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指向性パンスペルミアとは、微生物を意図的に宇宙空間に輸送し、他の天体に導入種として利用することを意味するパンスペルミアの一種である。
シュクロフスキーとサガン（1966年）とクリックとオーゲル（1973年）は、地球上の生命は他の文明によって意図的に種が蒔かれた可能性があると仮説を立てた。逆に、マウトナーとマトロフ（1979年）とマウトナー（1995年、1997年）は、人類は他の惑星系、原始惑星系円盤、または星形成雲に微生物を播種すべきだと提案した。指向性パンスペルミアの動機は、しばしば汎生物倫理[ 1 ]と、最後の手段としての実存的リスク軽減戦略[ 2 ]に由来する。しかし、より最近では、指向性パンスペルミアは、汚染と先住民の生命への干渉[ 3 ] 、野生動物の福祉に関する懸念[ 4 ] [ 3 ]、生殖倫理[ 4 ]の観点からも強く批判されており、特に、不確実な倫理的結果の文脈における不可逆性に関する懸念が強調されている[ 5 ] 。
太陽帆、精密な天体観測、太陽系外惑星の発見、極限環境微生物、微生物遺伝子工学の発展により、指向性パンスペルミアが実現可能になりつつある。
指向性パンスペルミアの概念の初期の例は、 1930年に初版が出版されたオラフ・ステープルドンの初期のSF作品『最後の人類と最初の人類』に遡ります。この作品では、太陽系が間もなく破壊されることを発見した最後の人類が、宇宙の潜在的に居住可能な領域に向けて微細な「新しい人類の種」を送る様子が詳細に描かれています。 [ 6 ]
1966年、シュクロフスキーとセーガンは、地球上の生命は他の文明による指向性パンスペルミアによって種が蒔かれた可能性があると推測し[ 7 ]、1973年にはクリックとオーゲルもこの概念について議論した[ 8 ] 。ベン・スタイン主演の物議を醸した2008年のドキュメンタリー「Expelled: No Intelligence Allowed 」で、リチャード・ドーキンスは指向性パンスペルミアを可能性のあるシナリオとして挙げ、科学者は人間の生物化学と分子生物学の中にその証拠が隠されているかもしれないと述べた[ 9 ]。逆に、マウトナーとマトロフは1979年に、そしてマウトナーは1995年と1997年に、他の惑星系、原始惑星系円盤、星形成雲への指向性パンスペルミアミッションによって有機遺伝子/タンパク質生命体を確保し拡大するための技術と動機を詳細に検討した。 [ 10 ] [ 11 ] [ 1 ] [ 12 ] 技術的側面としては、ソーラーセイルによる推進、目標地点での放射圧または粘性抵抗による減速、惑星によるコロニー形成微生物の捕獲などが挙げられる。考えられる反対意見としては、目標地点の局所的な生命に干渉する可能性があるという点があるが、局所的な生命、特に高度な生命がまだ始まっていない若い惑星系をターゲットにすることで、この問題は回避できる。[ 12 ]
指向性汎精子主義は、すべての地球上の生命の共通の遺伝的遺産を永続させたいという願望によって動機づけられている可能性がある。この動機は、自己増殖の共通の遺伝子/タンパク質パターンを重視する生物倫理[ 13 ] 、および宇宙における生命の確保と拡大を目指す汎生物倫理[ 1 ] [ 12 ]として定式化されている。
指向性パンスペルミアは、フォーマルハウト（25 ly（光年）離れた）やベータ・ピクトリス（63.4 ly）のような近隣の若い惑星系を対象とする可能性がある。これらの惑星系はどちらも降着円盤と彗星や惑星の兆候を示している。より適切なターゲットは、居住可能な天体を持つ近隣の恒星系を特定するケプラーミッションなどの宇宙望遠鏡によって特定される可能性がある。あるいは、指向性パンスペルミアは、局所的な生命の発生には若すぎる新しい星の集団（10万年から100万年の赤外線放射の若い星425個）を含む、ロー・オフィウキ雲複合体（427 ly）のような星形成星間雲を対象とする可能性がある。このような雲には、さまざまな密度の領域（拡散雲 < 暗い断片 < 高密度コア < 原始星凝縮 < 降着円盤）[ 14 ]があり、さまざまなサイズのパンスペルミアカプセルを選択的に捕獲できる可能性がある。
