علم البيئة الفلكية

يهتم علم البيئة الفلكية بتفاعلات الكائنات الحية مع البيئات الفضائية . ويدرس موارد الحياة على الكواكب والكويكبات والمذنبات ، وحول النجوم المختلفة ، وفي المجرات ، وفي الكون . وتتيح النتائج تقدير آفاق الحياة المستقبلية، من النطاق الكوكبي إلى النطاق المجري والكوني . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

تُعدّ الطاقة المتاحة ، وانعدام الجاذبية ، والإشعاع ، والضغط ، ودرجة الحرارة من العوامل الفيزيائية التي تؤثر على علم البيئة الفضائية. كما تُؤخذ في الاعتبار الطرق التي يمكن من خلالها للحياة أن تصل إلى بيئات الفضاء ، بما في ذلك التبذر الكوني الطبيعي والتبذر الكوني الموجه . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} علاوة على ذلك، بالنسبة للتوسع البشري في الفضاء والتبذر الكوني الموجه، فإن الدافع القائم على الأخلاقيات الحيوية التي تتمحور حول الحياة، والأخلاقيات الحيوية الشاملة، والأخلاقيات الحيوية الكوكبية، يُعدّ ذا صلة أيضًا. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

استُخدم مصطلح "علم البيئة الفضائية" لأول مرة في سياق إجراء دراسات على النيازك الحقيقية لتقييم مواردها المحتملة الملائمة لاستدامة الحياة. ^{[ 1 ]} أظهرت النتائج المبكرة أن مواد النيازك/الكويكبات يمكن أن تدعم الكائنات الحية الدقيقة والطحالب والنباتات المزروعة تحت الغلاف الجوي للأرض مع تزويدها بالماء.

تشير العديد من الملاحظات إلى إمكانية استخدام مواد كوكبية متنوعة، شبيهة بالنيازك التي جُمعت على الأرض، كتربة زراعية، إذ توفر مغذيات تدعم الحياة المجهرية عند تزويدها بالماء والغلاف الجوي. ^{[ 1 ]} وقد اقتُرح استخدام علم البيئة الفلكية التجريبي لتقييم المواد الكوكبية كأهداف لاستكشاف علم الأحياء الفلكي وكموارد بيولوجية محتملة في الموقع. ^{[ 1 ]} ويمكن تقييم الخصوبة البيولوجية للمواد الكوكبية عن طريق قياس المغذيات الإلكتروليتية القابلة للاستخلاص بالماء . وتشير النتائج إلى أن الكويكبات الكربونية والبازلت المريخي يمكن أن تُشكل موارد مستقبلية محتملة لتجمعات بيولوجية كبيرة في النظام الشمسي . ^{[ 1 ]}

أظهر تحليل العناصر الغذائية الأساسية ( الكربون ، النيتروجين ، الفوسفور ، البوتاسيوم ) في النيازك معلوماتٍ لحساب كمية الكتلة الحيوية التي يمكن تكوينها من موارد الكويكبات. ^{[ 1 ]} فعلى سبيل المثال، يُقدّر أن الكويكبات الكربونية تحتوي على حوالي 10 ^{^22} كيلوغرام من المواد الخام المحتملة، ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} وتشير نتائج المختبر إلى أنها قد تُنتج كتلة حيوية في حدود 6 × 10^ ²⁰ كيلوغرام، أي ما يُعادل 100,000 ضعف كمية المادة البيولوجية الموجودة حاليًا على الأرض . ^{[ 2 ]}

لتقدير كميات الحياة المحتملة في المحيطات الحيوية، يسعى علم البيئة الفلكية النظري إلى تقدير كمية الكتلة الحيوية على مدار عمر المحيط الحيوي . وقد تم تقدير الموارد والكتلة الحيوية المتكاملة زمنيًا للأنظمة الكوكبية ، والمناطق الصالحة للسكن حول النجوم ، وللمجرة والكون . ^{[ 2 ] [ 3 ]} تشير حسابات علم البيئة الفلكية هذه إلى أن عنصري النيتروجين والفوسفور ، وهما العنصران المحددان في الكويكبات الكربونية التي تُقدر كتلتها بـ ^10²² كجم ، يمكن أن يدعما 6 × 10²⁰ ^كجم من الكتلة الحيوية للخمسة مليارات سنة القادمة المتوقعة للشمس ، مما ينتج عنه كتلة حيوية متكاملة زمنيًا ( BIOTA ، الكتلة الحيوية المتكاملة زمنيًا المتاحة ، مقاسة بالكيلوجرام -سنة) تبلغ 3 × 10³⁰ ^كجم -سنة في النظام الشمسي، ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} أي أكثر بمئة ألف مرة من الحياة على الأرض حتى الآن. بالنظر إلى المتطلبات البيولوجية البالغة 100 واط ^/ كجم من الكتلة الحيوية، فإن الطاقة المشعة حول النجوم العملاقة الحمراء والنجوم القزمة البيضاء والحمراء يمكن أن تدعم نظامًا حيويًا متكاملًا زمنيًا يصل إلى ¹⁰⁴⁶ كجم-سنة في المجرة و ¹⁰⁵⁷ كجم-سنة في الكون. ^{[ 2 ]}

