) للغطاء الفضيّ، هي واحدة من أكثر مختبرات الكيمياء التحليلية قدرة على الإطلاق، والتي تُرسل إلى كوكب آخر، وحوالي 40 كيلوغراماً، وينطلق من مركب ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وعينة من مطياف الكربون المُكتشفة، وجهاز مُركّب مُخلّب مُّب مُّب مُتّب مُ مُتّب مُتّب مُتَة من نوعيّع للأشعة مُ مُتَة من الهيدروجين،

ExoMars Rosalind Franklin and the Mars Organic Molecule Analyzer (MOMA)

"مهمة "إس أي إم ماري" التي من المقرر أن تبدأ في عام 2020 "تحتوي على "روزليند فرانكلين

اليوروبا كليبر والبحث عن الحياة تحت سطح الأرض

"مهمة "أوروبا كليبر" التي ستبدأ في عام 2024 ستجري إستطلاعاً مفصلاً لـ "جوبيتر أوروبا" والتي يُعتقد أنها تُأوي محيطاً تحت سطحياً من الماء السائل، بينما "يوربا كليبر" هي مهمة إستشعار عن بعد،

التنين وكونتيك

"مهمة "ناسا" للتنقيب عن التدفئة" "التي تُجمع" "تُرسل أيضاً "مركبة "الطيور" ذات المحركات المغناطيسية"

التوجيهات المستقبلية في مجال الهندسة الصكية

ونظرا لأن بعثات علم الفلك تستهدف بيئات متزايدة الصعوبة وتسعى إلى الحصول على أدلة أكثر تحديدا على الحياة، فإن هندسة الأدوات ما زالت تتطور بسرعة، ومن المرجح أن تشكل عدة اتجاهات ناشئة الجيل القادم من أدوات الكشف عن الحياة.

التدريج والتكامل على نطاق المنظومة

ولا يمكن تحقيق تقدم في النظم الميكانيكية الدقيقة، والمركبات الميكرويّة، والزيارة النانوية إلا تطوير أدوات تحليلية مصغرة للغاية، ويمكن أن تدمج تكنولوجيات التحليل المحتوية على أجهزة متعددة في المستقبل إعداد العينات، والفصل، والكشف عن مجموعة واحدة من أجهزة القياس الميكروبي، مثلاً، يمكن أن تؤدي أجهزة التخصيب ذات الفلور الكيميائي، واستهلاك الكهروفوري في آن واحد.

الاستخبارات الفنية والعمليات المستقلة

ومن شأن التعلم من الآلات والاستخبارات الاصطناعية أن يغيرا تشغيل أدوات الكشف عن الحياة، ونظرا للتأخيرات في الاتصالات بين الأرض والكواكب الأخرى (من دقائق إلى ساعات)، فإن صنع القرار المستقل أمر أساسي للعمليات الفعالة، ويمكن أن تقوم الخوارزميات بتحليل البيانات ذات الصلة بالأدوات في الوقت الحقيقي، وتحديد السمات الهامة، وتعديل أطر الأجهزة أو اختيار عينات جديدة للتحليل دون انتظار تعليمات من الأرض.

مجموعة العينات المتقدمة ومعالجتها

إن القدرة على جمع العينات من بيئات متنوعة وصعبة هي أمر حاسم لاكتشاف الحياة، إذ أن البعثات المقبلة تستكشف استخدام الطائرات بدون طيار، والعصيان، والمركبات ذاتية تحت الماء للوصول إلى بيئات مثل أنابيب الحمم، ومستودعات المياه الجوفية، والبحيرات دون الإقليمية، ويجب أن تكون نظم مناولة العينات قادرة على جمع عينات الجليد والصخور والتربة وحتى العينات السائلة، وإعدادها لتحليلها بطريقة مسبقة وطريقة خاضعة للرقابة.

منع نشوب النزاعات والتعقيم في الموقع

ومع أن الأدوات أصبحت أكثر حساسية، فإن خطر التلوث البري يزداد حدة، وقد تتضمن الأدوات المستقبلية قدرات التعقيم في الموقع التي يمكن أن تنظف مسار العينة للصك بين تحليلات تستخدم الحرارة أو الإشعاع فوق البنفسجي أو الغازات الرجعية، مما يقلل من خطر وجود إيجابيات زائفة من العضويات الأرضية التي يمكن أن تطلق عبر الزمن من مكونات الأجهزة، بالإضافة إلى استخدام أجهزة الاستشعار التي تستخدم لرصد التلوث والتي يمكن أن تساعد على اكتشاف وجود علامات حيوية حقيقية.

Distributed and Swarm Sensing

ويمكن أن تستخدم بعثات علم الفلك في المستقبل مساحات صغيرة متعددة أو مهبطات لا مساحات كبيرة واحدة أو مهبط، ويمكن أن تغطي شبكات الاستشعار الموزعة مساحة أكبر، وأن تختبر مجموعة أوسع من البيئات، مما يزيد من احتمال مواجهة العلامات الأحيائية إذا وجدت، ويمكن أن تشمل أسلحة الميكروبات المجهزة بأدوات بسيطة لاكتشاف الحياة (مثل أجهزة الاستشعار عن طريق الفلور أو المضارب العضوية)

خاتمة

إن هندسة أدوات الكشف عن الحياة لبعثات علم الفلك تمثل واحدة من أكثر الوسائل تحديا ومكافأة لعلوم الفضاء، ويجب أن تعمل هذه الأدوات على حدود الحساسية والخصوصية والموثوقية، مع الحفاظ على الظروف البيئية القصوى والالتزام ببروتوكولات الحماية الكواكبية الصارمة، وقد يحرز الميدان تقدما ملحوظا من أوائل سكان الأرض إلى المختبرات التحليلية المتطورة بشأن كيريوس وثابرته وإمكانياته الابتكارية.

For further reading, see the NASA Astrobiology Institute], the ]ESA ExoMars program, and the Mars 2020 Perseverance rover instrument page.