Вопросы рассеивания жизни по системам рукава Ориона

Автор Сергей Хижняк, 16.03.2023 06:41:02

« назад - далее »

0 Пользователи и 1 гость просматривают эту тему.

Сергей Хижняк

Цитата: Антикосмит от 15.03.2023 18:43:53Вот, кстати, хотел у вас узнать. Какими микроорганизмами и в каком порядке имеет смысл засеивать стерильную планету с анаэробной атмосферой, но эквивалентной +/- молодой Земле? Кто из фотосинтезирующих микроорганизмов наиболее пригоден для экстремальных условий? Полагаю сине-зеленые бактерии.

Но по идее несколько позже или параллельно нужно засевать и другими видами, чтобы организовать микробиальные биоцензы и начать нарабатывать не только кислородную атмосферу, но и почвенный слой.
Отвечаю. В скобках замечу, что, если перед нами аналог молодой Земли, то с высокой вероятностью там уже есть своя жизнь. На Земле жизнь появилась по геологическим меркам практически мгновенно после остывания планеты и формирования океанов. Так что встанет неслабый вопрос - что делать с местными микробами? Особенно, если они биохимически несовместимы с земной жизнью (например, у них аминокислоты не левовращающие, а правовращающие). В случае полной совместимости можно на местных наплевать, пусть наши продвинутые и генетически модифицированные микробы их конкурентно вытеснят, и всё. А вот в случае несовместимости вопрос интересный. Могут возникнуть две параллельные Биосферы (местная и формируемая нами). Правда, эти Биосферы тоже будут конкурировать (за CO2 и за минеральный азот-фосфор и прочие элементы), и, вероятно, в итоге победит только одна - но совсем не факт. Может, они разделят ресурсы по Парето, как часто бывает между конкурирующими видами в земных экосистемах. Но это так, рассуждения вслух. Будем считать, что нам удалось открыть ту планету в тот короткий период времени, когда океаны уже есть, а жизни в них ещё нет. Сейчас продолжу.

Сергей Хижняк

Продолжаю.
1. Заселяем океаны сине-зелёными водорослями, они же цианобактерии. Больше - никого, нам не нужны циклы, нам надо изъять CO2 и насытить атмосферу кислородом. То есть нужна глобальная реакция
6CO2+6H2O>C6H12O6+6O2 (фотосинтез)
без обеспечивающей круговорот углерода параллельной реакции
C6H12O6+6O2>6CO2+6H2O (дыхание)
Поскольку никаких циклов у нас пока нет (более того, циклы на этом этапе противопоказаны), цианобактерий придётся подкармливать минеральными формами азота-фосфора-серы и ещё по-мелочи. В нашей Биосфере все эти элементы гоняются по циклу, а при отсутствии циклов их надо будет вносить извне. Хотя с азотом не так грустно, среди цианобактерий есть очень продвинутые азотфиксаторы (виды, способные усваивать атмосферный азот), так что если использовать азотфиксирующие цианобактерии, подкормка минеральным азотом не понадобится.

Почвой на этом этапе не заморачиваемся. Пока нет озонового слоя, сушу поливает жёсткий (коротковолновый) ультрафиолет, против которого у живых организмов нет защиты.

2. Через энное время (на Земле для этого понадобилось примерно 2 млрд. лет с момента появления жизни, или примерно 1 млрд. лет с момента появления кислородного фотосинтеза, плюс-минус) у нас в атмосфере уже есть достаточно кислорода, чтобы сформировался озоновый слой и суша стала доступной для жизни. На Земле первопроходцами суши, по современным данным, были те же цианобактерии, которые стали заселять сушу сразу после появления озонового слоя. Они и сейчас - первопроходцы, но как почвообразователи они практически не работают. В лучшем случае они формируют такие плёнки.


Так что заселять сушу цианобактериями мы не будем. Мы сразу посадим высшие растения. Сейчас продолжу.

Сергей Хижняк

Продолжаю.
3. У нас есть озоновый слой. Суша из-за площадного стока и отсутствия выраженных водоразделов и водотоков представляет собой так называемую "мокрую пустыню". Что-то типа такого.

