Астроэкология
В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
Астроэкология занимается взаимодействием биоты с космической средой. Он изучает ресурсы для жизни на планетах , астероидах и кометах , вокруг различных звезд , в галактиках и во Вселенной . Результаты позволяют оценить будущие перспективы жизни от планетарного до галактического и космологического масштабов. [1] [2] [3]
Доступная энергия , а также микрогравитация , радиация , давление и температура — это физические факторы, влияющие на астроэкологию. пути проникновения жизни в космические среды , включая естественную панспермию и направленную панспермию . Также рассматриваются [4] [5] [6] [7] [8] мотивация жизнецентрированной биотической этикой , панбиотической этикой и планетарной биоэтикой . Кроме того, для человеческой экспансии в космосе и направленной панспермии также важна [7] [8] [9]
Обзор
[ редактировать ]Термин «астроэкология» впервые был применен в контексте проведения исследований реальных метеоритов с целью оценки их потенциальных ресурсов, благоприятных для поддержания жизни. [1] Первые результаты показали, что материалы метеоритов/астероидов могут поддерживать микроорганизмы , водоросли и растительные культуры в атмосфере Земли и дополнены водой.
Некоторые наблюдения показывают, что разнообразные планетарные материалы, подобные метеоритам, собранным на Земле, могут использоваться в качестве сельскохозяйственных почв, поскольку они обеспечивают питательные вещества для поддержания микроскопической жизни при добавлении воды и атмосферы. [1] Было предложено экспериментальной астроэкологии оценить планетарные материалы как цели для астробиологических исследований и как потенциальные биологические ресурсы in-situ. [1] Биологическое плодородие планетарных материалов можно оценить путем измерения водоэкстрагируемых электролитных питательных веществ. Результаты показывают, что углеродистые астероиды и марсианские базальты могут служить потенциальными будущими ресурсами для значительных биологических популяций в Солнечной системе . [1]
Анализ основных питательных веществ ( C , N , P , K ) в метеоритах дал информацию для расчета количества биомассы , которая может быть получена из ресурсов астероидов. [1] Например, по оценкам, углеродистые астероиды содержат около 10 22 кг потенциально ресурсных материалов, [10] [11] [12] [13] [14] [15] и результаты лабораторных исследований показывают, что они могут давать биомассу порядка 6·10 20 кг, что примерно в 100 000 раз больше биологической материи, существующей сейчас на Земле . [2]
Культуры на смоделированных материалах астероидов/метеоритов
[ редактировать ]Чтобы количественно оценить потенциальное количество жизни в биосфере, теоретическая астроэкология пытается оценить количество биомассы на протяжении всего существования биосферы . Ресурсы и потенциальная интегрированная во времени биомасса были оценены для планетных систем , для обитаемых зон вокруг звезд , а также для галактики и Вселенной . [2] [3] Такие астроэкологические расчеты позволяют предположить, что лимитирующие элементы азот и фосфор примерно в 10 22 Углеродистые астероиды кг могут поддерживать 6·10 20 течение ожидаемых пяти миллиардов будущих лет Солнца , дает будущую интегрированную во времени БИОТА ( БИОТА , Biomass Integrated Times Over available A биомассы в кг что , измеренную в килограмм-летах) 3·10 30 кг-лет в Солнечной системе, [1] [2] [3] в сто тысяч раз больше, чем жизнь на Земле на сегодняшний день. Учитывая биологические потребности 100 Вт кг −1 биомасса, излучаемая энергия красных гигантов , белых и красных карликов может поддерживать интегрированную во времени БИОТУ до 10 46 кг-лет в галактике и 10 57 кг-лет во Вселенной. [2]
Подобные астроэкологические соображения количественно определяют огромный потенциал будущей жизни в космосе с соразмерным биоразнообразием и, возможно, интеллектом . [2] [3] Химический анализ углеродистых хондритов метеоритов показывает, что они содержат экстрагируемую биодоступную воду , органический углерод и незаменимые фосфатные , нитратные и калийные питательные вещества. [16] [17] [18] Результаты позволяют оценить плодородие почв родительских астероидов и планет, а также количество биомассы, которую они могут поддерживать. [1] [18]
Лабораторные эксперименты показали, что материал метеорита Мерчисон , измельченный в мелкий порошок и смешанный с водой и воздухом Земли, может обеспечить питательные вещества для поддержания различных организмов, включая бактерии ( Nocardia asteroides ), водоросли и растительные культуры, такие как картофель и спаржа. [18] В качестве источника углерода микроорганизмы использовали органику углеродистых метеоритов. Культуры водорослей и растений также хорошо росли на марсианских метеоритах из-за высокого содержания в них биодоступных фосфатов. [1] Марсианские материалы достигли показателей плодородия почвы, сравнимых с продуктивными сельскохозяйственными почвами. [1] Это дает некоторые данные, касающиеся терраформирования Марса . [19]
Земные аналоги планетарных материалов также используются в таких экспериментах для сравнения и проверки воздействия космических условий на микроорганизмы. [20]
Биомасса, которую можно получить из ресурсов, можно рассчитать путем сравнения концентрации элементов в ресурсных материалах и биомассе (уравнение 1). [1] [2] [3] Заданная масса ресурсных материалов ( m ресурсов ) может поддерживать m биомассы, X биомассы, содержащей элемент X (считая X лимитирующим питательным веществом), где c ресурс, X - концентрация (масса на единицу массы) элемента X в ресурсе. материала и c биомассы, X – его концентрация в биомассе.
