“最も効率的な方法で行えば、既存の技術でも可能である。新しい方法は必要だが、現在の知識の範囲を超えているものはない。課題は、宇宙植民地化の目標を今すぐ経済的に実現することです。その鍵は、地球の外側の領域を空白ではなく、物質とエネルギーに富んだ文化媒体として扱うことです。そうすれば、十分に短い時間で、コロニーの指数関数的な成長は、全人類に大きな利益をもたらすポイントに到達することができる。”

-Gerard K. O’Neill, The Colonization of Space, 1974

1960年代から70年代にかけて、宇宙時代の到来とともに、科学者たちは、人類が宇宙で生活できるようになることを考えた。人類と産業が他の天体や軌道上の居住区に移住することは、人口過剰と環境破壊を解決する可能性がある。しかし、O’Neillの著作にあるように、この移住を経済的に可能にすることが重要である。現在、宇宙開発への取り組みが再開され、商業宇宙（NewSpace）が台頭していることから、人類の宇宙への移住は手の届くところにあり、必然であるとの認識が広がっている。

しかし、有名なイギリスの歴史家AJP Taylorの言葉を借りれば、“起こるまでは何も必然性がない”ということになる。コーネル大学の大学院研究員Morgan A. Irons氏とノーフォーク研究所の共同設立者兼エグゼクティブ・ディレクターのLee G. Irons氏は、新しい研究で、Pancosmorio（「世界限界」）理論を開発するために1世紀にわたる科学研究を再検討した。その結果、太陽系のどこにもない地球特有の生命維持条件が、人類の宇宙進出を阻害している可能性があると結論づけた。地球のような「自己修復的な秩序、能力、組織」がなければ、宇宙居住は持続不可能となり、やがて崩壊してしまうだろうと彼らは主張する。

Lee G. Irons氏は、バージニア州にあるNorfolk Instituteの創設者で、宇宙での生活と地球での持続的な生活のためのソリューションを専門に扱う会社である。Morgan A. Irons氏は、コーネル大学のJohannes Lehmann氏の研究グループに所属する博士候補生で、Carl Sagan Instituteのリサーチ・フェローだ。2016年、MorganとLeeは、宇宙と地球で持続的に食料を供給するための生態系を工学的に設計するために、バージニア州に拠点を置くスタートアップDeep Space Ecology（DSE）を設立した。2020年、Morganとコーネル大学のLehmann博士は、Norfolk Institute、DSE、Zwillenberg-Tietz Foundation、bio365 LLC、Rhodium Scientific LLC、ベルリン自由大学のMatthias Rillig博士の支援を受け、土壌の安定性に対する重力効果を測定する土壌実験、別名「Soil Health in Space」実験をISSに送った。

移動と地球

彼らの研究を記した論文は、最近『Frontiers in Astronomy and Space Science』に掲載された。LeeとMorgan Ironsは、人類が宇宙へ移住することは避けられないという信念の背後にある仮定を、第一の考察として取り上げた。よくあることだが、この理論の支持者は、この想定される未来と人類の長い移住の歴史に類似性を持たせている。アフリカからユーラシア、ユーラシアからオーストラレーシア、ポリネシア、そしてアジアからアメリカ大陸へと、人類は20万年の間に移動してきたのである。

また、言語学者や民族学者は、歴史や現代の言語、文化に大きな影響を与えた過去15,000年にわたる複数の移住を追跡してきた。新石器時代（約1万年前～約5000年前）のユーラシア大陸における原インド・ヨーロッパ語（PIE）の移動、南太平洋におけるオーストロネシア人の移動（紀元前3000年頃～紀元前1000年）、アフリカにおけるバンツー人の拡大（紀元前1000年頃～500年）、ヨーロッパにおける「野蛮人の侵略」（約300～800年）、16～20世紀におけるアメリカ、アフリカ、アジアに対するヨーロッパの植民地化などである。

