“الحياة ، آه ، تجد طريقة” – تطبيق الدروس من تطور للذهاب إلى المريخ

تكبير / المريخ ، و الصخرة الرابعة من الشمس. NASA

كما قال عالم الرياضيات الفيلسوف جيف جولدبلوم مرة ، “الحياة ، أه ، يجد وسيلة “.

لتعبير أكثر علميًا ، كان للتطور مليارات سنوات من التجربة والخطأ لإنتاج الأنواع التي هي في حالة جيدة تكييفها كيميائيا وجسديا. العديد من الباحثين الإنسان يريدون تقليد هذا التكيف ، وتحويل الدروس من العالم الطبيعي في الممارسة العملية في الهندسة والتكنولوجيا والهندسة المعمارية. ال مشروع كامل يذهب تحت اسم “تقليد الطبيعة”.

قراءة متعمقة

لديك مشكلة علمية؟ سرقة إجابة من الطبيعة

يقول أرييل إيكبلاو ، “أعتقد أن التقليد الحيوي جميل حقًا” طالب في MIT’s Media Lab ، الذي أسس وقاد مختبر الوسائط مبادرة استكشاف الفضاء. “إنه إطار و … مجموعة من الأدوات أو الدروس المستفادة من الطبيعة التي يمكن أن أبلغ الحديثة مشاريع البحوث الهندسية والعلمية. ”

لرؤية طيف البحوث المحاكاة الحيوية ، حضرت أ ورشة عمل لمدة ثلاثة أيام بعنوان “استكشاف الطبيعة الملهمة” الفضاء. “برعاية ورشة العمل التي نظمتها ناسا غلين للأبحاث المركز ، ومعهد أوهايو للفضاء ، ومحاكاة البحيرات العظمى. على الرغم من التركيز الفضاء الجوي ، تراوحت البرنامج من متابعة مباشرة علم الأحياء إلى الاستفسارات الفلسفية حول أسباب القيام به المحاكاة الحيوية في المقام الأول.

التمسك بالطبيعة للابتكار

المثال الكلاسيكي للمحاكاة الحيوية هو ® الفيلكرو. في عام 1941 ، السويسرية استلهم المهندس جورج دي ميسترال الإلهام من نتوءات الفراء كلبه لإنشاء نظام الربط الآن مألوفة على أساس السنانير الصغيرة والحلقات.

ولكن يبدو أن الفيلكرو بدائي مقارنة بالتقليد الحيوي الحديث المشاريع. يبحث الباحثون في الزعانف الحوت لتحسين تصاميم التوربينات الريحية ، القصب المشترك (Phragmites australis) حتى يختلط الأصوات من المطارات ، والثعابين الجانبية لبناء الروبوتات ذلك يمكن أن يصعد المنحدرات الصعبة. آخرون دراسة الكائنات الحية في البيئات القاسية – الصحاري العالية الارتفاع ، البركانية في أعماق البحار المخارج ، أنتاركتيكا — للمساعدة في فهم كيف يمكن أن يعيش البشر فيها أماكن نادرة الموارد ، سواء على الأرض أو القمر أو المريخ.

كان الهدف الأساسي لورشة تقليد الطبيعة في ناسا هو الرسم معا الناس من العديد من التخصصات على أمل تعزيز التعاون مع ناسا لمستقبل تكنولوجيا الفضاء الجوي. يهتم العديد من الباحثين في ناسا في تقليد الطبيعة لأنه وعود الكفاءة الخالصة ، يجب أن تعطى ارتفاع تكلفة نقل المواد إلى الفضاء. ولكن هناك أيضا احتمال القضاء على الحاجة لنقل الأشياء تماما. الكائنات الحية بناء أنفسهم من المواد الخام المتاحة من بيئتهم ، في شكل الغذاء (مهما كانت محددة) والمصادر البيئية لل ماء.

على سبيل المثال ، إذا كان من الممكن بناء موطن المريخ – أو تجميعه نفسها من مكونات وحدات – باستخدام المواد التي تم الحصول عليها على المريخ في حد ذاته ، من المحتمل أن يوفر كمية هائلة من الكتلة خلال إطلاق من الأرض. هذا ، بدوره ، يترجم إلى توفير الوقود ، ربما يسمح للمركبة الفضائية بحمل مهمة أخرى البضائع.

