Астроэкология - Astroecology

Астроэкология касается взаимодействия биота с Космос среды. Он изучает ресурсы для жизнь на планеты, астероиды и кометы, вокруг различных звезды, в галактики, а в вселенная. Полученные результаты позволяют оценить дальнейшие перспективы жизни, начиная с планетарный к галактический и космологический напольные весы.[1][2][3]

Имеется в наличии энергия, и микрогравитация, радиация, давление и температура физические факторы, влияющие на астроэкологию. Пути, которыми жизнь может достичь космическая среда, включая естественная панспермия и направленная панспермия также считаются.[4][5][6][7][8] Кроме того, для экспансии человека в космос и направленной панспермии мотивация жизненно важна. биотическая этика, панбиотическая этика и планетарная биоэтика также актуальны.[7][8][9]

Обзор

Термин «астроэкология» впервые был применен в контексте проведения исследований в реальных условиях. метеориты оценить свои потенциальные ресурсы, благоприятные для поддержания жизни.[1] Первые результаты показали, что материалы метеорита / астероида могут поддерживать микроорганизмы, водоросли и растение культур в атмосфере Земли и с добавлением воды.

Несколько наблюдений предполагают, что различные планетные материалы, подобные метеоритам, собранным на Земле, можно использовать в качестве сельскохозяйственных почв, поскольку они обеспечивают питательные вещества для поддержания микроскопической жизни при добавлении воды и атмосферы.[1] Экспериментальная астроэкология была предложена для оценки планетных материалов как целей для астробиологических исследований и потенциальных биологических ресурсов на месте.[1] Биологическую ценность планетарных материалов можно оценить, измерив извлекаемые водой электролит питательные вещества. Результаты показывают, что углеродистые астероиды и марсианин базальты могут служить потенциальными будущими ресурсами для значительных биологических популяций в Солнечная система.[1]

Анализ основных питательные вещества (C, N, п, K ) в метеоритах дала информацию для расчета количества биомасса которые можно построить из ресурсов астероидов.[1] Например, углеродистые астероиды по оценкам, содержат около 1022 кг потенциальных ресурсных материалов,[10][11][12][13][14][15] и лабораторные результаты показывают, что они могут давать биомассу порядка 6 · 1020 кг, что примерно в 100 000 раз больше, чем биологическое вещество, находящееся в настоящее время земной шар.[2]

Культуры на смоделированных материалах астероидов / метеоритов

Чтобы количественно оценить потенциальное количество жизни в биосферах, теоретическая астроэкология пытается оценить количество биомассы в течение периода жизни. биосфера. Ресурсы и потенциальная интегрированная во времени биомасса были оценены для планетные системы, за жилые зоны вокруг звезды, а для галактика и вселенная.[2][3] Такие астроэкологические расчеты показывают, что ограничивающие элементы азот и фосфор примерно в 1022 кг углеродистых астероидов может поддерживать 6 · 1020 кг биомассы на ожидаемые пять миллиардов будущих лет солнце, давая будущее интегрированное во времени БИОТА (БИОТА, Bйомасса яинтегрированный Овер Твремя Ав наличии, измеряется в килограмм-годах) 3 · 1030 кг-лет в Солнечной системе,[1][2][3] в сто тысяч раз больше, чем на Земле на сегодняшний день. С учетом биологических требований 100 Вт кг−1 биомасса, излучаемая энергия около красный гигант звезды и белый и красный карлик звезды могут поддержать интегрированный во времени БИОТА до 1046 кг-лет в галактике и 1057 кг-лет во Вселенной.[2]

Такие соображения астроэкологии позволяют количественно оценить огромные возможности будущей жизни в космосе с соразмерными биоразнообразие и, возможно, интеллект.[2][3] Химический анализ из углистый хондрит метеориты показывают, что они содержат экстрагируемые биодоступные воды, органический углерод, и существенный фосфат, нитрат и калий питательные вещества.[16][17][18] Результаты позволяют оценить удобрение почвы родительских астероидов и планет, а также количество биомассы, которую они могут выдержать.[1][18]

Лабораторные эксперименты показали, что материал из Метеорит Мерчисон при измельчении в мелкий порошок и в сочетании с земной водой и воздухом может обеспечить питательные вещества для поддержки различных организмов, включая бактерии (Nocardia asteroides ), водоросли и культуры растений, такие как картофель и спаржа.[18] Микроорганизмы использовали органические вещества из углеродистых метеоритов в качестве источника углерода. Водоросли и растения также хорошо росли на марсианских метеоритах из-за высокого содержания в них биологически доступных фосфатов.[1] Марсианские материалы достигли рейтинга плодородия почвы, сопоставимого с продуктивными сельскохозяйственными почвами.[1] Это предлагает некоторые данные, относящиеся к терраформирование Марса.[19]