تُحدد هذه الاعتبارات في علم البيئة الفلكية الإمكانيات الهائلة للحياة المستقبلية في الفضاء، مع ما يصاحبها من تنوع بيولوجي وربما ذكاء . ^{[ 2 ] [ 3 ]} يُظهر التحليل الكيميائي للنيازك الكوندريتية الكربونية أنها تحتوي على ماء قابل للاستخلاص ومتاح بيولوجيًا ، وكربون عضوي ، وعناصر غذائية أساسية من الفوسفات والنترات والبوتاسيوم . [ 16 ] ^{[ 17 ] [ 18 ] تسمح هذه النتائج} بتقييم خصوبة التربة في الكويكبات والكواكب الأم، وكميات الكتلة الحيوية التي يمكنها استيعابها. ^{[ 1 ] [ 18 ]}

أظهرت التجارب المخبرية أن المواد المستخرجة من نيزك مورشيسون ، عند طحنها إلى مسحوق ناعم وخلطها بماء وهواء الأرض، يمكن أن توفر العناصر الغذائية اللازمة لدعم مجموعة متنوعة من الكائنات الحية، بما في ذلك البكتيريا ( نوكارديا أستيرويدس )، والطحالب، وزراعات نباتية مثل البطاطا والهليون. ^{[ 18 ]} استخدمت الكائنات الدقيقة المواد العضوية الموجودة في النيازك الكربونية كمصدر للكربون. كما نمت الطحالب والزراعات النباتية بشكل جيد على نيازك المريخ نظرًا لاحتوائها على نسبة عالية من الفوسفات المتاح بيولوجيًا. ^{[ 1 ]} حققت المواد المريخية معدلات خصوبة تربة مماثلة للتربة الزراعية المنتجة. ^{[ 1 ]} يوفر هذا بعض البيانات المتعلقة بتشكيل بيئة صالحة للسكن على سطح المريخ . ^{[ 19 ]}

تُستخدم أيضًا نظائر أرضية للمواد الكوكبية في مثل هذه التجارب للمقارنة، ولاختبار تأثيرات ظروف الفضاء على الكائنات الحية الدقيقة. ^{[ 20 ]}

يمكن حساب الكتلة الحيوية التي يمكن إنتاجها من الموارد بمقارنة تركيز العناصر في مواد الموارد وفي الكتلة الحيوية (المعادلة 1). ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} يمكن لكتلة معينة من مواد الموارد ( m_resource ) أن تدعم m_biomas _{,X من الكتلة الحيوية} التي تحتوي على العنصر X (باعتبار X العنصر الغذائي المحدد)، حيث c_resource _,X هو تركيز العنصر X (الكتلة لكل وحدة كتلة) في مادة الموارد، و c_biomas _,X هو تركيزه في الكتلة الحيوية.

${\displaystyle m_{biomass,\,X}=m_{resource,\,X}{\frac {c_{resource,\,X}}{c_{biomass,\,X}}}}$ (1)

بافتراض أن 100,000  كيلوغرام من الكتلة الحيوية تكفي لإعالة إنسان واحد، فإن الكويكبات قد تُعيل حوالي 6 × 10¹⁵ (ستة ملايين مليار) شخص، أي ما يعادل مليون كوكب أرض (مليون ضعف عدد سكان الأرض الحالي). ويمكن لمواد مماثلة في المذنبات أن تدعم كتلة حيوية وسكانًا أكبر بنحو مئة ضعف. ويمكن للطاقة الشمسية أن تُعيل هذه التجمعات السكانية خلال الخمسة مليارات سنة المتبقية المتوقعة لعمر الشمس. وبناءً على هذه الاعتبارات، يُقدّر الحد الأقصى للكتلة الحيوية المتكاملة زمنيًا في النظام الشمسي بـ 3 × 10³⁰ كيلوغرام-سنة. وبعد أن تتحول الشمس إلى قزم أبيض، ^{[ 21 ]} وبقية الأقزام البيضاء، يمكنها توفير الطاقة للحياة لفترة أطول بكثير، تمتد لتريليونات الدهور. ^{[ 22 ]} (الجدول 2)

