يستخدم العلماء تقنية جديدة للكشف عن بصمات الحياة عن بعد

أداة FlyPol ، التي تم استخدامها لقياس البصمات الحيوية من الجو ، على متن المروحية. الائتمان: بإذن من لوكاس باتي

يمكن أن يكون علامة فارقة على طريق اكتشاف الحياة على الكواكب الأخرى: اكتشف العلماء تحت قيادة جامعة برن والمركز الوطني للكفاءة في البحث (NCCR) PlanetS خاصية جزيئية رئيسية لجميع الكائنات الحية من طائرة هليكوبتر تحلق عدة كيلومترات فوق سطح الأرض. يمكن أن تفتح تقنية القياس أيضًا فرصًا لاستشعار الأرض عن بعد.

تعتبر الأيدي اليسرى واليمنى صورًا معكوسة مثالية لبعضها البعض. ولكن مهما كانت الطريقة التي يتم بها الالتواء والتحويل ، فلا يمكن تركيبها على بعضها البعض. هذا هو السبب في أن القفاز الأيسر ببساطة لا يناسب اليد اليمنى كما يناسب اليد اليسرى. في العلم ، يشار إلى هذه الخاصية باسم chirality.

رسم توضيحي للمقياس الطيفي FlyPol. الائتمان: لوكاس باتي

تمامًا مثل اليدين ، يمكن للجزيئات أن تكون لولبية أيضًا. في الواقع ، معظم الجزيئات في خلايا الكائنات الحية ، مثل الحمض النووي ، هي جزيئات مراوان. على عكس الأيدي ، التي تأتي عادةً في أزواج من اليسار واليمين ، فإن جزيئات الحياة تحدث بشكل حصري تقريبًا إما في نسختها “اليسرى” أو “اليد اليمنى”. هم متماثلون ، كما يقول الباحثون. لماذا هذا ، لا يزال غير واضح. لكن هذه التماثلية الجزيئية هي خاصية مميزة للحياة ، تسمى التوقيع الحيوي.

تقلع المروحية التي تحمل FlyPol على متنها من المطار في Môtiers. الائتمان: بإذن من لوكاس باتي

كجزء من مشروع MERMOZ (انظر مربع المعلومات أدناه) ، نجح فريق دولي بقيادة جامعة برن والمركز الوطني للكفاءة في أبحاث NCCR PlanetS ، الآن في اكتشاف هذا التوقيع من مسافة كيلومترين وبسرعة 70 كم / ساعة. يقول جوناس كون ، مدير مشروع MERMOZ في جامعة برن والمؤلف المشارك للدراسة التي نُشرت للتو في مجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية: “إن التقدم الكبير هو أن هذه القياسات تم إجراؤها في منصة كانت تتحرك ، تهتز ، وأننا ما زلنا نكتشف هذه البصمات الحيوية في غضون ثوانٍ “.

أداة تتعرف على المادة الحية

“عندما ينعكس الضوء بواسطة مادة بيولوجية ، فإن جزءًا من الموجات الكهرومغناطيسية للضوء سوف ينتقل إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. تسمى هذه الظاهرة الاستقطاب الدائري وهي ناتجة عن تماثل المادة البيولوجية. يقول المؤلف الأول للدراسة لوكاس باتي ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في MERMOZ في جامعة برن وعضو في NCCR PlanetS ، إن حلزونات ضوئية مماثلة لا تنتجها الطبيعة اللاأحيائية غير الحية.

مسار رحلة الهليكوبتر. الائتمان: © Google Earth

ومع ذلك ، فإن قياس هذا الاستقطاب الدائري يمثل تحديًا. الإشارة ضعيفة جدًا وتشكل عادةً أقل من واحد بالمائة من الضوء المنعكس. لقياس ذلك ، طور الفريق جهازًا مخصصًا يسمى مقياس الطيف. وتتكون من كاميرا مزودة بعدسات خاصة وأجهزة استقبال قادرة على فصل الاستقطاب الدائري عن باقي الضوء.

لكن حتى مع هذا الجهاز الدقيق ، كانت النتائج الجديدة مستحيلة حتى وقت قريب. يتذكر لوكاس باتي قائلاً: “منذ 4 سنوات فقط ، لم نتمكن من اكتشاف الإشارة إلا من مسافة قريبة جدًا ، حوالي 20 سم ، واحتجنا إلى مراقبة نفس المكان لعدة دقائق للقيام بذلك”. لكن التحسينات التي أدخلها على الأداة التي أجراها هو وزملاؤه ، تسمح باكتشاف أسرع وأكثر استقرارًا ، وتستمر قوة التوقيع في الاستقطاب الدائري حتى مع المسافة. جعل هذا الجهاز مناسبًا لأول قياسات استقطاب دائري جوي على الإطلاق.