そして、Carl Seganの不朽の名言「探検は我々の本性である」を忘れることはできないだろう。私たちは放浪者として出発し、今も放浪者である。私たちは、宇宙の大海原の岸辺に長い間留まっていたのだ。宇宙という大海原の岸辺に長く留まっていたが、ついに星に向かって船出する準備が整ったのだ。もうひとつの傑作は、彼が『惑星へ（原題：Pale Blue Dot）』の中で書いた一節だ。また、短編映画『Wanderers』（下記参照）にも登場する一節も秀逸だ。Seganはこう表現している。

「物質的な利点はあっても、定住生活は私たちをエッジの効いた、満たされないものにしました。村や都市で400世代を経た今でも、私たちは忘れてはいません。オープンロードは、忘れかけた子供の頃の歌のように、今でも優しく呼びかけています。私たちは、遠く離れた土地にある種のロマンを抱く。この魅力は、私たちの生存に不可欠な要素として、自然淘汰によって丹念に作り上げられたものだと思うのです」

「長い夏、穏やかな冬、豊かな実り、豊富な獲物……どれも永遠には続かない。未来を予測することは、私たちの力の及ばないところです。破滅的な出来事は、私たちに忍び寄り、気づかれないようにする方法がある。あなた自身の命も、あなたのバンドの命も、あるいはあなたの種の命さえも、落ち着きのない少数の人々のおかげであるかもしれない」

この言葉は、このアイデアのもう一つの重要な側面、すなわち、いかに生存に不可欠であるかをも明示している。Stephen HawkingやRobert ZubrinからElon Muskに至るまで、多くの科学者や宇宙移住の提唱者が、「惑星間」になることが絶滅に対する唯一の長期的防衛策であると強調している。その原因が人為的なもの（気候変動、核戦争など）であれ、小惑星の衝突、ガンマ線バースト、その他の宇宙現象によるものであれ、一箇所に縛られることで人類文明は脆弱になる。

Seganも述べているように、私たちの生化学を見ると、星の内部で融合したすべての元素が私たちの構成要素の一部であることが確認される。組織中の水、DNA中の窒素、歯や骨のカルシウム、血液中の鉄、そして筋肉や臓器を構成するタンパク質や脂質の構成要素（炭素、水素、酸素）に至るまで、です。Seganの言葉を借りれば、「私たちは星の材料でできている」のです。同時に、私たちは約40億年の種の進化を経て、地球という星に縛られている。

LeeとMorganがPancosmorio理論の論文で述べているように、この進化の過程で、この地球上のすべての生命を維持する複雑な生態系が生まれたのだ。このシステムでは、すべての物質と地球の重力場、原子の電場との相互作用によって含まれるエネルギーが保存され、不可逆的なエントロピーは発生しない。その結果、生態系は再生可能であり、時間とともに自己を補充し、安定性と持続性を確保する。では、人類が地球とその生命維持のための再生システムを置き去りにした場合、どのような影響があるのだろうか。そして、さらに重要なことは、このことが地球外での人類の成長にどのような制限を課すことになるのかということだ。

ビッグ・オル・ヒートポンプ

こうした疑問を解決するために、MorganとLee Ironsは、生態系熱力学の理論とアブダクション推論の方法論に基づき、Pancosmorio理論を開発した。この意味で、地球とその再生生態圏は自己回復型熱機関に似ており、太陽放射は生命体と生物環境によって利用され、エネルギー、有機分子、バイオマスを作り出す。したがって、この比較は、持続可能な成長を測定するための基礎となるものだ。

また、彼らの提案する方法は、あらゆる場所での活動が、生命が進化した生態圏の基盤に相当する自己修復的な秩序、能力、組織を持っていると推論する「基盤成長仮説」を取り入れている。Lee IronsがUniverse Todayに説明したように、彼らの理論は確立している。

「人類と地球上のすべての生命は、地球に降り注ぐ継続的な太陽光発電と、生命が現在依存している散逸構造（生命体の生化学的サイクル）のネットワークの形で蓄積されたエクセルギー（蓄積エネルギー）から進化したとする。また、この理論は、これらの散逸構造や地球物理学的サイクル（水、空気、気象サイクルなど）を熱機関としてモデル化し、これらの熱機関を自己回復させる保存力という古典力学の知識を適用することに基づいています」

