Astroekologia

Astroekologia dotyczy interakcji fauny i flory ze środowiskami kosmicznymi . Bada zasoby życia na planetach , asteroidach i kometach , wokół różnych gwiazd , w galaktykach i we wszechświecie . Wyniki pozwalają oszacować przyszłe perspektywy życia, od skali planetarnej po galaktyczną i kosmologiczną .

Dostępna energia , mikrograwitacja , promieniowanie , ciśnienie i temperatura to czynniki fizyczne, które wpływają na astroekologię. Rozważane są również sposoby, w jakie życie może dotrzeć do środowisk kosmicznych , w tym panspermia naturalna i panspermia ukierunkowana . Co więcej, dla ekspansji człowieka w kosmosie i ukierunkowanej panspermii istotna jest również motywacja etyką biotyczną zorientowaną na życie , etyką panbiotyczną i bioetyką planetarną .

Przegląd

Termin „astroekologia” został po raz pierwszy zastosowany w kontekście prowadzenia badań rzeczywistych meteorytów w celu oceny ich potencjalnych zasobów sprzyjających podtrzymywaniu życia. Wczesne wyniki pokazały, że materiały z meteorytów/asteroid mogą wspierać mikroorganizmy , glony i kultury roślin pod ziemską atmosferą i uzupełnione wodą.

Kilka obserwacji sugeruje, że różnorodne materiały planetarne, podobne do meteorytów zebranych na Ziemi, mogą być wykorzystywane jako gleby rolnicze, ponieważ dostarczają składników odżywczych wspierających mikroskopijne życie, gdy są uzupełnione wodą i atmosferą. Zaproponowano astroekologię eksperymentalną, aby ocenić materiały planetarne jako cele eksploracji astrobiologicznej i potencjalne zasoby biologiczne in situ. Biologiczną płodność materiałów planetarnych można ocenić, mierząc rozpuszczalne w wodzie elektrolitów . Wyniki sugerują, że asteroidy węglowe i bazalty marsjańskie mogą służyć jako potencjalne przyszłe zasoby dla znacznych populacji biologicznych w Układzie Słonecznym .

Analiza podstawowych składników odżywczych ( C , N , P , K ) w meteorytach dostarczyła informacji do obliczenia ilości biomasy , którą można wytworzyć z zasobów asteroid. Na przykład szacuje się, asteroidy węglowe zawierają około 10 ²² kg potencjalnych surowców, a wyniki badań laboratoryjnych sugerują, że mogą one dostarczyć biomasy rzędu 6,10 ²⁰ kg, czyli około 100 000 razy więcej niż materia biologiczna obecnie na Ziemi .

Hodowle na symulowanych materiałach z asteroid/meteorytów

Aby określić ilościowo potencjalne ilości życia w biosferach, astroekologia teoretyczna próbuje oszacować ilość biomasy w czasie istnienia biosfery . Zasoby i potencjalną zintegrowaną w czasie biomasę oszacowano dla układów planetarnych , stref nadających się do zamieszkania wokół gwiazd oraz dla galaktyki i wszechświata . Takie obliczenia astroekologiczne sugerują, że pierwiastki ograniczające, azot i fosfor , w szacunkowych 10 ²² kg asteroidach węglowych mogą utrzymać 6·10 ²⁰ kg biomasy przez spodziewane pięć miliardów przyszłych lat Słońca , dając w przyszłości zintegrowaną w czasie BIOTA ( BIOTA , B iomass Zintegrowane czasy dostępne , mierzone w kilogramo-latach) wynoszące 3·10 ³⁰ kg-lat w Układzie Słonecznym, sto tysięcy razy więcej niż dotychczasowe życie na Ziemi . Biorąc pod uwagę zapotrzebowanie biologiczne 100 W·kg ^-1 biomasy, wypromieniowana energia wokół czerwonych olbrzymów oraz białych i czerwonych karłów mogłaby wspierać zintegrowaną w czasie BIOTA do 10 ⁴⁶ kg-lat w galaktyce i 10 ⁵⁷ kg-lat we wszechświecie.

Takie rozważania astroekologiczne określają ilościowo ogromny potencjał przyszłego życia w kosmosie, z proporcjonalną różnorodnością biologiczną i prawdopodobnie inteligencją . Analiza chemiczna węglowych meteorytów chondrytowych wykazała, że zawierają one możliwą do ekstrakcji biodostępną wodę , węgiel organiczny oraz niezbędne składniki odżywcze fosforany , azotany i potas . Wyniki pozwalają ocenić żyzność gleby macierzystych asteroid i planet oraz ilości biomasy, jaką mogą utrzymać.