(1)
Если предположить, что 100 000 кг биомассы поддерживает одного человека, то на астероидах может проживать около 6e15 (шесть миллионов миллиардов) человек, что равно миллиону Земель (в миллион раз больше нынешнего населения). [ нужна ссылка ] Подобные материалы в кометах могли бы поддерживать биомассу и население примерно в сто раз больше. [ нужна ссылка ] Солнечная энергия может поддерживать эти популяции в течение прогнозируемых следующих пяти миллиардов лет существования Солнца. Эти соображения дают максимальную интегрированную по времени БИОТА в Солнечной системе в размере 3–30 кг-лет. После того как Солнце станет белым карликом, [21] и другие звезды-белые карлики, могут обеспечивать энергию для жизни гораздо дольше, в течение триллионов эонов. [22] (Таблица 2)
Последствия потерь
[ редактировать ]Астроэкология также касается потерь, таких как утечка биологического вещества в космос. Это вызовет экспоненциальный распад биомассы космического базирования. [2] [3] как указано уравнением (2), где M (биомасса 0) — масса исходной биомассы, k — скорость ее распада (доля, потерянная за единицу времени), а биомасса t — оставшаяся биомасса по истечении времени t .
- Уравнение 2:
Интегрирование от нуля до бесконечности дает уравнение (3) для общей интегрированной во времени биомассы ( BIOTA ), вносимой этой биомассой:
- Уравнение 3:
Например, если в год теряется 0,01% биомассы, то интегрированная по времени БИОТА составит 10 000. . Для 6·10 20 кг биомассы, созданной из ресурсов астероидов, это дает 6·10 24 кг-лет БИОТЫ в Солнечной системе. Даже при таком небольшом темпе потерь жизнь в Солнечной системе исчезнет через несколько сотен тысяч лет, а потенциальная общая интегрированная во времени БИОТА составит 3·10 30 кг-лет под Солнцем главной последовательности уменьшится в 5·10 раз. 5 , хотя численность населения по-прежнему составляет 1,2·10 12 Люди, поддерживаемые биомассой, могли бы существовать в течение пригодной для жизни продолжительности жизни Солнца. [2] [3] Интегрированную биомассу можно максимизировать за счет минимизации скорости ее рассеивания. Если эту скорость можно достаточно снизить, вся построенная биомасса может сохраняться в течение всего срока существования среды обитания, и стоит построить биомассу как можно быстрее. Однако, если скорость диссипации значительна, скорость образования биомассы и ее устойчивое количество может быть снижена, обеспечивая стабильное состояние биомассы и популяции, которое сохраняется на протяжении всего срока службы среды обитания.
Возникает вопрос: следует ли нам создавать огромные количества жизни, которая быстро распадается, или меньшие, но все же большие популяции, которые существуют дольше. Жизнецентрированная биотическая этика предполагает, что жизнь должна длиться как можно дольше. [9]
Галактическая экология
[ редактировать ]Если жизнь достигнет галактических масштабов, технологии смогут получить доступ ко всем материальным ресурсам, а устойчивая жизнь будет определяться доступной энергией. [2] Тогда максимальное количество биомассы любой звезды определяется энергетическими потребностями биомассы и светимостью звезды . [2] [3] Например, если для 1 кг биомассы требуется 100 Вт, мы можем рассчитать стационарное количество биомассы, которое могут поддерживать звезды с различным выходом энергии. Эти суммы умножаются на время жизни звезды для расчета интегрированной по времени БИОТЫ за время жизни звезды. [2] [3] Используя аналогичные прогнозы, можно затем количественно оценить потенциальное количество будущей жизни. [2]
Для Солнечной системы от ее зарождения до настоящего времени нынешние 10 15 кг биомассы за последние четыре миллиарда лет дает интегрированную во времени биомассу ( БИОТА ) 4·10 24 кг-лет. Для сравнения, углерод, азот , фосфор и вода в 10 22 кг астероидов позволяет 6·10 20 кг биомассы, которую можно поддерживать с помощью энергии в течение 5 миллиардов будущих лет Солнца, что дает БИОТА 3·10 30 кг-лет в Солнечной системе и 3·10 39 кг-лет около 10 11 звезды в галактике. Материалы в кометах могли бы дать биомассу и интегрированную во времени БИОТУ в сто раз большую.