Земные аналоги планетарных материалов также используются в таких экспериментах для сравнения и проверки воздействия космических условий на микроорганизмы.[20]

Биомассу, которую можно построить из ресурсов, можно рассчитать, сравнивая концентрацию элементов в ресурсных материалах и в биомассе (уравнение 1).[1][2][3] Заданная масса ресурсных материалов (мресурс) может поддерживать мбиомасса, X биомассы, содержащей элемент Икс (учитывая Икс как лимитирующее питательное вещество), где cресурс, X - концентрация (масса на единицу массы) элемента Икс в справочном материале и cбиомасса, X его концентрация в биомассе.

(1)

Предполагая, что 100 000 кг биомассы поддерживают одного человека, астероиды могут поддерживать около 6-15 (шесть миллионов миллиардов) человек, что равно миллиону Земель (в миллион раз больше нынешнего населения).[нужна цитата ] Подобные материалы в кометах могут поддерживать биомассу и население примерно в сто раз больше.[нужна цитата ] Солнечная энергия может поддерживать эти популяции в течение следующих пяти миллиардов лет существования Солнца. Эти соображения позволяют получить максимально интегрированный по времени БИОТА 3e30 кг-лет в Солнечной системе. После того, как Солнце станет белым карликом,[21] и другие белые карлики, могут давать энергию для жизни гораздо дольше, на триллионы эонов.[22] (Таблица 2)

Последствия потерь

Астроэкология также касается потерь, таких как утечка биологической материи в космос. Это вызовет экспоненциальный спад космической биомассы.[2][3] как задано уравнением (2), где M (биомасса 0) - масса исходной биомассы, k - скорость его распада (доля, теряемая за единицу времени) и биомасса т остающаяся биомасса через время т.

Уравнение 2:

Интегрирование от нуля до бесконечности дает уравнение (3) для общей интегрированной во времени биомассы (БИОТА), внесенные этой биомассой:

Уравнение 3:

Например, если 0,01% биомассы теряется в год, то интегрированный по времени БИОТА будет 10 000. Для 6 · 1020 кг биомассы, созданной из ресурсов астероидов, дает 6 · 1024 кг-лет БИОТА в Солнечной системе. Даже при такой небольшой скорости утраты жизнь в Солнечной системе исчезнет через несколько сотен тысяч лет, а потенциальная совокупная интегральная по времени БИОТА из 3 · 1030 кг-лет под Солнцем главной последовательности уменьшились бы в 5 · 10 раз.5, хотя численность населения по-прежнему значительна - 1,2 · 1012 Люди, поддерживающие биомассу, могли существовать в течение пригодной для жизни продолжительности жизни Солнца.[2][3] Интегрированная биомасса может быть максимизирована путем минимизации скорости ее рассеивания. Если этот показатель может быть уменьшен в достаточной степени, всей созданной биомассы может хватить на все время существования среды обитания, и стоит построить биомассу как можно быстрее. Однако, если скорость рассеивания значительна, скорость создания биомассы и ее стационарные количества могут быть снижены, что позволяет поддерживать стабильную биомассу и популяцию на протяжении всего жизненного цикла среды обитания.

Возникает вопрос, должны ли мы строить огромное количество быстро распадающейся жизни или меньшие, но все же большие популяции, которые живут дольше. Биотическая этика, ориентированная на жизнь, предполагает, что жизнь должна длиться как можно дольше.[9]

Галактическая экология

Если жизнь достигнет галактических размеров, технологии должен иметь доступ ко всем материальным ресурсам, и устойчивый образ жизни будет определяться доступной энергией.[2] Максимальное количество биомассы вокруг любой звезды определяется энергетическими потребностями биомассы и яркость звезды.[2][3] Например, если для 1 кг биомассы требуется 100 Вт, мы можем рассчитать стационарные количества биомассы, которые могут выдерживать звезды с различной выходной энергией. Эти суммы умножаются на время жизни звезды для расчета интегрированного по времени БИОТА за время жизни звезды.[2][3] Используя аналогичные прогнозы, можно затем количественно оценить потенциальное количество будущей жизни.[2]

Для Солнечной системы от ее истоков до наших дней нынешние 1015 кг биомассы за последние четыре миллиарда лет дает интегрированную во времени биомассу (БИОТА) из 4 · 1024 кг-лет. Для сравнения: углерод, азот, фосфор и вода в 1022 кг астероидов позволяет 6 · 1020 кг биомассы, которую можно поддерживать за счет энергии в течение 5 миллиардов будущих лет Солнца, что дает БИОТА из 3 · 1030 кг-лет в Солнечной системе и 3 · 1039 кг-лет около 1011 звезды в галактике. Материалы в кометах могут давать биомассу и интегрированные во времени БИОТА в сто раз больше.