или такого

На этом этапе надо выбрать цветковые (либо споровые, но в любом случае - сосудистые) растения-пионеры, которые на Земле первыми заселяют подобные ландшафты. Такие растения есть, хорошие и разные, и каждый видел примеры таких растений на заведомо лишённых почвы глинистых отвалах. Сегодня - отвал, а завтра уже всяким бурьяном порос. Но это - вопрос к ботаникам, они подберут консорциумы таких растений (и травянистых, и кустарниковых) для разных ландшафтов и разных климатических зон. Зоологи подберут консорциумы опылителей и фитофагов, микробиологи (то есть мы) подберут консорциумы микроорганизмов (азотфиксаторы-аммонификаторы-нитрификаторы, деструкторы органики, короче, весь набор). То есть закидываем сразу полноценные пионерские экосистемы.

4. Пионерские экосистемы меняют ландшафт и создают условия для уже не-пионерских экосистем. После этого мы закидываем туда уже не-пионерские виды, и запускается нормальная сукцессия, финалом которой станет формирование почвенного слоя и полноценных самоподдерживающихся сухопутных экосистем.

Единственная проблема - на Земле растения полезли на сушу задолго до того, как атмосфера приобрела нынешний газовый состав. Нам же на этой планете придётся подождать, пока цианобактерии в океанах перестроят атмосферу в соответствии с современными земным газовым составом. Иначе насекомые не выживут.
Ну и ещё одна проблема - куда девать биомассу цианобактерий. Пускать в круговорот нельзя, весь связанный в биомассе углерод вернётся в атмосферу в виде CO2, а весь наработанный кислород потратится на окисление этой биомассы. Но, думаю, по мере снижения концентрации CO2 и исчерпания минерального фосфора-серы и прочих минеральных элементов в океане эти цианобактерии сами массово вымрут и осядут на дно - где через энное время превратятся в ископаемое топливо.

Примерно так. Может, что-то упустил, но мне пора поработать. Тем более, что мою уверенность, что я успешно отболтался от участия в двух новых грантах, только что сильно поколебали телефонным звонком.

Сергей Хижняк

P.S.
Забыл написать про скорости процессов. Самый долгий процесс - это накопление кислорода. Вот как это было на Земле


С момента появления кислородного фотосинтеза (3.2 млрд. лет назад) до момента, когда его концентрация начала расти (2.4 млрд. лет назад) прошло 0.8 млрд. лет. В это время кислород расходовался на окисление неорганики (на перевод растворённого в океанах Fe(2+) в Fe(3+) и на окисление прочих восстановленных соединений). Если та планета - аналог Земли, там будет та же картина. А на то, чтобы довести концентрацию O2 до нынешнего уровня, фотосинтетикам потребовалось примерно 2.5-2.7 млрд лет.

Можно ли ускорить этот процесс (за счёт использования генетически модифицированных цианобактерий, за счёт удобрения океана минеральными элементами)? Можно, но во сколько раз - надо считать, а перед этим - искать данные о хим.составе тогдашних океанов и ещё кое-какую фактическую информацию. Оно того не стоит. Так что, очень грубо и очень навскидку - можно ускорить примерно так в 1000-10000 раз. То есть вместо миллиардов лет получить миллионы или сотни тысяч. Повторюсь, это очень грубо и очень навскидку, могу ошибиться на порядок-два.

Что касается формирования сухопутных ландшафтов и сухопутных экосистем с почвенным слоем, то тут всё пойдёт гораздо быстрее. Я бы (при условии, что оно получается не само собой, а под нашим чутким контролем, и что толпы трудолюбивых крестьян/роботов под руководством специалистов высаживают растения и выпускают микробов и насекомых в нужных местах и в нужное время) кинул на это от нескольких столетий до нескольких тысячелетий (скорее, тысячелетий).

Итого, при супер-оптимистичном сценарии я бы на всё про всё кинул от 10 тыс. лет до 100 тыс. лет. А при более-менее реалистичном сценарии - несколько миллионов лет.

Сергей Хижняк

Ну и моё личное мнение, никак не претендующее на истину.

Вменяемые цивилизации вообще не заморачиваются ни с терраформированием, ни с колонизацией других планет. Точно также, как человечество не заморачивается с колонизацией Аляски, или, скажем, Сибири. Вот, например, динамика населения Аляски.

Выползли на плато 700 с небольшим тыс., и успокоились, больше желающих нет. Хотя там и природа, и ресурсы, и логистика отлажена, и всё на свете.  И Сибирь никто не колонизует, хотя у нас тут тоже и природа, и ресурсы, и морозы, и гнус, и лето короткое, и можно жить без скафандра.