居住可能な天体や近傍の恒星のハビタブルゾーンは、 微生物カプセルを束ねてシールドした大型（10 kg）ミッションのターゲットとなる可能性がある。到着後、ペイロード内の微生物カプセルは軌道上に分散され、惑星に捕捉される可能性がある。あるいは、小型の微生物カプセルを大きな群れにして、居住可能な惑星、原始惑星系円盤、または星間雲内のさまざまな密度の領域に送ることもできる。微生物の群れは最小限のシールドを提供するが、特に大きな星間雲をターゲットにする場合、高精度のターゲティングは必要ない。[ 10 ]
パンスペルミア計画では、新しい生息地で生育できる微生物を届ける必要がある。それらは、目標惑星で大気圏に無傷で突入できる、10⁻¹⁰ kg、直径60 μmのカプセルに詰められて送られる可能性があり、各カプセルにはさまざまな環境に適した10万個の多様な微生物が含まれている。束ねられた大質量ミッションと微生物カプセル群の両方で、太陽 帆は恒星間航行のための最も単純な推進力を提供する可能性がある。[ 15 ] 球形の帆は、打ち上げ時と目標での減速時の両方で姿勢制御を回避する。
近傍の恒星系への複合シールドミッションの場合、厚さ10⁻⁷ m、面積密度0.0001 kg/m²のソーラーセイルが実現可能であり、セイル/ペイロード質量比が10:1であれば、そのようなセイルで可能な最大速度に近い出口速度が得られる。半径約540 m、面積10⁶ m²のセイルは、10 kgのペイロードに0.0005 c (1.5 × 10⁶ m²)の恒星間巡航速度を与えることができる。 1天文単位（au）から打ち上げられた場合、初速は5m /sとなる 。この速度では、フォーマルハウトまでの航海には5万 年、うお座ρ星雲までは82万4000 年かかる。
目標地点では、微生物ペイロードは10¹¹（1000億）個の30μm カプセルに分解し、捕獲確率を高めます。原始惑星系円盤や星間雲への群集戦略では、 半径1mm、4.2 × 10⁻⁶kgの微生物カプセルが、半径0.37m、面積0.42m²の4.2×10⁻⁵kgの帆を使用して1auから打ち上げられ、巡航速度0.0005cを達成します。目標地点では、各カプセルは10⁻¹⁰kg、半径30マイクロメートルの4,000個の送達用マイクロカプセルに分解し、惑星大気への無傷での突入を可能にします。[ 16 ]
成熟した惑星や恒星のハビタブルゾーンへの星間航行など、高密度ガス領域に遭遇しないミッションの場合、マイクロカプセルは半径1.8 mm、重量10⁻⁹ kgの帆を用いて1 auから直接打ち上げられ、0.0005 cの 速度に達し、放射圧によって減速されて目標地点で捕捉される。1 mmおよび30マイクロメートル半径の機体とペイロードは、バンドル型ミッションとスウォーム型ミッションの両方で多数必要となる。これらのカプセルとスウォーム型ミッション用の小型帆は、容易に大量生産できる。
パンスペルミア型宇宙船は、到着時の位置を予測する必要のある移動目標を標的とする。これは、測定された固有運動、距離、および宇宙船の巡航速度を使用して計算できる。位置の不確実性と目標物の大きさから、パンスペルミア型宇宙船が目標に到達する確率を推定できる。到着時のターゲットの(m)は、次の式で与えられる。は、対象物の固有運動の分解能（秒角/年）です。dは地球からの距離（m）であり、は車両の速度（m s − 1）です。[ 12 ]
位置の不確実性を考慮すると、車両は目標の予測位置を中心とした円状に散布して発射される可能性がある。カプセルが半径の目標領域に命中するために(m)は、目標散乱と目標領域の比率によって与えられる。
これらの式を適用するには、恒星の固有運動の天体位置測定精度が0.00001秒角/年、ソーラーセイルの速度が0.0005c （ 1.5 × 10⁵m /s ）となることが数十年以内に期待できる。選択した惑星系の場合、面積は は居住可能領域の幅を表す場合があり、星間雲の場合は、雲のさまざまな密度領域の大きさを表す場合がある。