أطياف قطبية دائرية من العشب والأشجار والمناطق الحضرية والمياه التي تحتوي على الطحالب. الائتمان: © ESO ، علم الفلك والفيزياء الفلكية ، لوكاس باتي

قياسات مفيدة على الأرض وفي الفضاء

باستخدام هذه الأداة التي تمت ترقيتها ، والتي يطلق عليها اسم FlyPol ، أوضحوا أنه في غضون ثوانٍ فقط من القياسات ، يمكنهم التفريق بين الحقول العشبية والغابات والمناطق الحضرية من طائرة هليكوبتر سريعة الحركة. تُظهر القياسات بسهولة المادة الحية التي تعرض إشارات الاستقطاب المميزة ، بينما لا تُظهر الطرق ، على سبيل المثال ، أي إشارات استقطاب دائرية مهمة. مع الإعداد الحالي ، يمكنهم حتى اكتشاف الإشارات القادمة من الطحالب في البحيرات.

الدكتور لوكاس باتي ، NCCR PlanetS ، معهد الفيزياء ، جامعة برن. الائتمان: بإذن من لوكاس باتي

بعد اختباراتهم الناجحة ، يتطلع العلماء الآن إلى المضي قدمًا إلى أبعد من ذلك. “الخطوة التالية التي نأمل أن نتخذها ، هي إجراء اكتشافات مماثلة من محطة الفضاء الدولية (ISS) ، بالنظر إلى الأرض. سيسمح لنا ذلك بتقييم إمكانية اكتشاف البصمات الحيوية على مستوى الكواكب. ستكون هذه الخطوة حاسمة لتمكين البحث عن الحياة داخل وخارج نظامنا الشمسي باستخدام الاستقطاب ، “كما يقول الباحث الرئيسي في MERMOZ والمؤلف المشارك Brice-Olivier Demory ، أستاذ الفيزياء الفلكية في جامعة برن وعضو NCCR PlanetS.

الأستاذ الدكتور بريس-أوليفييه ديموري ، مركز الفضاء والسكنية و NCCR PlanetS ، جامعة برن. حقوق الصورة: © Universität Bern، Bild: Ramon Lehmann

إن المراقبة الحساسة لإشارات الاستقطاب الدائري هذه ليست مهمة فقط لمهام الكشف عن الحياة في المستقبل. يوضح لوكاس باتي: “نظرًا لأن الإشارة ترتبط ارتباطًا مباشرًا بالتركيب الجزيئي للحياة وبالتالي عملها ، يمكنها أيضًا تقديم معلومات تكميلية قيّمة في استشعار الأرض عن بعد.” يمكنه على سبيل المثال تقديم معلومات حول إزالة الغابات أو أمراض النبات. قد يكون من الممكن حتى تنفيذ استقطاب دائري في رصد تكاثر الطحالب السامة ، والشعاب المرجانية ، وتأثيرات التحمض عليها.

SAINT-EX – البحث عن الكواكب الخارجية وتوصيفها

تركز مجموعة أبحاث SAINT-EX (بتمويل من أستاذ SNF للبروفيسور بريس أوليفييه ديموري) على:

• الكشف عن الكواكب الخارجية المعتدلة بحجم الأرض (مرصد SAINT-EX) ،
• الاستشعار عن بعد للحياة في أجواء / أسطح الكواكب (ميرموز) ،
• أجهزة لتشخيص السرطان غير الغازي داخل الجسم الحي والتدريج (BrainPol).

يهدف مشروع MERMOZ (خطة المراقبة للواجهات السطحية ذات الخصائص المتضخمة الحديثة) إلى التحقيق فيما إذا كان بإمكاننا تحديد وتمييز حياة الأرض من الفضاء ، من خلال بناء مكتبة معيارية لتوقيعات السمات السطحية باستخدام قياس الطيف الاستقطاب الكامل Stokes عن بعد. في هذا الإطار ، يُعتبر كوكبنا بمثابة وكيل لأجسام النظام الشمسي الأخرى والكواكب الخارجية.

MERMOZ هو مشروع بالشراكة بين جامعات برن ولايدن ودلفت (هولندا).
يتم تمويل دراسة جدوى المشروع من قبل مركز الفضاء والسكن (CSH) و NCCR PlanetS.