А уж колонизация другой планеты (тем более, в другой звёздной системе на расстоянии фиг знает сколько световых лет) это фантастические затраты ресурсов и времени - и для чего? Чтобы получить заведомо плохое подобие своей планеты. Заведомо плохое подобие - потому, что там всяко будут отличия от родной планеты (гравитация не та, и/или спектральный состав света не вполне тот, и/или климат не вполне тот...). А биология потенциальных колонизаторов заточена именно под родную планету. Так что вменяемые цивилизации, по моему мнению, такой фигнёй не маются, а обустраивают хорошую жизнь у себя дома. А невменяемые цивилизации банально не доживают до такого уровня, при котором они могли бы заняться терраформированием и колонизацией. Этим и объясняется Парадокс Ферми.

И ещё надо не забывать про то, что чем ближе планета по характеристикам к родине колонизаторов, тем больше шансов, что на этой планете уже есть своя местная Биосфера. Так что возникает вопрос - что делать с этой Биосферой? Правильный ответ с точки зрения колонизации - ликвидировать и заменить на родную для колонистов. Но у вменяемой цивилизации наверняка будут местные "зелёные", которые воспротивятся уничтожению инопланетной биосферы. Поэтому сторонникам колонизации придётся либо искать совсем уж отстойные планеты, где биосферы нет (соответственно, терраформировать эти планеты будет особенно трудно), либо искать планету, подобную родной, но на очень ранней стадии - до появления там местной жизни.

Спрашивается, причём тут "Компьютерная безопасность", которой посвящён данный раздел? А при том, что меня спросили, я ответил.

Антикосмит

Вся проблема в том, что у Земли примерно миллиард лет до того как она станет пустыней. Ну полтора с учетом всяких приполярных областей. Потом только всякие термоэкстремофилы и галоэкстремофилы.

Срок существования технической цивилизации тоже ограничен. Так вот про планеты я завел речь именно в этом контексте: прикинуть как можно засеять подходящие планеты в радиусе, скажем, 1-1,5 тысяч световых лет.

Хорошо бы выделить сообщения на биологическую тему в отдельную тему "Вопросы рассеивания жизни по системам рукава Ориона". Тут еще очень много интересных вопросов можно обсудить.
Ты еще не встретил инопланетян, а они уже обвели тебя вокруг пальца (с) Питер Уоттс

Serge V Iz

Надо ширше: попробовать создать формы жизни, которым потребуетсся значительно меньше млрд лет )

Dulevo

Репликаторы.
Квазижизнь обладает большей энергетикой чем обычная.
Все будет делаться гораздо быстрее.

vlad7308

Цитата: Dulevo от 16.03.2023 14:46:52Репликаторы
Обычная жизнь и есть эти самые репликаторы :)
это оценочное суждение

Сергей Хижняк

Цитата: Dulevo от 16.03.2023 14:46:52Репликаторы.
Квазижизнь обладает большей энергетикой чем обычная.
Все будет делаться гораздо быстрее.
Цитата: vlad7308 от 16.03.2023 14:52:50Обычная жизнь и есть эти самые репликаторы :)
Вот именно. Причём живые системы - это самые компактные репликаторы, которые только теоретически возможны. Поскольку они сделаны из самых мелких атомов, которые только могут быть использованы в молекулярных машинах - H, C, N, O. Ну, ещё местами P и S. Любые другие хим.элементы либо принципиально не могут служить для создания молекулярных машин (не та химия, не те электронные оболочки), либо молекулярные машины будут гораздо более громоздкими.

Так что "квазижизнь" по факту будет представлять собой приличных размеров фабрики, обслуживаемые приличных размеров роботами.

Сергей Хижняк

Цитата: Serge V Iz от 16.03.2023 14:37:17Надо ширше: попробовать создать формы жизни, которым потребуетсся значительно меньше млрд лет )
Увы, но сие невозможно (с). Цианобактерии уже оптимизированы миллиардами лет эволюции, дальше оптимизировать некуда. Можно, конечно, создать более продуктивные по утилизации углерода - выделению кислорода формы, но они будут неконкурентоспособны в дикой природе. Примерно как корова, оптимизированная под производство молока, неконкурентоспособна вне коровника. Или как пшеница, оптимизированная под высокий урожай зерна, неконкурентоспособна вне пшеничного поля (впрочем, она и на поле не слишком конкурентоспособна - приходится применять всякие там удобрения и пестициды, чтобы не загнулась).
То есть эти оптимизированные цианобактерии придётся культивировать на специальных биофабриках, при этом ещё и постоянно следить, чтобы не появлялись мутанты, которые будут делать то, что выгодно им, а не то, что выгодно нам.