Тогда Солнце станет белый Гном звезда, излучающая 1015 Ватт, который поддерживает 1–13 кг биомассы на огромные сотни миллионов триллионов (1020) лет, составляя интегрированный во времени БИОТА из 1033 годы. 1012 белые карлики, которые могут существовать в галактике в это время, могут внести вклад в интегрированный по времени БИОТА из 1045 кг-лет. Красные карлики со светимостью 1023 Ватт и срок службы 1013 лет могут внести свой вклад 1034 кг-лет каждый, и 1012 красные карлики могут внести 1046 кг-лет, а коричневые карлики может внести 1039 кг-лет интегрированной во времени биомассы (БИОТА) в галактике. Всего же выделение энергии звезд за 1020 лет могут выдержать интегрированную во времени биомассу около 1045 кг-лет в галактике. Это один миллиард триллионов (1020) раз больше жизни, чем существовало на Земле на сегодняшний день. Во вселенной звезд в 1011 галактики могли бы выдержать 1057 кг-лет жизни.


Направленная панспермия

Дальнейшая информация: Направленная панспермия

Приведенные выше результаты астроэкологии предполагают, что люди могут расширить жизнь в галактике за счет космическое путешествие или же направленная панспермия.[23][24] Количество возможной жизни, которая может быть установлена ​​в галактике, по прогнозам астроэкологии, огромно. Эти прогнозы основаны на информации о 15 миллиардах лет, прошедших с момента Большой взрыв, но обитаемое будущее намного длиннее, охватывая триллионы эонов. Следовательно, физика, ресурсы астроэкологии и некоторые космологические сценарии могут позволить организованной жизни существовать бесконечно, хотя и с постоянно замедляющейся скоростью.[25][26] Эти перспективы могут быть рассмотрены путем долгосрочного расширения астроэкологии как космоэкологии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k Маутнер, Майкл Н. (2002), «Планетарные биоресурсы и астроэкология. 1. Биотесты планетарного микрокосма марсианских и метеоритных материалов: растворимые электролиты, питательные вещества, реакция водорослей и растений» (PDF), Икар, 158 (1): 72–86, Bibcode:2002Icar..158 ... 72M, Дои:10.1006 / icar.2002.6841
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Маутнер, Майкл Н. (2005), «Жизнь в космологическом будущем: ресурсы, биомасса и популяции» (PDF), Журнал Британского межпланетного общества, 58: 167–180, Bibcode:2005JBIS ... 58..167M
  3. ^ а б c d е ж грамм час я Маутнер, Майкл Н. (2000), Заполнение Вселенной жизнью: обеспечение нашего космологического будущего (PDF), Legacy Books, Вашингтон, округ Колумбия
  4. ^ Томсон (лорд Кельвин), У. (1871). «Инаугурационное обращение к Британской ассоциации в Эдинбурге». Природа. 4 (92): 261–278 [263]. Bibcode:1871Натура ... 4..261.. Дои:10.1038 / 004261a0.
  5. ^ Weber, P .; Гринберг, Хосе (1985), «Могут ли споры выжить в межзвездном пространстве?», Природа, 316 (6027): 403–407, Bibcode:1985Натура.316..403Вт, Дои:10.1038 / 316403a0
  6. ^ Crick, F.H .; Оргель, Л. (1973), "Направленная панспермия", Икар, 19 (3): 341–348, Bibcode:1973Icar ... 19..341C, Дои:10.1016/0019-1035(73)90110-3
  7. ^ а б Маутнер, Майкл Н .; Матлофф, Г.Л. (1979), «Техническая и этическая оценка засева близлежащих солнечных систем» (PDF), Бюллетень Американского астрономического общества, 32: 419–423