يهتم علم البيئة الفضائية أيضاً بالهدر، مثل تسرب المواد البيولوجية إلى الفضاء. سيؤدي هذا إلى اضمحلال أسي للكتلة الحيوية الفضائية ^{[ 2 ] [ 3 ]} كما هو موضح في المعادلة (2)، حيث M (الكتلة الحيوية 0) هي كتلة الكتلة الحيوية الأصلية، و k هو معدل اضمحلالها (النسبة المفقودة في وحدة زمنية)، و t هي الكتلة الحيوية المتبقية بعد الزمن t .

المعادلة 2: ${\displaystyle M_{biomass}(t)=M_{biomass}(0)e^{-kt}\,}$

يؤدي التكامل من الزمن صفر إلى ما لا نهاية إلى المعادلة (3) للكتلة الحيوية المتكاملة زمنيًا ( BIOTA ) التي تساهم بها هذه الكتلة الحيوية:

المعادلة 3: ${\displaystyle BIOTA={\frac {M_{biomass}(0)}{k}}}$

على سبيل المثال، إذا فُقد 0.01% من الكتلة الحيوية سنويًا، فإن إجمالي الكائنات الحية المتكاملة زمنيًا سيكون 10000.${\displaystyle M_{biomass}(0)}$بالنسبة للكتلة الحيوية المُكوَّنة من موارد الكويكبات، والتي تبلغ 6 × ^{10²⁰ كجم، ينتج عن ذلك 6 × 10²⁴} كجم-سنة من الكائنات الحية في النظام الشمسي. حتى مع هذا المعدل الضئيل للفقد، ستختفي الحياة في النظام الشمسي في غضون بضع مئات آلاف السنين، وسينخفض ​​إجمالي الكائنات الحية المُتكاملة زمنيًا، والبالغة 3 × 10³⁰ ^كجم -سنة تحت شمس التسلسل الرئيسي، بمقدار 5 × 10⁵ ^، على الرغم من إمكانية وجود عدد كبير من البشر، يصل إلى 1.2 × ^10¹²، يعتمدون على الكتلة الحيوية طوال فترة صلاحية الشمس. ^{[ 2 ] [ 3 ]} يمكن زيادة الكتلة الحيوية المُتكاملة إلى أقصى حد عن طريق تقليل معدل تبديدها. إذا أمكن تقليل هذا المعدل بشكل كافٍ، فستدوم جميع الكتلة الحيوية المُكوَّنة طوال مدة بقاء الموئل، ومن المجدي بناء الكتلة الحيوية بأسرع ما يمكن. ومع ذلك، إذا كان معدل التبديد كبيرًا، فقد ينخفض ​​معدل بناء الكتلة الحيوية وكمياتها في حالة الاستقرار، مما يسمح بوجود كتلة حيوية وسكان في حالة استقرار تستمر طوال عمر الموطن.

تُطرح مسألة ما إذا كان ينبغي لنا بناء أعداد هائلة من الكائنات الحية التي تتلاشى بسرعة، أم أعداد أقل، ولكنها لا تزال كبيرة، تدوم لفترة أطول. تشير الأخلاقيات الحيوية التي تتمحور حول الحياة إلى أن الحياة يجب أن تدوم لأطول فترة ممكنة. ^{[ 9 ]}

إذا امتدت الحياة إلى أبعاد مجرية، فينبغي أن تتمكن التكنولوجيا من الوصول إلى جميع الموارد المادية، وسيُحدد استدامة الحياة بكمية الطاقة المتاحة. ^{[ 2 ]} ويُحدد الحد الأقصى للكتلة الحيوية حول أي نجم بناءً على متطلبات الطاقة لهذه الكتلة الحيوية ولمعان النجم . ^{[ 2 ] [ 3 ]} على سبيل المثال، إذا  احتاج كيلوغرام واحد من الكتلة الحيوية إلى 100 واط، فيمكننا حساب كميات الكتلة الحيوية التي يمكن أن تدعمها النجوم ذات مخرجات الطاقة المختلفة في حالة الاستقرار. تُضرب هذه الكميات في عمر النجم لحساب إجمالي الكتلة الحيوية المتكاملة زمنيًا على مدار عمر النجم. ^{[ 2 ] [ 3 ]} وباستخدام توقعات مماثلة، يمكن بعد ذلك تحديد الكميات المحتملة للحياة في المستقبل. ^{[ 2 ]}