Serge V Iz

Цитата: Сергей Хижняк от 16.03.2023 16:50:29Цианобактерии уже оптимизированы миллиардами лет эволюции, дальше оптимизировать некуда.
Ну, хотя бы оптимизировать под местные условия? Под местный набор микроэлементов, макро, спектра света и т.д.?

Сергей Хижняк

Цитата: Serge V Iz от 16.03.2023 16:54:56Ну, хотя бы оптимизировать под местные условия? Под местный набор микроэлементов, макро, спектра света и т.д.?
В Тех.задании был аналог первобытной Земли, так что особая оптимизация не требовалась.
Набор микро- и макроэлементов везде один, вдобавок, мы взяли азотфиксаторов (то есть азот будут брать из атмосферы), а что касается остальных микроэлементов - я предусмотрел постоянное удобрение океана этими элементами (для ускорения процессов и потому, что рециклизацию мы принципиально не делаем - нам нужен вынос углерода из оборота, а не возвращение его в цикл, так что удобрять в любом случае надо).
 
Что же касается спектрального состава - то, если он сильно отличается от солнечного (хотя у жёлтых карликов он вроде бы у всех примерно одинаков) подшаманить не проблема. Это достигается небольшой модификацией светособирающих комплексов, они же "антенны". Эти комплексы ловят кванты с длиной волны вне спектра поглощения хлорофилла, а потом передают энергию на хлорофилл. У водорослей (включая цианобактерии) для этих целей служат фикобилины, вот с той ссылки на Википедию.
ЦитироватьВыделяют несколько классов фикобилинов, с различными спектральным характеристиками:
  • фикоэритрины — красный (максимум поглощения от 540 до 570 нм, отсутствуют у глаукоцистофитов);
  • фикоцианины — синий (максимум поглощения от 615 до 630 нм);
  • аллофикоцианины — сине-зелёный (максимум поглощения около 620—670 нм, отсутствуют у криптофитов).
Собственно, водоросли и сами умеют подшаманить, и даже в режиме он-лайн. Оттуда же.
ЦитироватьВыделяют несколько классов фикобилинов, с различными спектральным характеристиками:
Соотношение фикобилиновых пигментов у разных видов водорослей определяется спектральным состав используемого ими света. На большие глубины водной толщи проникает в основном коротковолновый синий свет. В связи с этим у красных водорослей, обитающих как правило на больших глубинах накапливаются фикоэритрины, эффективно поглощающие высокоэнергетическое кванты. А у цианобактерий, населяющих пресные водоемы и верхние слои водной толщи океанов в основном накапливаются фикоцианины и аллофикоцианины. Кроме того у водорослей одного вида соотношение пигментов также не постоянен и модифицируется в зависимости от глубины обитания (явление хроматической адаптации)

P.S.
Возможно, потребуется некоторая модификация под более высокую концентрацию CO2. У современных высших растений при CO2 выше 1-2% начинается ингибирование фотосинтеза, поэтому в теплицах CO2 выше 1% обычно не поднимают. У водорослей и цианобактерий, вроде, и оптимум и максимум CO2 заметно выше, хотя точно не помню, а гуглить лень. Но такую модификацию можно сделать даже не генной инженерией, а простой селекцией.

Serge V Iz

Цитата: Сергей Хижняк от 16.03.2023 16:50:29неконкурентоспособны в дикой природе. Примерно как корова, оптимизированная под производство молока, неконкурентоспособна вне коровника.
Интересно. А если это -- коровник? В смысле, конкурировать-то не с кем еще пока. И финальный коллапсец, вроде, тем проще осуществить? Или тут есть еще более хитрые неочевидные сложности?

Сергей Хижняк

Цитата: Антикосмит от 16.03.2023 14:24:09Вся проблема в том, что у Земли примерно миллиард лет до того как она станет пустыней.
Цитата: Антикосмит от 16.03.2023 14:24:09Срок существования технической цивилизации тоже ограничен.
Если срок существования технической цивилизации ограничен, то, на мой взгляд, уже без разницы, что там будет через млрд. лет. :) А если  цивилизация будет успешно развиваться, то терраформировать Землю, чтобы она не стала пустыней, всяко легче, чем терраформировать планету на расстоянии фиг знает сколько световых лет.
Опять же, если цивилизация доживёт до превращения Солнца в Красного гиганта - то можно будет переселиться на какие-нибудь космические ковчеги и мигрировать на орбиту Юпитера или куда там надо будет. А потом вернуться обратно и иметь в запасе ещё 10 млрд. лет (или сколько там?) возле белого карлика.

