宇宙生態学

宇宙生態学は、生物と宇宙環境 の相互作用に関する学問です。惑星、小惑星、彗星、さまざまな恒星の周り、銀河、宇宙における生命の資源を研究します。その結果、惑星から銀河、宇宙規模までの生命の将来の見通しを予測することができます。^{[1] [2] [3]}

利用可能なエネルギー、微小重力、放射線、圧力、温度は、宇宙生態学に影響を与える物理的要因です。自然パンスペルミアや指向性パンスペルミアなど、生命が宇宙環境に到達する方法も考慮されます。^{[4] [5] [6] [7] [8]}さらに、人類の宇宙進出と指向性パンスペルミアには、生命を中心とした生命倫理、汎生命倫理、惑星生命倫理による動機も関連しています。^{[7] [8] [9]}

「アストロエコロジー」という用語は、生命維持に有利な潜在的な資源を評価するために、実際の隕石を研究する文脈で初めて使用されました。 ^{[1]初期の結果では、隕石/小惑星の物質は、地球の大気圏下で水を補給すれば、}微生物、藻類、植物の培養を支えることができることが示されました。

いくつかの観測結果から、地球で採取された隕石に似た多様な惑星物質は、水と大気が補充されると微生物の生命を支える栄養素を提供するため、農業用土壌として利用できる可能性があることが示唆されている。^{[1]実験的宇宙生態学は、惑星物質を宇宙生物学探査のターゲットとして、また潜在的な生物学的原位置資源として評価するために提案されている。 [1]惑星物質の生物学的肥沃度は、水抽出可能な}電解質栄養素を測定することで評価できる。この結果は、炭素質小惑星と火星玄武岩が、太陽系内の相当数の生物集団にとっての将来の潜在的資源となり得ることを示唆している。^[1]

隕石中の必須栄養素（C、N、P、K ）の分析により、小惑星資源から構築できるバイオマスの量を計算するための情報が得られました。 ^[1]たとえば、炭素質小惑星には約10 ²² kgの潜在的な資源物質が含まれていると推定されており、^{[10] [11] [ 12] [13] [14] [15] 、実験結果では、6·10 20} kgのオーダーのバイオマスが得られる可能性があることが示唆されており、これは現在地球上にある生物物質の約10万倍です。^[2]

生物圏における生命の潜在的量を定量化するために、理論的な宇宙生態学では、生物圏の存続期間中のバイオマスの量を推定しようと試みる。資源と潜在的な時間積分バイオマスは、惑星系、恒星の周りの居住可能領域、銀河と宇宙について推定された。^{[2] [3]}このような宇宙生態学の計算によると、推定10 ²² kgの炭素質小惑星に含まれる窒素とリンという制限元素は、太陽の予想される将来50億年間で6.10 20 kgのバイオマスを支えることができ、太陽系における将来^の時間積分バイオタ（BIOTA 、キログラム年で測定されるバイオマス積分値）は3.10 30 ^kg年となり、[ ^{1] [2] [3]}現在までの地球上の生命の10万倍となる。 100 W kg ^-1のバイオマスという生物学的要件を考慮すると、赤色巨星、白色矮星、赤色矮星の放射エネルギーは、銀河では最大10 ⁴⁶ kg年、宇宙では最大10 ⁵⁷ kg年の時間積分BIOTAを支えることができる可能性がある。 ^[2]

このような宇宙生態学の考察は、将来の宇宙生命の莫大な可能性を定量化し、それに見合った生物多様性とおそらくは知性をもたらします。^{[2] [3]} 炭素質コンドライト隕石の化学分析では、抽出可能な生体利用可能な水、有機炭素、必須のリン酸、硝酸塩、カリウム栄養素が含まれていることが示されています。^{[16] [17] [18]}その結果、親小惑星や惑星の土壌の肥沃度と、それらが維持できるバイオマスの量を評価することができます。^{[1] [18]}