تكبير / زراعة الطعام وخلق بيئة ملائمة للعيش هما engineering challenges on Mars that are just as important as makingfuel. Real-world solutions will, sadly, probably differ a bit fromتصوير المريخ. المريخ

تكبير / و axolotl ، السمندل قادرة على تجديد الأطراف المفقودة ، كان among the creatures on display at an American Museum of Naturalتاريخ المعرض على المتطرفين في السنوات الأخيرة. AMNH

الحياة القصوى ، والهندسة القصوى

كفاءة استخدام الموارد هي أكثر من مجرد اختيار التصميم الأخضر لاستكشاف الفضاء: إنها ضرورة مطلقة. أي مادة التي لا يمكن إعادة تدويرها أو إعادة استخدامها هي مضيعة للفضاء والكتلة ؛ الموارد الضائعة أو المنتجات النهائية الخطرة يمكن أن تكون خطرة أو قاتلة لرواد الفضاء. مهمات فريق المريخ المحتملة على العديد عقول الباحثين في مجال المحاكاة الحيوية لهذا السبب.

حتى مدة رحلة المريخ القصيرة تقاس بالأشهر. Theيعد البقاء ، وأصعب مشاكل العيش هناك يصبح.

للتفكير في تلك المشكلات ، يتطلع إليها باحثو المحاكاة الحيوية “الكائنات الحية الشديدة” ، الكائنات الحية التي تعيش في أقسى الظروف الأرض (حسب المعايير الإنسانية ، على الأقل). المريخ هو في وقت واحد بيئة باردة وجافة ومعادية كيميائيا وعالية الإشعاع. ك نتيجة لذلك ، ينظر العديد من الباحثين في مجال المحاكاة الحيوية الفضائية إلى كيف النباتات الصحراوية استخراج وتنقية المياه لاستخدامها ، وكيف الفطريات تزدهر في بيئات عالية الإشعاع ، وكيف تمكن البروتينات الحشرات لطي هياكل كبيرة مثل الأجنحة داخل الشرانق الصغيرة أثناء التحول ، وأكثر من ذلك بكثير. على حد تعبير تيري براتشيت ، “الحياة تعيش في كل مكان يمكن أن الحياة. حيث لا يمكن للحياة ، وهذا يأخذ أطول قليلا.”

كلوديا ريفيرا من الجامعة الوطنية المستقلة في المكسيك تحدث في المؤتمر عن “عبقرية المكان” ، أو كيف الكائنات الحية تتكيف مع الظروف المحددة في الموقع. لها على سبيل المثال كانت صحراء أتاكاما في تشيلي غنية و النظام البيئي المعقد على الرغم من كونه على ارتفاع عال جدا و اجمل صحراء خارج القارة القطبية الجنوبية. (قد لا يكون Atacama تلقى أي هطول الأمطار قابلة للقياس بين 1570 و 1971 ؛ حتى اليوم، هطول الأمطار المتراكم يقاس بالمليمترات.) العلماء تقدير أن الصحراء ربما تكون جافة لمدة 3 ملايين سنة أو أكثر ، وهذا يعني أن الحياة كان لديها الكثير من الوقت للتكيف مع ظروفها.

قراءة متعمقة

تزدهر بكتيريا إكستريموفيل الشيلي في ظروف تشبه المريخ

استشهد ريفيرا بلريتا ، وهو مصنع أتاكاما الذي يتحمل أقصى درجاته قلة الرطوبة والرياح الشديدة (سواء الساخنة والباردة) أو الشديدة إشراق. من الخارج ، يشبه llareta صخرة موسية أو حصيرة مسطحة من الطحلب. في الداخل ، إنه مزيج كثيف من الفروع. يقلل هذا الهيكل من سحب الرياح ، ولكنه يحبس الرطوبة أيضًا ويحد التبخر. Llareta تنتج أيضا الراتنجات لمساعدة مصنع مقاومة التجميد.

منذ تربة أتاكاما مليئة بالملح والقلوية المواد الكيميائية ، والمياه المتاحة سامة لكثير من الكائنات الحية (بما في ذلك البشر). بالإضافة إلى ذلك ، أن المياه في كثير من الأحيان في النموذج عدد صغير نسبيا من الجزيئات التي تتشبث بالتربة الجزيئات ، بدلا من التربة المشبعة أكثر من الأماكن الأكثر رطوبة. نباتات الصحراء تستخرج الأملاح من التربة وتفرزها على التربة أوراق ، أو تصفية المواد الكيميائية التي قد تكون سامة على خلاف ذلك لهم.

بعد النباتات لا تزال استخراج ما يكفي للعيش فيه. لوضعها بطريقة أخرى: عندما تكون المياه شحيحة ، لا تستطيع الكائنات الحية تحمل كلفتها استعارة لتحويل أنوفهم إلى أشياء يصعب الحصول عليها أو الأذواق سيئة.