  8. ^ а б Маутнер, Майкл Н. (1997), «Направленная панспермия. 2. Технологические достижения в освоении других солнечных систем и основы панбиотической этики», Журнал Британского межпланетного общества, 50: 93–102, Bibcode:1997JBIS ... 50 ... 93M
  9. ^ а б Маутнер, Майкл Н. (2009), «Этика, ориентированная на жизнь, и будущее человека в космосе» (PDF), Биоэтика, 23 (8): 433–440, Дои:10.1111 / j.1467-8519.2008.00688.x, PMID  19077128
  10. ^ Льюис, Дж. (1997), Физика и химия Солнечной системы, Академическая пресса, Нью-Йорк
  11. ^ Льюис, Дж. С. (1996), Горное дело в небе, Helix Books, Reading, Массачусетс
  12. ^ О'Лири, Б. Т. (1977), "Добыча астероидов Аполлон и Амор", Наука, 197 (4301): 363–6, Bibcode:1977Научный ... 197..363O, Дои:10.1126 / science.197.4301.363-а, PMID  17797965
  13. ^ О'Нил, Г. (1974), «Колонизация космоса», Физика сегодня, 27 (9): 32–38, Bibcode:1974ФТ .... 27и..32О, Дои:10.1063/1.3128863
  14. ^ О'Нил, Г. К. (1977), Высокий рубеж, Уильям Морроу
  15. ^ Хартманн, К. В. (1985), Ресурсная база нашей Солнечной системы, межзвездная миграция и человеческий опыт, Эд Бен Р. Финни и Эрик М. Джонс, Калифорнийский университет Press, Беркли, Калифорния
  16. ^ Jarosewich, E. (1973), "Химический анализ метеорита Мерчисон", Метеоритика, 1 (1): 49–52, Bibcode:1971Метрический ... 6 ... 49J, Дои:10.1111 / j.1945-5100.1971.tb00406.x
  17. ^ Fuchs, L.H .; Olsen, E .; Дженсен, К.Дж. (1973), "Минералогия, химия минералов и состав метеорита Мерчисон (CM2)", Вклад Смитсоновского института в науку о Земле, 10 (10): 1–84, Дои:10.5479 / si.00810274.10.1
  18. ^ а б c Маутнер, Майкл Н. (2002), "Планетарные ресурсы и астроэкология. Растворы электролитов и рост микробов. Последствия для космических популяций и панспермия" (PDF), Астробиология, 2, 2 (1): 59–76, Bibcode:2002 AsBio ... 2 ... 59M, Дои:10.1089/153110702753621349, PMID  12449855
  19. ^ Olsson-Francis, K; Кокелл, CS (2010), «Использование цианобактерий при использовании ресурсов in-situ в космических приложениях», Планетарная и космическая наука, 58 (10): 1279–1285, Bibcode:2010P & SS ... 58.1279O, Дои:10.1016 / j.pss.2010.05.005
  20. ^ Билли, Д; Viaggiu, E; Кокелл, CS; Rabbow, E; Хорнек, G; Онофри, С. (2010), «Устранение и устранение повреждений в высушенных Chroococcidiopsis spp. Из горячих и холодных пустынь, подвергшихся воздействию смоделированного космоса и марсианских условий», Астробиология, 11 (1): 65–73, Bibcode:2011AsBio..11 ... 65B, Дои:10.1089 / аст.2009.0430, PMID  21294638
  21. ^ Адамс, Ф .; Лафлин, Г. (1999), Пять возрастов Вселенной, Touchstone Books, Нью-Йорк
  22. ^ Ribicky, K. R .; Денис К. (2001), «О конечной судьбе Земли и Солнечной системы», Икар, 151 (1): 130–137, Bibcode:2001Icar..151..130R, Дои:10.1006 / icar.2001.6591
  23. ^ Харт, М. Х. (1985), Межзвездная миграция, биологическая революция и будущее галактики », в книге« Межзвездная миграция и человеческий опыт », Эд Бен Р. Финни и Эрик М. Джонс, Калифорнийский университет Press, Беркли
  24. ^ Молдин, Дж. Х. (1992), "Перспективы межзвездных путешествий", Перспективы Interstellar Travel Univelt, Публикации AAS, Univelt, Сан-Диего, 93: 25710, Bibcode:1992STIA ... 9325710M
  25. ^ Дайсон, Ф. (1979), «Без конца: физика и биология в открытой Вселенной», Ред. Мод. Phys., 51 (3): 447–468, Bibcode:1979РвМП ... 51..447Д, Дои:10.1103 / RevModPhys.51.447
  26. ^ Дайсон, Ф. (1988), Бесконечное во всех направлениях, Харпер и Роу, Нью-Йорк

внешняя ссылка