つまり、地球上の生命は、人類が現在の成長レベルを維持するために必要なある条件の下で進化してきたのだ。したがって、このような条件が揃っているかどうかが、宇宙における人類の成長の限界を決めることになる。そのためには、重力、気圧、暖房、季節、潮汐力、放射線防護などの定量的な要因に基づく自己修復秩序の存在、ストレス負荷に耐えうる生物・生体（無機・有機）資源の強固なネットワーク、エクセルギーを回収・分配できる十分な土地面積が不可欠である。

そして、地球と同じような基盤システムを、人類のインフラや技術でどのように補うかを考えたのだ。この考察では、人類が現在の成長レベルを維持するためには、地球で確立したものと同等のインフラが必要であるとしている。そのためには、基層生態系の原位置資源利用（ISRU）、増強された電力システム、農業生産、地球に匹敵する製造能力などが必要だ。

「不可逆的なサイクルを利用する非自己回復型の増強システム（＝人類の技術、インフラ、社会、文明）の性質は、半可逆的なサイクルを利用する自己回復型の基底システム（＝自然に進化した生態系）を維持することが必要であるということです。これは「強い持続可能性」と呼ばれます。すべては、現代の人類が地球上で適応してきた蓄積されたエクセルギーの利用可能性に起因します。人類は、より低いエクセルギーレベルに適応することができますが、それは、人類の増強能力と組織が何らかの形で減少することを意味し、おそらく制御不能となります。そして、地球や地球のような緩衝材がない宇宙空間でそのような適応を行うことは、非常に危険なことです」と、Leeは説明する。

この研究は、MorganとLeeが以前に行った研究に基づいており、宇宙での短時間ミッションに使用される従来の環境制御・生命維持システム（ECLSS）では、月や火星、さらにその先への長期ミッションを維持できないことを明らかにしたものだ。そのためには、時間と共に自己補充が可能な生物再生生命維持システム（BLSS）が必要である。この研究では、MorganとLeeが開発したテラフォーム持続性評価フレームワーク（TSAF）を用いて、BLSSの有効性を評価した。

つまり、地球上の同様のシステムと同等以上の持続可能性を持つ宇宙での生物再生システムを構築できれば、宇宙で地球と同様のシステムを形成したことになる（別名「テラフォーミング」）。MorganとLeeは、このフレームワークをさらに発展させ、Pancosmorio理論の一環として、人間の持続可能性を定量的に評価する方法を開発した。

4つのレベル

MorganとLeeは、これらの条件をもとに、4つの分析モデルを用いて、人類が地球の外でどのように生活できるかを評価した。これらのモデルは、これまでの考察に基づき、地球への依存度や自給自足の度合いを変えている。その結果、地球からどの程度離れた場所に居住できるかが直接的に影響し、その成長には厳しい限界があることが示された。

4つのモデルは4つのレベルに階層化されており、レベル1はテラフォーム固有の安定性評価1を達成した居住地や集落に適用され、レベル2～4はそれ以下の評価となる。その内訳は以下の通りだ。

レベル1：十分な散逸構造、電力、面積、機能的多様性、ネットワーク活力、および現代の人間社会で基本的な生態系を増強するのに十分なインフラを備えた宇宙居住施設または集落。これは、人類の持続可能性の問題を効果的に解決し、地球とのサプライチェーンを必要としない、宇宙における高度な人類社会のことを指す。これは、地球-月系のはるか彼方に位置する人類の基地や居住地として推奨される開発レベルである。

レベル2：散逸構造、パワー、面積の条件が満たされ、十分な自己修復の秩序と能力を持つ生息地と集落。しかし、これらの生息地は、生態系やインフラストラクチャーなどの組織化が不十分であり、その結果、攪乱されると荒廃し、多様性が失われる脆いネットワークとなる。このレベルでは、イノベーションと適応が可能だが、配置された資源と専門技術を置き換えるための最小限のサプライチェーンが必要だ。