太陽に似た恒星へのソーラーセイルミッションは、打ち上げとは逆の力学で放射圧によって減速する可能性がある。セイルは到着時に適切な向きにする必要があるが、球形セイルを使用すれば向きの制御は不要になる。探査機は、打ち上げ時とほぼ同じ半径距離（約1天文単位）で目標の太陽に似た恒星に接近する必要がある。探査機が軌道に捕捉された後、微生物カプセルは恒星を周回するリング状に分散され、その一部は惑星の重力捕獲領域内に入る可能性がある。惑星の降着円盤や星形成雲へのミッションは、粘性抵抗によって減速する。次の式で決定されるように、速度は、球状カプセルの半径、カプセルの密度とは媒体の密度です。
0.0005 c (1.5 × 10 5 m s − 1 )の速度で雲に進入する乗り物は、雲の中の粒子の典型的な速度である 2,000 m s − 1まで減速されたときに捕獲されます。カプセルのサイズは、星間雲内のさまざまな密度の領域で停止するように設計できます。シミュレーションによると、半径 35 μ mのカプセルは密度の高いコアで捕獲され、半径 1 mm のカプセルは雲内の原始星凝縮で捕獲されます。恒星の周りの降着円盤への接近に関しては、厚さ 1000 km の円盤面に 0.0005 cで進入するミリメートルサイズのカプセルは、円盤内100 km の地点で捕獲されます。したがって、1 mm サイズの物体は、新しい恒星の周りの原始惑星系円盤や星間雲内の原始星凝縮に種をまくのに最適かもしれません。 [ 12 ]
捕獲されたパンスペルミアカプセルは塵と混ざり合います。塵の一部と捕獲されたカプセルの比例した割合が天体に届けられます。ペイロードをデリバリーマイクロカプセルに分散させることで、一部が居住可能な天体に届けられる可能性が高まります。半径0.6～60μmの粒子は、惑星や衛星への大気圏突入時に有機物を保存するのに十分な低温を維持できます。[ 16 ]したがって、粘性媒体で捕獲された1mm 、4.2 × 10⁻⁶kgのカプセルは、半径30μmのデリバリーマイクロカプセル42,000個に分散させることができ、各マイクロカプセルの重量は10⁻¹⁰kgで、10万個の微生物が含まれています。これらの物体は、恒星からの放射圧によって塵雲から放出されることはなく、塵と混ざったままになります。[ 17 ] [ 18 ] 捕獲された微生物カプセルを含む塵の一部は、惑星や衛星に捕獲されるか、彗星に捕獲されて後に惑星に運ばれる。捕獲される確率は、 は、太陽系内の惑星や衛星による惑星間塵粒子の捕獲など、同様のプロセスから推定できます。太陽系では、彗星のアブレーションによって維持される黄道雲の 10 −5と、小惑星の破片の同様の割合が地球に収集されます。[ 19 ] [ 20 ] 最初に打ち上げられたカプセルが惑星（または天体）に捕獲される確率は、以下の式で与えられる。はカプセルが目標の降着円盤または雲領域に到達する確率であり、これは、この領域から惑星が捕獲される確率です。
確率これは、カプセルと塵の混合比率、および惑星に運ばれる塵の割合に依存します。これらの変数は、惑星の降着円盤や星間雲の様々な領域における捕獲について推定することができます。
選択された隕石の組成を決定した後、宇宙生態学者は実験室で実験を行い、多くのコロニー形成微生物と一部の植物が、化学栄養素の大部分を小惑星や彗星の物質から得ることができることを示唆した。[ 21 ]しかし、科学者たちは、リン酸塩（PO4）と硝酸塩（NO3-N）が多くの地球上の生命体の栄養を決定的に制限していることに気づいた。 [ 21 ]ミッションを成功させるには、目標天体で生命を始動させる合理的な可能性を得るために、十分なバイオマスを打ち上げて捕獲する必要がある。楽観的な要件は、それぞれ10万個の微生物が入った100個のカプセルを惑星が捕獲し、合計1000万個の生物と総バイオマス10-8 kgを得ることである。