Eksperymenty laboratoryjne wykazały, że materiał z meteorytu Murchison , zmielony na drobny proszek i połączony z ziemską wodą i powietrzem, może dostarczyć składników odżywczych niezbędnych do utrzymania różnych organizmów, w tym bakterii ( Nocardia asteroides ), alg i kultur roślinnych, takich jak ziemniak i szparag. Mikroorganizmy wykorzystywały substancje organiczne w meteorytach węglowych jako źródło węgla. Hodowle glonów i roślin dobrze rosły również na meteorytach marsjańskich ze względu na wysoką zawartość biodostępnych fosforanów. Materiały marsjańskie osiągnęły oceny żyzności gleby porównywalne z produktywnymi glebami rolniczymi. Daje to pewne dane dotyczące terraformowania Marsa .

Ziemskie analogi materiałów planetarnych są również wykorzystywane w takich eksperymentach w celu porównania i sprawdzenia wpływu warunków kosmicznych na mikroorganizmy.

Biomasę, którą można zbudować z zasobów, można obliczyć, porównując stężenie pierwiastków w materiałach surowcowych iw biomasie (Równanie 1). Dana masa materiałów surowcowych ( m _zasób ) może stanowić m _{biomasy, X} biomasy zawierającej pierwiastek X (biorąc pod uwagę X jako ograniczający składnik odżywczy), gdzie c _{zasób, X} to stężenie (masa na jednostkę masy) pierwiastka X w zasobie materiał i c _{biomasa, X} to jego stężenie w biomasie.

${\ Displaystyle m_ {biomasa$ )

Zakładając, że 100 000 kg biomasy wyżywi jednego człowieka, asteroidy mogą wówczas wyżywić około 6e15 (sześć milionów miliardów) ludzi, co odpowiada milionowi Ziemi (milion razy więcej niż obecna populacja). ^{[ potrzebne źródło ]} Podobne materiały w kometach mogą wspierać biomasę i populacje około sto razy większe. ^{[ potrzebne źródło ]} Energia słoneczna może utrzymać te populacje przez przewidywane dalsze pięć miliardów lat Słońca. Te rozważania dają maksymalną zintegrowaną w czasie BIOTA wynoszącą 3e30 kg-lat w Układzie Słonecznym. Po tym, jak Słońce stanie się białym karłem, a inne białe karły mogą dostarczać energii do życia znacznie dłużej, przez biliony eonów. (Tabela 2)

Skutki marnotrawstwa

Astroekologia dotyczy również marnotrawstwa, takiego jak wyciek materii biologicznej w kosmos. Spowoduje to wykładniczy rozkład biomasy kosmicznej zgodnie z równaniem (2), gdzie M (biomasa 0) jest masą pierwotnej biomasy, k jest jej tempem rozpadu ( ułamek tracony w jednostce czasu), a biomasa t to pozostała biomasa po czasie t .

Równanie 2:

{\ Displaystyle M_ {biomasa} (t) = M_ {biomasa} (0) e ^ { -kt}\,}

Całkowanie od czasu zero do nieskończoności daje Równanie (3) dla całkowitej biomasy zintegrowanej w czasie ( BIOTA ) wniesionej przez tę biomasę:

Równanie 3:

{\ Displaystyle BIOTA = {\ Frac {M_ {biomasa} (0)} {k}}}

Na przykład, jeśli rocznie traci się 0,01% biomasy, to zintegrowana w czasie BIOTA wyniesie 10 000 ${\ Displaystyle M_ {biomasa} (0)}$ . Dla 6·10 ²⁰ kg biomasy zbudowanej z zasobów asteroid daje to 6·10 ²⁴ kg-lat BIOTA w Układzie Słonecznym. Nawet przy tak małym tempie utraty życie w Układzie Słonecznym zniknęłoby w ciągu kilkuset tysięcy lat, a potencjalna łączna czasowo zintegrowana BIOTA wynosząca 3·10 ³⁰ kg-lat pod Słońcem w ciągu głównym zmniejszyłaby się o czynnik 5·10 ⁵ , chociaż wciąż pokaźna populacja 1,2·10 ¹² ludzi odżywiających się biomasą mogłaby istnieć przez cały okres istnienia Słońca nadający się do zamieszkania. Zintegrowaną biomasę można zmaksymalizować, minimalizując szybkość jej rozpraszania. Jeśli ten wskaźnik można wystarczająco zmniejszyć, cała skonstruowana biomasa może wystarczyć na czas trwania siedliska i opłaca się zbudować biomasę tak szybko, jak to możliwe. Jeśli jednak szybkość rozpraszania jest znaczna, tempo budowy biomasy i jej ilości w stanie ustalonym można zmniejszyć, umożliwiając uzyskanie biomasy i populacji w stanie ustalonym, które utrzymują się przez cały okres życia siedliska.

