Κάθε οργανισμός, όπως και κάθε φυσικό σύστημα έχει όρια αντοχής σε ακραίες συνθήκες περιβάλλοντος. Η ανοιχτή συζήτηση περί κλιματικής αλλαγής και οι νέες τεχνολογίες στην κατάκτηση του διαστήματος έχουν οδηγήσει πολλά επιστημονικά πεδία στη μελέτη οργανισμών που αντέχουν σε ακραίες συνθήκες. Οι μελέτες αυτές συνήθως επικεντρώνονται στην αντοχή αυτών των οργανισμών σε πολύ υψηλές ή πολύ χαμηλές τιμές θερμοκρασίας, ατμοσφαιρικής πίεσης, ραδιενέργειας, υγρασίας, και οξυγόνου.
Εδώ και πολλά χρόνια είναι γνωστό πως οι λειχήνες συγκαταλέγονται στους πλέον ενδιαφέροντες οργανισμούς που αντέχουν σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες του πλανήτη μας ή πιθανόν και σε άλλους πλανήτες όπως ο Άρης. Πρόσφατα όμως, τεκμηριώθηκε πειραματικά ότι οι λειχήνες επιβιώνουν σε υπερβολικά ακραίες συνθήκες περιβάλλοντος, όπως για παράδειγμα στην απόλυτη ξηρασία και στην ακραία χαμηλή θερμοκρασία των -196 oC, διατηρώντας τον μεταβολισμό τους αναλλοίωτο, όταν επανέλθουν σε φυσιολογικές συνθήκες (Parasyri et al. 2018). Επίσης πρόσφατα ανακαλύφθηκε και τεκμηριώθηκε πειραματικά το ότι οι λειχήνες έχουν την ικανότητα σε ανοξικές συνθήκες να παράγουν μεγάλες ποσότητες υδρογόνου, στοιχείο ιδιαίτερα σημαντικό για την ενεργειακή αυτονομία (Papazi et al. 2015).
Οι δύο παραπάνω ανακαλύψεις, παρ’ ότι έγιναν σε ελεγχόμενες πειραματικές συνθήκες στο γήινο περιβάλλον, ανοίγουν ένα νέο κεφάλαιο βιοτεχνολογικών εφαρμογών σε «αφιλόξενους» για την ώρα πλανήτες, στα πλαίσια μίας αστροβιοτεχνολογικής προσέγγισης. Έτσι, η παρούσα εργασία, αξιοποιώντας αυτά τα νέα πειραματικά ευρήματα και κινούμενη γύρω από το βασικό ερώτημα στην εποίκιση του διαστήματος ― υπάρχουν οργανισμοί ή συστήματα οργανισμών, που θα επιβιώσουν σε άλλον πλανήτη όπως στον Άρη και πώς μπορεί κανείς να ελέγξει αυτή τη δυνατότητα; ― χρησιμοποιεί την ασαφή λογική για να αξιολογήσει συγκριτικά αυτή τη νέα προοπτική που ανοίγεται για τους λειχήνες.
Η αντοχή ενός οργανισμού σε ακραίες συνθήκες και κατ’ επέκταση η αστροβιοτεχνολογική προοπτική του είναι μία πολυδιάστατη και ασαφής έννοια για την οποία μέχρι στιγμής δεν υπάρχει κοινώς αποδεκτός ορισμός, με αποτέλεσμα να προσδιορίζεται με διαφορετικά κριτήρια για τα οποία δεν υπάρχει ενιαίο πλαίσιο αποδοχής αλλά ούτε και σύστημα μέτρησης.
Έτσι, στην παρούσα εργασία η ασαφής λογική χρησιμοποιείται ως εργαλείο σύνθεσης των διαφόρων κριτηρίων και παραμέτρων που ρυθμίζουν την αστροβιοτεχνολογική προοπτική και αντοχή των βιολογικών συστημάτων αλλά και ως εργαλείο συγκριτικής αξιολόγησης. Η χρήση μεθόδων τεχνητής νοημοσύνης και ασαφούς λογικής στην ποσοτικοποίηση της αστροβιοτεχνολογικής προοπτικής οργανισμών σε άλλο πλανήτη εφαρμόζεται, από όσο γνωρίζουμε, για πρώτη φορά.
Συγκεκριμένα στην παρούσα διατριβή επιχειρείται η συγκριτική αξιολόγηση της αστροβιοτεχνολογικής προοπτικής των λειχήνων με τη χρήση του μοντέλου ασαφούς λογικής ASTRALIFE (*Astrobiotechnological Assessment of Life using Fuzzy logic Evaluation) που είναι προγραμματισμένο σε περιβάλλον MATLAB.
Συνοπτικά η λειτουργία του μοντέλου μπορεί να περιγραφεί ως εξής: Από εκτεταμένη βιβλιογραφική έρευνα συλλέγονται μετρήσεις, εκτιμήσεις και γενικώς πληροφορίες σχετικές με την εξέλιξη μεγεθών τα οποία συνδέονται με το περιβάλλον, όπως θερμοκρασία, διαθεσιμότητα νερού, πίεση, οξυγόνο, ραδιενέργεια, διοξείδιο του άνθρακα κ.α. Τα μεγέθη αυτά ονομάζονται δείκτες επιβίωσης και αποτελούν τα δεδομένα εισόδου του συστήματος ASTRALIFE. Οι διαθέσιμες πληροφορίες για τους δείκτες αυτούς αναλύονται, και με τη βοήθεια ασαφούς λογικής και κανόνων γνώσης συντίθενται σε επιμέρους συνιστώσες διαστημικής αεϊφορίας, όπως η επιβίωση, η μεταφορά, η βιοτεχνολογική ικανότητα κ.α. που χρησιμοποιούνται ως μέτρο στη συνολική εκτίμηση της αστροβιοτεχνολογικής προοπτικής του εκάστοτε οργανισμού. Το αποτέλεσμα της αξιολόγησης με τη χρήση του μοντέλου είναι ο βαθμός αστροβιοτεχνολογικής προοπτικής, των υπό εξέταση οργανισμών στο διάστημα τιμών [0, 1], μέσω του οποίου μπορεί να προκύψει η συγκριτική αξιολόγηση των οργανισμών για τις ακραίες συνθήκες που ελέγχονται. Το μοντέλο είναι ανοικτό και μπορεί να δέχεται νέους δείκτες επιβίωσης και γνώση υπό τη μορφή νέων κανόνων ανοχής/ανθεκτικότητας.