ミッションを成功させるために必要なバイオマスは、次の式で与えられます。 mバイオマス(kg) = 10 −8 / P惑星 上記の式を、通過速度が 0.0005 c の Pターゲット、ターゲットまでの既知の距離、およびターゲット領域のダストの質量に使用すると、成功の見込みのために打ち上げる必要があるバイオマスを計算できます。 これらのパラメータを使用すると、わずか 1 グラムのバイオマス (10 12 個の微生物) で Alpha PsA に種を蒔くことができ、4.5グラムで Beta Pictoris に種を蒔くことができます。 Rho Ophiuchi 雲複合体 には、主に距離が大きいため、より多くのバイオマスを打ち上げる必要があります。 原始星凝縮または降着円盤に種を蒔くには、300 トン程度のバイオマスを打ち上げる必要がありますが、 Rho Ophiuchi 雲複合体の若い恒星天体に種を蒔くには 200 キログラムで十分です。
したがって、必要な物理的耐性範囲（例えば、成長温度、宇宙放射線遮蔽、大気、重力）が満たされている限り、地球上で生存可能な生命体は、この惑星系や他の惑星系において、水を含む小惑星や惑星物質によって化学的に栄養を与えられる可能性がある。[ 21 ]
種を蒔く生物は、目標とする環境で生存・増殖し、生存可能な生物圏を確立する必要がある。新たな生命の系統の中には、銀河系における生命のさらなる拡大をもたらす知的な生命体へと進化するものもあるかもしれない。メッセンジャー微生物は多様な環境を見つける可能性があり、高温、低温、高酸性、高塩分、低栄養、乾燥環境、放射線耐性など、さまざまな耐性を持つ極限環境微生物が必要となる。遺伝子工学によって、複数の耐性を持つ多極限環境微生物を作り出すことができるかもしれない。目標とする大気は酸素が不足している可能性が高いため、コロニー形成生物には嫌気性微生物を含めるべきである。コロニーを形成する嫌気性シアノバクテリアは、後に地球で起こったように、より高度な進化に必要な大気中の酸素を確立する可能性がある。生物ペイロードに含まれる好気性微生物は、カプセルを捕獲・保存した彗星によって、条件が整った際に天体に届けられる可能性がある。
真核微生物の発達は、地球上での高等進化における大きなボトルネックでした。ペイロードに真核微生物を含めることで、この障壁を回避できます。多細胞生物はさらに望ましいですが、バクテリアよりもはるかに重いため、送れる数は少なくなります。丈夫なクマムシは適しているかもしれませんが、節足動物に似ており、昆虫へと進化する可能性があります。ワムシの体構造は、ワムシが恒星間航行に耐えられるように強化できれば、より高等な動物へと進化する可能性があります。
降着円盤に捕らえられた微生物やカプセルは、塵とともに小惑星に取り込まれることがあります。水質変質中、小惑星には水、無機塩、有機物が含まれており、隕石を用いた宇宙生態学実験では、藻類、細菌、菌類、植物培養物がこれらの媒体中で小惑星内で生育できることが示されています。[ 22 ] 微生物はその後、降着する太陽星雲内で広がり、彗星や小惑星によって惑星に運ばれます。微生物は、惑星の局所的な環境や栄養素に適応するまで、運搬する彗星や小惑星の栄養素で、水質の惑星環境で生育することができます。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]
1979年以降、多くの出版物が、地球上のすべての生命の起源は指向性パンスペルミア説によるものであると提唱してきた。これは、仮説上の祖先が最初の微生物のゲノムまたは遺伝暗号に意図的に植え付けた特徴的な「署名」メッセージが見つかれば可能になるという考えに基づいている。 [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] 2013年には、物理学者のチームが、遺伝暗号の中に数学的および記号論的なパターンを発見したと主張し、それがそのような署名の証拠であると信じている。[ 28 ] [ 29 ] この主張は、その後の研究によって裏付けられておらず、より広い科学界にも受け入れられていない。率直な批判者の一人である生物学者のPZ Myersは、 Pharyngula誌に次のように書いている。