レベル3：自己修復的な秩序は確立されているが、人間の適応能力を確保するための電力や面積が不足しているため、能力が満たされていない。この場合、人間の生命維持は十分であるが、擾乱時のカスケード障害を軽減するには不十分な組織レベルである。これは、人間の生息地や居住地の初期段階としてのみ推奨され、補足的なサプライチェーンに支えられながら、大幅な改良が必要となる。

レベル4：持続可能性の条件がいずれも満たされない場合のデフォルト。このような生息地や居住地では、自己修復的な秩序、能力、組織は不十分であり、オーグメンテーションによってミッションオペレーションシステムとECLSシステムのみを提供する。A. サプライチェーンは絶対に必要である。これは、国際宇宙ステーション（ISS）のような地球周回軌道内の有人ミッションと、LEOを超えるあらゆる期間の無人ミッションにのみ推奨される。

「持続可能性のレベルは、その居住地の人間がどれだけのリスクにさらされているかを効果的に強調するものです。地球からのサプライチェーンが地球上のサプライチェーンシステムと同じようにユビキタスになるまで、地球からのサプライチェーンそのものが信頼できるものではなく、持続可能なものにはなり得ないからです。つまり、宇宙における人類の持続可能性とは、地球からのサプライチェーンが利用できないときに、居住地がその地域の人口を維持できるかどうかということが基本的な問題なのです」と、Leeは説明する。

5つの仮説

最後に、MorganとLeeは、4つの持続可能性モデルを、人類の持続可能性に関する新しい定量的手法を活用した5つの検証可能な仮説に当てはめる。これらはそれぞれ、基地や居住地が太陽系に進出し、生産性の低下や殺伐とした雰囲気から多様性の喪失やカスケード不全に至るまで、予期せぬ出来事を経験した場合のコントロールテストや有人ミッションの結果に帰結する。5つの仮説とそれぞれの検証は、以下のように構成されている。

成長仮説：レベル1の持続可能性で運用されている宇宙空間の人類基地や入植地は、計画されたすべての負荷を混乱なく維持し、計画外の負荷や混乱に最小限の時間で適応できる成長を経験できる。つまり、この基地はテラフォーム固有の安定性評価が1である。

テスト：原因負荷または中断を決定するために、レベル1の持続可能性基準を満たすエコシステムの生産が一時的に低下するような計画外の事象の根本原因分析を行う。

災いの仮説：レベル2以下の持続可能性で運用されている人類の基地や入植地は、計画された負荷の下で生態系や技術的なネットワークが崩壊し、その後の混乱が生じることがある。このような堅牢性の欠如は、生態系の荒廃や生産量の限定的な損失として現れ、生産を回復するための是正措置や予防措置が必要となるであろう。

テスト：レベル2の持続可能性基準を満たす生態系において、回復することなく生産量が低下する（別名：枯渇）ような計画外の事象の根本原因分析を実施すること。

多様性喪失仮説：レベル2以下の持続可能性で運用されている宇宙空間の人類基地や入植地では、計画的な負荷による混乱が発生し、あらゆる混乱からの完全な回復ができないことがある。この信頼性の欠如は、機能的多様性の限定的な喪失として現れ、その結果、種の局所的な絶滅や技術的能力の喪失をもたらす。

テスト：レベル2の持続可能性基準を満たす生態圏が回復することなく多様性が失われるような計画外の事象の根本原因分析を実施する。

カスケード破綻の仮説：レベル3以下の持続可能性で運用されている宇宙空間の人類基地や入植地は、回復することなく混乱に見舞われることがある。これは、ある資源が完全に枯渇し、連鎖的に他の資源が失われる危険性があるカスケード損失として現れる。その結果、別の場所から緊急サプライチェーンを構築するか、人命救助のためにその場所を放棄する必要がある。