NCCR PlanetS: بحث حول كوكب صنع في سويسرا

في عام 2014 ، منحت مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية جامعة برن المركز الوطني للكفاءة في البحث (NCCR) PlanetS ، الذي تديره بالتعاون مع جامعة جنيف.

منذ مشاركتها في أول هبوط على سطح القمر في عام 1969 ، شاركت جامعة برن في مهمات فضائية لمنظمات الفضاء الرئيسية ، مثل ESA و NASA و ROSCOSMOS و JAXA. وهي تشارك حاليًا في قيادة مهمة CHEOPS لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) مع جامعة جنيف. بالإضافة إلى ذلك ، يعد باحثو بيرن من بين رواد العالم عندما يتعلق الأمر بنماذج ومحاكاة تكوين وتطوير الكواكب.

مع اكتشاف أول كوكب خارج المجموعة الشمسية ، وضعت جامعة جنيف نفسها كواحدة من المؤسسات الرائدة في هذا المجال. أدى ذلك ، على سبيل المثال ، إلى بناء وتركيب مطياف HARPS على تلسكوب ESO 3.6 متر في La Silla في عام 2003 تحت قيادة جنيف. تبع ذلك أداة ESPRESSO على تلسكوب ESO VLT في بارانال. كما يوجد “مركز العمليات العلمية” التابع لبعثة CHEOPS في جنيف أيضًا.

تعد ETH Zurich و University of Zurich مؤسسات شريكة في NCCR PlanetS. يقود علماء من مجالات الفيزياء الفلكية ومعالجة البيانات وعلوم الأرض المشاريع ويقدمون مساهمات مهمة في أبحاث NCCR PlanetS. بالإضافة إلى ذلك ، تعد ETH شركة رائدة عالميًا في مجال الأجهزة لمختلف المراصد والبعثات الفضائية.
يتم تنظيم NCCR PlanetS في مجالات البحث التالية:

• المراحل المبكرة من تكوين الكوكب
• هندسة أنظمة الكواكب وتشكيلها وتطورها
• الغلاف الجوي والأسطح وداخل الكواكب
• تحديد صلاحية الكواكب للسكنى.

استكشاف الفضاء في برن: مع نخبة العالم منذ أول هبوط على سطح القمر

عندما خرج الرجل الثاني ، “Buzz” Aldrin ، من الوحدة القمرية في 21 يوليو 1969 ، كانت المهمة الأولى التي قام بها هي إعداد تجربة تكوين الرياح الشمسية في برن (SWC) والمعروفة أيضًا باسم “شراع الرياح الشمسية” بواسطة زرعها في أرض القمر ، حتى قبل العلم الأمريكي. كانت هذه التجربة ، التي تم التخطيط لها وتحليل النتائج من قبل الأستاذ الدكتور يوهانس جيس وفريقه من معهد الفيزياء بجامعة برن ، أول حدث عظيم في تاريخ استكشاف الفضاء في برن.

منذ ذلك الحين ، أصبح استكشاف الفضاء في بيرن من بين النخبة في العالم. تشارك جامعة برن في مهمات فضائية لمنظمات الفضاء الكبرى ، مثل ESA و NASA و ROSCOSMOS و JAXA. وهي تشارك حاليًا في قيادة مهمة CHEOPS لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) مع جامعة جنيف. بالإضافة إلى ذلك ، يعد باحثو بيرن من بين رواد العالم عندما يتعلق الأمر بنماذج ومحاكاة تكوين وتطوير الكواكب.

تم تعزيز العمل الناجح الذي قام به قسم أبحاث الفضاء وعلوم الكواكب (WP) من معهد الفيزياء بجامعة برن من خلال تأسيس مركز كفاءة جامعي ، وهو مركز الفضاء والسكن (CSH). كما منح الصندوق الوطني السويسري لجامعة برن المركز الوطني للكفاءة في البحث (NCCR) PlanetS ، الذي يديره بالتعاون مع جامعة جنيف.

المرجع: “البصمات الحيوية للأرض I. الاكتشاف الطيفي الاستوائي المحمول جواً للحياة الضوئية” بقلم CHL Patty ، و JG Kuhn ، و PH Lambrev ، و S. Spadaccia ، و HJ Hoeijmakers ، و C. Keller ، و W. Mulder ، و V. Pallichadath ، و O. Poch ، F . Snik و DM Stam و A. Pommerol و BO Demory ، مقبول ، علم الفلك والفيزياء الفلكية.
DOI: 10.1051 / 0004-6361 / 202140845