残念ながら、彼らが正直に説明した内容は、昔ながらの正直なゴミです...彼らの方法は、遺伝暗号におけるよく知られた機能的関連性を認識できませんでした。彼らは、設計を誤って推論する前に、自然法則の作用を排除しませんでした...私たちは、パンスペルミア説を持ち出す必要は全くありません。遺伝暗号には設計を必要とするものはなく、著者らはそうでないことを証明していません。[ 30 ]
後の査読付き論文で、著者らは広範な統計的検定で自然法則の作用について論じ、前の論文と同じ結論を導き出している。[ 31 ]また、特別なセクションでは、PZ Myers や他の何人かが提起した方法論上の懸念についても議論している。
重要な点として、パンスペルミア計画は現在または近い将来の技術で実施可能です。ただし、より高度な技術が利用可能になった際には、それらも使用される可能性があります。指向性パンスペルミア計画の生物学的側面は、遺伝子工学によって、多様な天体環境に適した、強靭な多極限環境微生物や多細胞生物を生成することで改善できる可能性があります。放射線耐性が高く、シアノバクテリアと自己維持可能な生態系を形成できる強靭な多極限環境嫌気性多細胞真核生物は、生存と高度な進化に必要な特性を理想的に兼ね備えていると言えるでしょう。
高度なミッションでは、地球上のレーザーで加速されたビーム推進を使用するイオン推進器またはソーラーセイルにより、最大0.01c（3 × 10⁸）の速度を達成できます。 ロボットは航行中のナビゲーションを提供したり、放射線による損傷を修復するために輸送中に凍結された微生物を定期的に蘇生させたり 、適切な標的を選択したりすることができる。これらの推進方法とロボット技術は現在開発中である。
微生物ペイロードは、星間空間に向かう双曲型彗星にも植え付けられる可能性がある。この戦略は、ホイルとウィクラマシンゲが提唱した、彗星による自然なパンスペルミアのメカニズムに基づいている。[ 32 ] 微生物は、数ケルビンの星間温度で彗星内に凍結され、何億年もの間放射線から保護される。放出された彗星が別の惑星系に捕獲される可能性は低いが、太陽への近日点接近時に微生物を増殖させ、その後彗星を分裂させることで、その確率を高めることができる。 半径1kmの彗星からは4.2 × 10個の微生物が得られる。12キログラムの破片を種として与え、彗星を回転させると、これらの遮蔽された氷の物体がランダムな方向に銀河に放出される。これにより、単一の彗星による輸送と比較して、別の惑星系で捕獲される確率が 1 兆倍に増加する。 [ 10 ] [ 1 ] [ 12 ] このような彗星の操作は、投機的な長期的な展望である。
ドイツの物理学者クラウディウス・グロスは、ブレークスルー・スターショット計画で開発された技術を、それまで一時的にしか居住不可能だった天体に単細胞微生物の生物圏を確立するための第2段階として利用できると提案している。[ 33 ]この計画、ジェネシス計画の目的は、地球の先カンブリア時代に相当する段階まで進化を加速させることである。 [ 34 ]グロスは、微生物のその場での細胞合成のために小型遺伝子実験室を備えた低質量プローブを使用することで、ジェネシス計画は50～100年以内に実現可能だと主張している。[ 35 ] [ 36 ]ジェネシス計画は、指向性パンスペルミア説を真核生物にまで拡張し、複雑な生命は稀である可能性が高く、細菌生命は稀ではないと主張している。[ 38 ] 2020年、理論物理学者のアヴィ・ローブは、生命の種を製造できる同様の3Dプリンターについてサイエンティフィック・アメリカン誌に寄稿した。[ 39 ]
指向性パンスペルミアは、有機遺伝子/タンパク質生命のファミリーを確保し拡大することを目的としている。これは、すべての地球上の生命の共通の遺伝的遺産を永続させたいという願望によって動機づけられている可能性がある。この動機は、有機生命の共通の遺伝子/タンパク質パターンを重視する生物倫理[ 13 ]、および宇宙における生命を確保し拡大することを目指す汎生物倫理[ 1 ] [ 12 ]として定式化されている。