実験室での実験では、マーチソン隕石の物質を細かい粉末にし、地球の水と空気と混ぜると、細菌（ノカルジア・アステロイデス）、藻類、ジャガイモやアスパラガスなどの植物培養物を含むさまざまな生物を支える栄養素を提供できることが示されました。^[18]微生物は炭素質隕石の有機物を炭素源として利用しました。藻類と植物培養物は、生物利用可能なリン酸含有量が高いため、火星隕石でもよく育ちました。^[1]火星の物質は、生産性の高い農業用土壌に匹敵する土壌肥沃度を達成しました。^{[1]これは、}火星のテラフォーミングに関連するデータを提供します。^[19]

このような実験では、比較のため、また宇宙環境が微生物に与える影響をテストするために、惑星物質の地上類似物も使用されます。^[20]

資源から構築できるバイオマスは、資源材料とバイオマスの元素濃度を比較することによって計算できます（式1）。^{[1] [2] [3]}特定の質量の資源材料（m _resource ）は、元素X （ Xを制限栄養素と見なす）を含むバイオマスm _{biomass, X}をサポートできます。ここで、 c _{resource, X は}資源材料中の元素Xの濃度（単位質量あたりの質量） 、 c _{biomass, X}はバイオマス中のその濃度です。

${\displaystyle m_{バイオマス,\,X}=m_{資源,\,X}{\frac {c_{資源,\,X}}{c_{バイオマス,\,X}}}}$ （１）

100,000 kg のバイオマスが 1 人の人間を支えると仮定すると、小惑星は約 6e15 (6 兆兆) 人を支えられる可能性があり、これは地球 100 万個 (現在の人口の 100 万倍) に相当します。^[要出典]彗星内の同様の物質は、約 100 倍のバイオマスと人口を支えることができます。^[要出典] 太陽エネルギーは、太陽の予測される今後 50 億年間、これらの人口を支えることができます。これらの考慮から、太陽系における時間積分された最大のバイオタは3e30 kg 年になります。太陽が白色矮星になった後、^[21]および他の白色矮星は、はるかに長い期間、何兆年もの間、生命にエネルギーを提供できます。^[22] (表 2)

宇宙生態学では、生物物質の宇宙への漏出などの無駄も問題にしています。これにより、宇宙ベースのバイオマス^{[2] [3]}が式(2)で示されるように指数関数的に減少します。ここで、M（バイオマス0）は元のバイオマスの質量、kはその減少率（単位時間あたりに失われる割合）、バイオマスtは時間t後の残りのバイオマスです。

方程式2: ${\displaystyle M_{バイオマス}(t)=M_{バイオマス}(0)e^{-kt}\,}$

時刻ゼロから無限大までの積分は、このバイオマスによって寄与される時間積分バイオマス（BIOTA）の合計に対する式（3）を与える。

式3: ${\displaystyle BIOTA={\frac {M_{バイオマス}(0)}{k}}}$

例えば、バイオマスの0.01%が1年に失われると、時間積分されたBIOTAは10,000となる。小惑星資源から構築された6·10 ^{20 kgのバイオマスの場合、太陽系では6·10 24} kg-年のBIOTAが得られる。この小さな損失率であっても、太陽系の生命は数十万年で消滅し、主系列太陽の下での潜在的な総時間積分BIOTA 3·10 ^{30 kg-年は5·10 5}倍に減少するが、それでも1.2·10 ^12人のバイオマスに支えられた人類という相当数の人口が太陽の居住可能な寿命を通じて存在できる。^{[2] [3]} 統合バイオマスは、その散逸率を最小化することで最大化できる。この速度を十分に低下させることができれば、構築されたバイオマスはすべて生息地の存続期間中持続することができ、バイオマスをできるだけ早く構築することが有益です。ただし、消散速度が著しい場合は、バイオマスの構築速度とその定常状態の量が低下し、生息地の存続期間中、定常状態のバイオマスと個体群が持続する可能性があります。 ${\displaystyle M_{バイオマス}(0)}$