Сергей Хижняк

Цитата: Serge V Iz от 16.03.2023 18:03:57Интересно. А если это -- коровник? В смысле, конкурировать-то не с кем еще пока. И финальный коллапсец, вроде, тем проще осуществить? Или тут есть еще более хитрые неочевидные сложности?
В смысле, планета ещё лишена жизни, и конкурировать не с кем? Цианобактерии будут конкурировать между собой. Самые злобные конкуренты для представителей любого вида - это другие представители того же самого вида, поскольку у них точно такие же потребности в плане ресурсов. Я потому и написал про биофабрики, где надо будет постоянно следить, чтобы не расплодились мутанты и не вытеснили исходник. Вне биофабрики мгновенно запустится эволюция, и наших оптимизированных под связывание углерода и вытеснение кислорода вытеснят их же мутировавшие потомки, оптимизированные под то, что выгодно им.

Классическая проблема биотехнологии - появление мутантов, которые делают то, что выгодно им, а не то, что нужно нам, и конкурентно вытесняют исходный штамм. Для противодействия этому при правильных микробиологических производствах существуют микробиологические лаборатории. Ну а в океане микробиологической лаборатории не будет, со всеми вытекающими.

Сергей Хижняк

Я вижу только один способ заметно ускорить процесс - это запланированное мной удобрение океана минеральными веществами. В океанах лимитирующим фактором являются именно минеральные вещества.

В принципе, можно не ограничиваться цианобактериями, а населить океаническое дно ещё и многоклеточными эукариотическими водорослями. Для разных глубин - разные группы водорослей. Цианобактерии будут работать в толще воды, а эти - на дне, в том числе на глубинах, некомфортных в плане освещения для цианобактерий. Хотя по скорости биопродукции (то есть в нашем случае - превращении CO2 в биомассу) прокариоты вне конкуренции, так что эукариотические водоросли вряд ли сильно ускорят процесс.

Serge V Iz

Цитата: Сергей  Хижняк от 16.03.2023 18:14:21
Цитата: Serge V Iz от 16.03.2023 18:03:57Интересно. А если это -- коровник? В смысле, конкурировать-то не с кем еще пока. И финальный коллапсец, вроде, тем проще осуществить? Или тут есть еще более хитрые неочевидные сложности?
В смысле, планета ещё лишена жизни, и конкурировать не с кем? Цианобактерии будут конкурировать между собой. Самые злобные конкуренты для представителей любого вида - это другие представители того же самого вида, поскольку у них точно такие же потребности в плане ресурсов. Я потому и написал про биофабрики, где надо будет постоянно следить, чтобы не расплодились мутанты и не вытеснили исходник. Вне биофабрики мгновенно запустится эволюция, и наших оптимизированных под связывание углерода и вытеснение кислорода вытеснят их же мутировавшие потомки, оптимизированные под то, что выгодно им.

Классическая проблема биотехнологии - появление мутантов, которые делают то, что выгодно им, а не то, что нужно нам, и конкурентно вытесняют исходный штамм. Для противодействия этому при правильных микробиологических производствах существуют микробиологические лаборатории. Ну а в океане микробиологической лаборатории не будет, со всеми вытекающими.
То есть, получим тот же долговременный эксперимент по видообразованию, что уже был. По крайней мере, начиная с того момента, как пищевой и всякий прочий ресурс начнет существенно менять структуру. Понятно.

Значит, если возжелать ускорения, то придется озаботиться еще и специальной биотехнологией -- по охране особо продуктивных форм жизни от их негодных отпрысков. )

Сергей Хижняк

Цитата: Serge V Iz от 16.03.2023 18:22:59Значит, если возжелать ускорения, то придется озаботиться еще и специальной биотехнологией -- по охране особо продуктивных форм жизни от их негодных отпрысков. )
Ну, или пустить дело на самотёк. Пусть победит сильнейший, а мы просто обеспечим минеральную подкормку. :)
В принципе, нас это устраивает - естественный отбор пойдёт на скорость размножения, то есть на ту самую скорость превращения CO2 в биомассу. И пусть эти отпрыски будут тощие и не самые продуктивные в плане образование кислорода, зато их будет много.

Serge V Iz

Я понимаю. )

Если насыпать чуть-чуть хилософского драматизьму, то такая задача в полном виде может быть сформулирована так: "оставить жизнь жизнью, но лишить ее фундаментального свойства -- эволюции". Это да, может быть, похлеще Фауста Гёте задачи приостановить процессы износа в нашей любимой звёздной печке чисто техническими мерами. )