分子生物学は、すべての細胞生命に共通する複雑なパターン、共通の遺伝暗号、そしてそれをタンパク質に翻訳する共通のメカニズムを示しており、タンパク質はDNA暗号の複製を助けます。また、エネルギー利用と物質輸送の基本的なメカニズムも共有されています。これらの自己増殖パターンとプロセスは、有機遺伝子/タンパク質生命の中核です。生命は、この複雑さと、生命の存在を可能にする物理法則の正確な一致によって独自性を持っています。また、自己増殖の追求も生命に特有のものであり、これは生命を確保し拡大するという人間の目的を意味します。これらの目標は宇宙で最もよく確保され、この未来を確保することを目的とした汎生物倫理を示唆しています。[ 10 ] [ 1 ] [ 12 ] [ 13 ]
指向性パンスペルミアは、標的の局所的な生命に干渉する可能性がある。[ 40 ]コロニーを形成する微生物は、資源をめぐって局所的な生命と競合したり、局所的な生物に感染して害を与えたりする可能性がある。しかし、局所的な生命、特に高度な生命がまだ出現していない可能性のある、新たに形成される惑星系、降着円盤、星形成雲を標的にすることで、この可能性を最小限に抑えることができる。根本的に異なる局所的な生命が存在する場合、コロニーを形成する微生物はそれを害しない可能性がある。局所的な有機遺伝子/タンパク質生命が存在する場合、コロニーを形成する微生物と遺伝子を交換し、銀河の生物多様性を高める可能性がある。
もう一つの反対意見は、宇宙空間は科学研究のために手つかずのまま残しておくべきであり、惑星隔離の理由となるというものだ。しかし、指向性パンスペルミアによって到達できるのはせいぜい数百個の新しい恒星だけであり、それでもなお1000億個の恒星が生命活動や研究のために手つかずのまま残されることになる。技術的な反対意見としては、長距離の恒星間航行中にメッセンジャー生物が生存できるかどうかが不確実であるという点がある。これらの疑問に対処するには、シミュレーションによる研究と、耐久性の高い植民者の開発が必要である。
指向性パンスペルミアを行うことに対する3つ目の反論は、野生動物は平均的に生きる価値のある人生を送っていないため、生命を広めることは道徳的に間違っているという見解に基づいている。Yew -Kwang Ngはこの見解を支持している。[ 41 ]細部に注意を払うことで最小限に抑えることができる上記の2つの反論とは異なり、生命が植えられた世界で進化がどのように進むかを遠隔から影響を与えることは現在知られていない。O'Brienは、この惑星の野生動物の間での多くの苦しみはおそらく自然選択による進化の働き方の結果であり、したがって進化の過程は、生命が進化する場所であればどこでも、いずれ同様の苦しみをもたらす可能性が高いと主張している。[ 42 ]シブラはこの問題のあらゆる側面について議論し、「…反対に遭うリスクは深刻な倫理的問題を構成する。惑星の種まきは、個人の道徳理論によっては極めて良いことかもしれないし、道徳的大惨事かもしれない。この窮地に対する満足のいく解決策が見つかるまでは、人類は宇宙の保全行為を控えるべきだ」と結論付けている。[ 3 ]さらに、将来作られる生物圏が地球上の生命が被ってきた以上の苦難を被らないという保証はない。
1993年に放送された『新スタートレック』のエピソード「追跡」の中心テーマは、古代の意図的なパンスペルミア運動の発見である。物語の中で、ピカード艦長は、亡くなった考古学教授の最後の研究を完成させるために奮闘する。その教授、ガレンは、 19の惑星の原始的な遺伝物質に埋め込まれたDNA断片を再構成することで、コンピューターアルゴリズムを組み立てることができることを発見していた。ガレンの研究の手がかりを探るカーダシア、クリンゴン、ロミュランの探検隊との競争（そして後に渋々協力）の中、エンタープライズ号の乗組員は、 40億年前に異星人の祖先種族が実際に多くの星系に遺伝物質を散布し、それによって多くの人型生物の進化を方向づけていたことを発見する。
指向性パンスペルミアのバリエーションは、アニメ「新世紀エヴァンゲリオン」[ 43 ]やリドリー・スコット監督の2012年のSF映画「プロメテウス」[ 44 ]のプロットにも含まれていた。