Με την παραπάνω μεθοδολογία εξετάστηκαν συγκριτικά πέντε διαφορετικοί οργανισμοί, συγκεκριμένα δύο είδη λειχήνων και τρία taxa μικροβίων και επελέγησαν οκτώ δείκτες επιβίωσης που θεωρήθηκε ότι έχουν την πλέον σημαντική (θετική ή αρνητική) συμβολή. Από τη συγκριτική αξιολόγηση προέκυψε η υπεροχή των λειχήνων ως προς την αστροβιοβιοτεχνολογική προοπτική, κάτι που ανοίγει τον δρόμο για τη βιοτεχνολογική χρήση τους σε ειδικές αποστολές σε πλανήτες υψηλού ενδιαφέροντος ως προς τη ζωή που μπορεί να συντηρήσουν, όπως είναι ο πλανήτης Άρης.
Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε αποτελεί μια πρωτοποριακή προσέγγιση, που αναμένεται να επανεκκινήσει τη συζήτηση που αφορά τη θεωρία της επιβίωσης οργανισμών/συστημάτων οργανισμών στο διάστημα με παράλληλη χρήση τους σε βιοτεχνολογικές εφαρμογές και να αποτελέσει ένα πρακτικό εργαλείο που θα συμβάλλει στη λήψη σχετικών αποφάσεων.
(EL)
Every life form has range of tolerance to extreme environmental conditions. The open debate on climate change and the new technologies have led to many scientific fields in the study of organisms that are tolerant to extreme conditions. These studies usually focus on the tolerance of these organisms to extreme high or extreme low values of temperature, atmospheric pressure, radioactivity, humidity, and oxygen.
For many years it has been known that lichens are among the most interesting organisms that withstand extreme environmental conditions on Earth or possibly other planets such as Mars. Recently, however, it has been experimentally proven that lichens survive in extremely harsh environmental conditions, such as complete dehydration and extremely low temperature (-196oC/77oK) and most importantly that they retain their metabolism unchanged when they return to normal conditions (bio-regeneration) (Parasyri et al. 2018). Recently, experimental studies reveal that lichens have the ability to produce large amounts of hydrogen in anoxic conditions (Papazi et al. 2015), which is particularly important for energy autonomy. The two above discoveries, for first time demonstrated that the unprecedented poly-extremophile characteristic of lichens could be linked to biotechnological applications, following exposure to these extreme conditions maintained unchanged their ability to produce high yield of hydrogen. That opens the way for astrobiotechnological applications for these organisms. Thus, this work, exploiting these new experimental findings and moving around the basic question of space mission ― are there organisms or systems of organisms that will survive on another planet as on Mars and how one can control this possibility? ― uses the fuzzy logic to evaluate comparatively this new hypothesis for lichens.
The astrobiotechnological perspective and the extremophile behaviour of an organism is a multidimensional and vague notion that has so far no commonly accepted definition, with the result that it is defined by different criteria for which there is neither a single acceptance framework nor a measurement system.
In this work, fuzzy logic is used as a tool for synthesizing the various criteria and parameters that regulate the astrobiotechnological perspective and tolerance of biological systems in extraterrestrial environments, but also as a tool of comparative assessment. The use of artificial intelligence and fuzzy logic methods in the quantification of the astrobiotechnological perspective on another planet is being applied for the first time.
Specifically, this thesis attempts to benchmark the astrobiotechnological perspective of lichens using the ASTRALIFE (*Astrobiotechnological Assessment of Life using Fuzzy logic Evaluation) fuzzy logic model, which is programmed in a MATLAB environment.
In summary, the operation of the model started from extensive bibliographic research, measurements, estimates and generally information relating to the variability of environmental-related quantities, such as temperature, water, pressure, oxygen, radioactivity, carbon dioxide, and others. These variables are called survival indicators and are the inputs data of the ASTRALIFE model. The available information on these indicators is analysed and, with the help of fuzzy logic and knowledge rules, transformed into partial composed components of space sustainability, such as survival, transport and biotechnology, which are used for the measurement of the overall astrobiotechnological perspective of an organism. The result of the evaluation using the model is the degree of the astrobiotechnological perspective of the organisms under consideration in the interval [0, 1], through which the comparative assessment of organisms for the extreme conditions under control can be obtained. The model is open and it can incorporate new survival indicators and knowledge rules in the form of new standards of tolerance. Five different organisms that were formerly studied in astrobiological studies, namely two lichen species and three taxa microbes, were examined with the above methodology, and eight survival indices, considered to have the most significant (positive or negative) contribution, were selected. The comparative assessment has shown the lichens' superiority in the astrobiotechnological perspective, paving the way for their biotechnological use in special assignments on planets of high interest in life they can sustain, such as the planet Mars.
The methodology followed is a pioneering approach that is expected to relaunch the debate on the theory of organism/system survival on space while being used in biotechnological applications and to be a practical tool in decision making process.
(EN)