ここで問題となるのは、急速に消滅する膨大な数の生命体を作るべきか、それともより少ないながらもより長く存続する大きな集団を作るべきか、という点である。生命中心の生物倫理は、生命は可能な限り長く存続すべきであると示唆している。^[9]

生命が銀河規模に達すると、テクノロジーはすべての物質資源にアクセスできるようになり、持続可能な生命は利用可能なエネルギーによって定義されるようになります。^[2]その場合、任意の恒星の最大バイオマス量は、バイオマスのエネルギー要件と恒星の光度によって決まります。 ^{[2] [3]}たとえば、1 kg のバイオマスに 100 ワットが必要な場合、さまざまなエネルギー出力を持つ恒星が維持できる定常バイオマス量を計算できます。これらの量に恒星の寿命を掛けると、恒星の寿命にわたる時間積分BIOTA が計算されます。 ^{[2] [3]}同様の予測を使用して、将来の生命の潜在的な量を定量化できます。^[2]

太陽系については、その起源から現在まで、過去 40 億年間の現在の 10 ¹⁵ kg のバイオマスは、時間積分バイオマス ( BIOTA ) が 4.10 ²⁴ kg-年になります。これと比較して、 10 ^{22 kg の小惑星に含まれる炭素、}窒素、リン、水は、太陽の今後 50 億年間のエネルギーで維持できる6.10 20 kg のバイオマスとなり^、太陽系では3.10 ^{30 kg-年、銀河系の 10 11個の}恒星では 3.10 39 kg-年になります。彗星の物質は、バイオマスと時間積分BIOTA を100 倍も大きくする可能性があります。

その後、太陽は白色矮星となり、10 ^{15ワットを放射して、10 20}億年という膨大な年月にわたって 1e13 kg のバイオマスを維持し、時間積分したバイオマス (BIOTA ) を 10 ³³年供給します。この時期に銀河系内に存在する可能性のある10 ^{12 個の白色矮星は、時間積分したバイオマス}(BIOTA)を 10 ⁴⁵ kg 年供給できます。明るさが 10 ²³ワットで寿命が 10 ¹³年の赤色矮星はそれぞれ 10 ³⁴ kg 年を供給でき、10 ^{12 個の赤色矮星は 10 46} kg 年を供給でき、褐色矮星は10 ³⁹ kg 年の時間積分したバイオマス ( BIOTA ) を銀河系内に供給できます。合計すると、10 ²⁰年間の星のエネルギー出力は、銀河系内で約 10 ⁴⁵ kg-年の時間積分バイオマスを維持できます。これは、現在までに地球上に存在した生命の 10 兆 (10 ²⁰ ) 倍に相当します。宇宙では、10 ^{11 個の銀河の星が 10 57} kg-年の生命を維持できます。

上記のアストロエコロジーの結果は、人類が宇宙旅行や指向性パンスペルミアを通じて銀河系の生命を拡大できることを示唆している。^{[23] [24]アストロエコロジーによって予測される、銀河系で確立できる可能性のある生命の量は膨大である。これらの予測は}ビッグバン以降の過去150億年に関する情報に基づいていますが、居住可能な未来ははるかに長く、数兆年にわたります。したがって、物理学、アストロエコロジーのリソース、およびいくつかの宇宙論的シナリオにより、組織化された生命は、速度がますます遅くなるとはいえ、無期限に存続する可能性があります。^{[25] [26]}これらの見通しは、アストロエコロジーを宇宙エコロジーとして長期的に拡張することで対処できる可能性があります。

• 生命倫理
• 宇宙論
• 隕石

• 宇宙生態学 / 宇宙における生命の拡大の科学
• 宇宙倫理学 / 宇宙における生命拡大の倫理
• パンスペルミア社会 / 宇宙での生命拡大の科学と倫理