Тогда Солнце станет белым карликом с излучением 10 15 Ватт, который поддерживает 1–13 кг биомассы на огромные сотни миллионов триллионов (10 20 ) лет, что обеспечивает интегрированную по времени БИОТА , равную 10 33 годы. 10 12 белые карлики, которые могут существовать в галактике в это время, могут затем внести интегрированную во времени БИОТА, равную 10 45 кг-лет. Красные карлики со светимостью 10. 23 Ватты и время жизни 10 13 годы могут способствовать 10 34 кг-лет каждый, и 10 12 красные карлики могут внести 10 46 кг-лет, тогда как коричневые карлики могут давать 10 39 кг-лет интегрированной во времени биомассы ( БИОТА ) в галактике. Суммарно энерговыделение звезд за 10 20 лет может поддерживать интегрированную во времени биомассу около 10 45 кг-лет в галактике. Это один миллиард триллионов (10 20 ) раз больше жизни, чем существовало на Земле до сих пор. Во Вселенной звезд в 10 11 галактики могли бы тогда выдержать 10 57 кг-лет жизни.
Направленная панспермия
[ редактировать ]Приведенные выше результаты астроэкологии предполагают, что люди могут расширить жизнь в галактике посредством космических путешествий или направленной панспермии . [23] [24] По прогнозам астроэкологии, количество возможной жизни, которая может возникнуть в галактике, огромно. Эти прогнозы основаны на информации о том, что прошло 15 миллиардов лет после Большого взрыва , но обитаемое будущее намного длиннее и охватывает триллионы эонов. Таким образом, физические, астроэкологические ресурсы и некоторые космологические сценарии могут позволить организованной жизни существовать, хотя и с постоянно замедляющимися темпами, бесконечно. [25] [26] Эти перспективы могут быть решены путем долгосрочного расширения астроэкологии как космоэкологии.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Маутнер, Майкл Н. (2002), «Планетарные биоресурсы и астроэкология. 1. Планетарный микрокосмический биоанализ марсианских и метеоритных материалов: растворимые электролиты, питательные вещества, а также реакции водорослей и растений» (PDF) , Icarus , 158 (1): 72– 86, Bibcode : 2002Icar..158...72M , doi : 10.1006/icar.2002.6841
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м Маутнер, Майкл Н. (2005), «Жизнь в космологическом будущем: ресурсы, биомасса и население» (PDF) , Журнал Британского межпланетного общества , 58 : 167–180, Бибкод : 2005JBIS...58..167M
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Маутнер, Майкл Н. (2000), Заселение Вселенной жизнью: обеспечение нашего космологического будущего (PDF) , Legacy Books, Вашингтон, округ Колумбия
- ^ Томсон (лорд Кельвин), В. (1871). «Инаугурационная речь Британской ассоциации в Эдинбурге» . Природа . 4 (92): 261–278 [263]. Бибкод : 1871Natur...4..261. . дои : 10.1038/004261a0 .
- ^ Вебер, П.; Гринберг, Хосе (1985), «Могут ли споры выжить в межзвездном пространстве?», Nature , 316 (6027): 403–407, Бибкод : 1985Natur.316..403W , doi : 10.1038/316403a0 , S2CID 4351813
- ^ Крик, Ф.Х.; Оргель, Л.Е. (1973), «Направленная панспермия», Icarus , 19 (3): 341–348, Bibcode : 1973Icar...19..341C , doi : 10.1016/0019-1035(73)90110-3
- ^ Перейти обратно: 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.