Pojawia się pytanie, czy powinniśmy budować ogromne ilości życia, które szybko się rozpada, czy też mniejsze, ale wciąż duże populacje, które trwają dłużej. Etyka biotyczna skoncentrowana na życiu sugeruje, że życie powinno trwać tak długo, jak to możliwe.

Ekologia galaktyczna

Jeśli życie osiągnie rozmiary galaktyczne, technologia powinna mieć dostęp do wszystkich zasobów materialnych, a zrównoważone życie będzie definiowane przez dostępną energię. Maksymalna ilość biomasy wokół dowolnej gwiazdy jest następnie określana na podstawie zapotrzebowania energetycznego biomasy i jasności gwiazdy . Na przykład, jeśli 1 kg biomasy potrzebuje 100 watów, możemy obliczyć ilości biomasy w stanie ustalonym, które mogą być utrzymywane przez gwiazdy o różnej wydajności energetycznej. Ilości te są mnożone przez czas życia gwiazdy, aby obliczyć zintegrowaną w czasie BIOTA w całym okresie życia gwiazdy. Korzystając z podobnych prognoz, można następnie określić ilościowo potencjalne ilości przyszłego życia.

Dla Układu Słonecznego od jego początków do chwili obecnej, obecna biomasa 10 ¹⁵ kg w ciągu ostatnich czterech miliardów lat daje zintegrowaną w czasie biomasę ( BIOTA ) wynoszącą 4·10 ²⁴ kg-lat. Dla porównania, węgiel, azot , fosfor i woda w 10 ²² -kilogramowych asteroidach pozwala na uzyskanie 6,10 ²⁰ kg biomasy, która może być podtrzymywana energią przez 5 miliardów przyszłych lat Słońca, co daje BIOTA na poziomie 3,10 ³⁰ kg-lat w Układzie Słonecznym i 3·10 ³⁹ kg-lat około 10 ¹¹ gwiazd w galaktyce. Materiały w kometach mogą dawać sto razy większą biomasę i zintegrowaną w czasie BIOTA .

Słońce stanie się wtedy białym karłem , emitującym 10 ¹⁵ watów, który utrzymuje 1e13 kg biomasy przez ogromne sto milionów bilionów (10 ²⁰ ) lat, przyczyniając się do zintegrowanej w czasie BIOTA wynoszącej 10 ³³ lat. 10 ¹² białych karłów, które mogą istnieć w galaktyce w tym czasie, może następnie przyczynić się do zintegrowanej w czasie BIOTA wynoszącej 10 ⁴⁵ kg-lat. Czerwone karły o jasności 10 ²³ W i czasie życia 10 ¹³ lat mogą wnieść 10 ³⁴ kg-lat każda, a 10 ¹² czerwonych karłów może wnieść 10 ⁴⁶ kg-lat, podczas gdy brązowe karły mogą wnieść 10 ³⁹ kg-lat zintegrowana w czasie biomasa ( BIOTA ) w galaktyce. W sumie energia wytwarzana przez gwiazdy w ciągu 10 ^{20 lat może utrzymać} w galaktyce zintegrowaną w czasie biomasę o wartości około 10 ^{45 kg-lat.} To miliard bilionów (10 ²⁰ ) razy więcej życia niż dotychczas istniało na Ziemi. We wszechświecie gwiazdy w 10 ¹¹ galaktykach mogłyby wtedy przetrwać 10 ⁵⁷ kg-lat.

Ukierunkowana panspermia

Powyższe wyniki astroekologii sugerują, że ludzie mogą rozszerzać życie w galaktyce poprzez podróże kosmiczne lub ukierunkowaną panspermię . Ilości możliwego życia, które można założyć w galaktyce, zgodnie z przewidywaniami astroekologii, są ogromne. Prognozy te opierają się na informacjach dotyczących 15 miliardów lat minionych od Wielkiego Wybuchu , ale nadająca się do zamieszkania przyszłość jest znacznie dłuższa i obejmuje biliony eonów. Dlatego fizyka, zasoby astroekologiczne i niektóre scenariusze kosmologiczne mogą pozwolić na to, by zorganizowane życie trwało w nieskończoność, choć w coraz wolniejszym tempie. Perspektywy te można rozwiązać poprzez długoterminowe rozszerzenie astroekologii jako kosmoekologii.

Zobacz też

Linki zewnętrzne