كما أظهر عدد من التحقيقات الروبوتية ، تعمل المياه الجوفية المريخ وفير ، وخاصة في خطوط العرض العليا. ومع ذلك ، إنه كذلك عموما المجمدة والمختلطة مع أملاح البركلورات ، والكبريتات ، و المواد الكيميائية الأخرى سيئة للمستكشفين الإنسان – بقدر الماء في صحراء أتاكاما سامة ويصعب الحصول عليها.

سواء شربه أو استخدمه لزراعة الطعام أو معالجته في مكون الوقود للعودة إلى الأرض (متميز احتمال ، منذ نقل ما يكفي من الوقود للحصول على الإرادة المنزلية أن تكون مكلفة للغاية) ، فمن الواضح أن البشر سوف يحتاجون إلى استخدام المريخ الماء ، مهما كانت سامة.

الكائنات المتطرفة الأخرى يمكن أن تساعد أيضًا في إظهار الطريق. كثير أنواع البكتيريا لها أغشية تسمح بالماء ولكن ترفض المواد الكيميائية السامة. النباتات مثل اللوتس المقدسة لها أوراق غير منفذة للماء ، والتي تسمح لهم بفصل الماء عن الأوساخ باستخدام الجاذبية وحدها. كما قال أندرو ترونك من ناسا في كتابه نقاش في المؤتمر ، كل شيء يحتاج رواد الفضاء على المريخ إلى القيام به الماء ، وقد تطورت الكائنات الحية للقيام دون استخدام الطاقة النووية نبات. إذا استطعنا أن نتعلم كيف نفعل الشيء نفسه ، فسيكون لدى البشر الكثير أسهل وقت على الكوكب الأحمر.

محطات فضائية ذاتية التجميع

يحدد Ekblaw لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نهجين رئيسيين في تقليد الطبيعة البحث: يحركه المشكلات ، وغالبًا ما يجذب المهندسين يحركها الفضول ، وهو تعادل العلماء النقيين.

“أنا في المقام الأول مدفوعة بالمشاكل من حيث أنني الفضاء الجوي باحث الهياكل يبحث في التدرج ، وانخفاض الطاقة ، وكفاءة طريقة لتجميع الهندسة المعمارية في بيئات الجاذبية الصفرية ، “هي يقول. “النموذج الحالي لمحطة الفضاء الدولية هو جدا معقدة ، مكلفة للغاية الطاقة ، [و] محفوفة بالمخاطر للغاية من حيث الحياة البشرية لتجميع. كيف يمكننا أن ننظر إلى الطبيعة لنمط من التجميع الذاتي – طريقة أنيقة وبسيطة وفعالة لجلب القطع سويا؟”

Ekblaw يتصور وحدة محطة الفضاء التي تجمع مثل لغز ثلاثي الأبعاد. تعليمات التجميع كلها المشفرة كجزء من قطع اللغز ، بدلا من تتطلب الروبوتية أو تدخل الإنسان لوضع الوحدة معا. الكائنات الحية تفعل هذا خدعة التجميع الذاتي على مستويات متعددة: تشكل البروتينات شبكات ؛ مجموعة الأميبات المستعمرة معًا في مجموع يشبه سبيكة يزحف. النمل مجتمعة جعل جسر عبر الثغرات. التجمع لا يحتاج إلى ذكاء – فقط مادة كيميائية أو كهربائية بسيطة التواصل بين مكوناته.

التجميع الذاتي الهندسي الذي تقاس فيه الأبعاد في سم أو متر هو أكثر تحديا. ذلك لأن هناك يحتمل أن تكون العديد من التكوينات المحتملة للقطع تعال سويا. (كما يشير Ekblaw ، إذا كان أكثر من المرغوب فيه التكوين من وجهة نظر الطاقة هي القطع الموجودة في عكس الزوايا ، واجهتك مشكلة.)

“كيف يمكنك تضمين عناصر من هذا المنطق النهائي في كل منها وحدة فردية بحيث يجتمعون بطريقة فعالة؟ ” يقول Ekblaw. “الطريقة التي أفعل ذلك في نظامي هي من خلال المغناطيس ، هندسة الميلا ، [و] بعض الاقتراحات الأخرى. ” الأخيرة تشمل “التحيز” ، أو استخدام منفاخ الهواء أو البعض الآخر آلية للمساعدة في توجيه القطع نحو بعضها البعض.