بالنسبة للنظام الشمسي منذ نشأته وحتى الآن، تُقدّر الكتلة الحيوية الحالية البالغة 10 ^{^15} كيلوغرامًا على مدى الأربعة مليارات سنة الماضية بكتلة حيوية متكاملة زمنيًا ( BIOTA ) تبلغ 4 × 10^ ²⁴ كيلوغرام-سنة. وبالمقارنة، فإن الكربون والنيتروجين والفوسفور والماء الموجودة في الكويكبات التي تبلغ كتلتها 10 ^{^22} كيلوغرامًا تسمح بوجود 6 × 10^ ²⁰ كيلوغرامًا من الكتلة الحيوية التي يمكن أن تُحافظ على طاقتها لمدة 5 مليارات سنة قادمة للشمس، مما يُعطي كتلة حيوية متكاملة زمنيًا (BIOTA) تبلغ 3 × 10^ ³⁰ كيلوغرام-سنة في النظام الشمسي و3 × 10^ ³⁹ كيلوغرام-سنة لحوالي 10^ ¹¹ نجمًا في المجرة. ويمكن أن تُعطي المواد الموجودة في المذنبات كتلة حيوية وكتلة حيوية متكاملة زمنيًا (BIOTA) أكبر بمئة ضعف.

ستتحول الشمس حينها إلى نجم قزم أبيض ، يشع طاقة قدرها 10 ^{^15} واط، ويحافظ على كتلة حيوية مقدارها 10^13 كيلوغرام لمدة هائلة تبلغ مئة مليون تريليون (10^ ²⁰ ) سنة، مساهماً بكتلة حيوية متكاملة زمنياً (BIOTA) تبلغ 10 ^ ³³ سنة. ويمكن للأقزام البيضاء التي قد توجد في المجرة خلال هذه الفترة، والبالغ عددها 10 ^{^12 قزماً ، أن تساهم بكتلة حيوية متكاملة زمنياً} (BIOTA) تبلغ 10 ^{^45} كيلوغرام-سنة. أما الأقزام الحمراء، التي تبلغ إضاءتها 10 ^{^23} واط وعمرها 10 ^{^13} سنة، فيمكنها أن تساهم بـ 10 ^{^34} كيلوغرام-سنة لكل منها، ويمكن لـ 10^ ¹² قزماً أحمر أن تساهم بـ 10^ ⁴⁶ كيلوغرام-سنة، بينما يمكن للأقزام البنية أن تساهم بـ 10 ^{^39} كيلوغرام-سنة من الكتلة الحيوية المتكاملة زمنياً ( BIOTA ) في المجرة. إجمالاً، يمكن للطاقة التي تنتجها النجوم خلال 10²⁰ ^سنة أن تدعم كتلة حيوية متكاملة زمنياً تبلغ حوالي 10⁴⁵ ^{كيلوغرام} -سنة في المجرة. وهذا يعادل مليار تريليون (10²⁰ ⁾ ضعف عدد الكائنات الحية الموجودة على الأرض حتى الآن. في الكون، يمكن للنجوم في 10¹¹ ^مجرة ​​أن تدعم 10⁵⁷ ^{كيلوغرام} -سنة من الحياة.

تشير نتائج علم البيئة الفلكية المذكورة أعلاه إلى إمكانية توسيع نطاق الحياة في المجرة من خلال السفر الفضائي أو التبذر الكوني الموجه . ^{[ 23 ] [ 24 ]} وتُعدّ كميات الحياة المحتملة التي يُمكن أن تنشأ في المجرة، وفقًا لتوقعات علم البيئة الفلكية، هائلة. تستند هذه التوقعات إلى معلومات حول 15 مليار سنة مضت منذ الانفجار العظيم ، لكن المستقبل الصالح للحياة أطول بكثير، إذ يمتدّ على تريليونات الدهور. لذلك، قد تسمح قوانين الفيزياء وموارد علم البيئة الفلكية وبعض السيناريوهات الكونية باستمرار الحياة المنظمة، وإن كان بوتيرة متناقصة باستمرار، إلى أجل غير مسمى. ^{[ 25 ] [ 26 ]} ويمكن معالجة هذه الاحتمالات من خلال التوسع طويل الأمد لعلم البيئة الفلكية ليشمل علم البيئة الكونية.

• علم الكونيات
• النيازك

• علم البيئة الفلكية / علم توسيع نطاق الحياة في الفضاء
• أخلاقيات علم الفلك / أخلاقيات توسيع نطاق الحياة في الفضاء
• مجتمع نظرية التبذر الكوني / علم وأخلاقيات توسيع نطاق الحياة في الفضاء