- ^ Перейти обратно: а б Маутнер, Майкл Н. (1997), «Направленная панспермия. 2. Технологические достижения в области засеивания других солнечных систем и основы панбиотической этики», Журнал Британского межпланетного общества , 50 : 93–102, Bibcode : 1997JBIS... 50...93М
- ^ Перейти обратно: а б Маутнер, Майкл Н. (2009), «Жизнецентрированная этика и будущее человечества в космосе» (PDF) , Биоэтика , 23 (8): 433–440, doi : 10.1111/j.1467-8519.2008.00688.x , PMID 19077128 , S2CID 25203457
- ^ Льюис, Дж. С. (1997), Физика и химия Солнечной системы , Academic Press , Нью-Йорк.
- ^ Льюис, Дж. С. (1996), Mining the Sky , Helix Books, Ридинг, Массачусетс
- ^ О'Лири, Б.Т. (1977), «Добыча астероидов Аполлон и Амор», Science , 197 (4301): 363–6, Бибкод : 1977Sci...197..363O , doi : 10.1126/science.197.4301.363- а , PMID 17797965 , S2CID 45597532
- ^ О'Нил, Г.К. (1974), «Колонизация космоса», Physics Today , 27 (9): 32–38, Бибкод : 1974PhT....27i..32O , doi : 10.1063/1.3128863
- ^ О'Нил, ГК (1977), The High Frontier , Уильям Морроу
- ^ Хартманн, К.В. (1985), Ресурсная база в нашей Солнечной системе, в книге «Межзвездная миграция и человеческий опыт» , под ред. Бена Р. Финни и Эрика М. Джонса, University of California Press , Беркли, Калифорния
- ^ Яросевич, Э. (1973), «Химический анализ метеорита Мерчисон», Meteoritics , 1 (1): 49–52, Бибкод : 1971 Metic...6...49J , doi : 10.1111/j.1945-5100.1971. tb00406.x
- ^ Фукс, Л.Х.; Олсен, Э.; Дженсен, К.Дж. (1973), «Минералогия, минеральная химия и состав метеорита Мерчисон (CM2)», Смитсоновский вклад в науки о Земле , 10 (10): 1–84, doi : 10.5479/si.00810274.10.1
- ^ Перейти обратно: а б с Маутнер, Майкл Н. (2002), «Планетарные ресурсы и астроэкология. Растворы электролитов и рост микробов. Последствия для космических популяций и панспермии» (PDF) , Astrobiology , 2, 2 (1): 59–76, Bibcode : 2002AsBio.. .2...59M , doi : 10.1089/153110702753621349 , PMID 12449855
- ^ Олссон-Фрэнсис, К; Кокелл, CS (2010), «Использование цианобактерий при использовании ресурсов in-situ в космических приложениях», Planetary and Space Science , 58 (10): 1279–1285, Bibcode : 2010P&SS...58.1279O , doi : 10.1016/j .pss.2010.05.005
- ^ Билли, Д; Вьяджиу, Э; Кокелл, CS; Раббоу, Е; Хорнек, Дж; Онофри, С. (2010), «Устранение повреждений и восстановление высушенных видов Chroococcidiopsis из жарких и холодных пустынь, подвергшихся воздействию моделируемых космических и марсианских условий», Astrobiology , 11 (1): 65–73, Bibcode : 2011AsBio..11.. .65B , doi : 10.1089/ast.2009.0430 , PMID 21294638
- ^ Адамс, Ф.; Лафлин, Г. (1999), Пять веков Вселенной , Touchstone Books, Нью-Йорк.
- ^ Рыбицки, КР; Денис, К. (2001), «Об окончательной судьбе Земли и Солнечной системы», Icarus , 151 (1): 130–137, Bibcode : 2001Icar..151..130R , doi : 10.1006/icar.2001.6591
- ^ Харт, MH (1985), Межзвездная миграция, биологическая революция и будущее галактики», в книге «Межзвездная миграция и человеческий опыт» , под ред. Бена Р. Финни и Эрика М. Джонса, University of California Press, Беркли
- ^ Молдин, Дж. Х. (1992), «Перспективы межзвездных путешествий», Перспективы межзвездных путешествий Univelt , 93 , Публикации AAS, Univelt, Сан-Диего: 25710, Бибкод : 1992STIA...9325710M
- ^ Дайсон, Ф. (1979), «Без конца: физика и биология в открытой вселенной», Rev. Mod. Физ. , 51 (3): 447–468, Бибкод : 1979RvMP...51..447D , doi : 10.1103/RevModPhys.51.447
- ^ Дайсон, Ф. (1988), Бесконечность во всех направлениях , Харпер и Роу, Нью-Йорк