テスト：レベル3の持続可能性基準を満たす生態系において、実際にカスケード故障（大きな損失と複数の損失を伴う崩壊）が発生した計画外の事象の根本原因分析を実施する。

Pancosmorio理論仮説：テラフォーミングされた星系が持続可能な太陽からの最大天文単位数が存在する（レベル1の持続可能条件をすべて満たすと仮定して）。

テスト：仮説は、基地や集落が太陽からの距離に基づいて十分な電力（太陽、核、バッテリー、パワーセルなど）を供給できないことによって検証され、その結果、荒廃、多様性の喪失、カスケード不全を引き起こす可能性がある。散逸構造と面積の必要条件を満たしているにもかかわらず、持続可能性に問題がある基地や集落は、太陽からの距離や発電量の不足のために、十分な組織を達成・維持できない証拠であると言える。

Pancosmorio理論とその枠組みである4つのモデル、5つの検証可能な仮説、そしてアブダクション推論アプローチから、いくつかの否定できない結論を導き出すことが出来る。第一に、人類の技術、インフラ、社会は、それらを支える持続可能な基礎生態系がなければ、地球外では維持できない。第二に、私たちが知っているような生命は、地球特有のシステム、フィードバック、条件の結果である。つまり、それらは太陽系のどこにも存在しないため、地球外で人類の居住地を確立することは、単にドームを作り、気圧を上げ、種と肥料を撒くよりもはるかに困難なのだ。

近い将来、地球近傍に設置される基地や入植地（特に長期滞在型）は、可能な限り自給自足的であることが必要だ。これには、十分なエネルギー、散逸構造、加熱、重力、秩序を保つために必要な生物学的/生物学的要素、そしてこれらを補強してギャップを埋めるための適切な技術が含まれる。回転する円筒、遠心分離機、原子炉などは、テクノロジーによって重力や加熱を模擬できる良い例だが、自然な方法も必要だろう。

要するに、地球から遠く離れた場所にある居住地や集落ほど、自立する必要があるが、自立させるのは難しいということだ。つまり、できるだけ「地球に近い」生態系（テラフォーミング環境）を作り、地球が受ける太陽光発電と同等の持続可能な電力源を確保する必要があるのだ。そうでなければ、これらの居住地や集落は、高価で信頼性の低いサプライチェーンに頼らざるを得ず、内部崩壊の危険もある。このような制約があるため、人類がどこにどのように移住できるかは、非常に厳しい制限を受けることになる。

意味合い

BLSSに関する以前の研究と同様に、この研究は、持続可能性を測定するための定量的な方法を確立した点で意義がある。これにより、科学者やミッションプランナーは、月や火星、そしてその先に向かうミッションの長期的な成功の可能性を計算することができるようになる。「人類が地球という快適で生命維持のためのシステムから離れた場所に拠点を構えようとするとき、こうした定量的な枠組みがあれば、生き残るために必要なものを正確に知ることができる。

「生態学者は、何十年もの間、直交する持続可能性の特性を定量化する方法を研究してきました。私たちは、直交問題の解決と、ネットワーク生態学と生態学的熱力学の宇宙への応用を達成したと思っています。また、地球が秩序の島として機能する理由や仕組みを理論的に解明し、その結果、秩序の島の外に住むことが何を意味するのかを理解したと感じています」と、Leeは言う。

この研究は、人類が現在進めている宇宙での取り組みについて、3つの洞察を与えてくれる。1つ目は、国際宇宙探査調整グループ（ISECG）が計画している、人類が月面に永住する計画に関するものである。MorganとLeeは、そのフレームワークに基づいて、この計画は非常に限られたサプライチェーン・サポート・システムに大きく依存し、バックアップ増強予備要素を含んでいないと述べている。さらに、緊急脱出計画はISSのそれと同等であり、完全に非現実的である。要するに、この計画は、LEOにある宇宙ステーションを管理するものと比べて、持続可能性がないのだ。

第二に、この研究は火星に人類を移住させるためのものであり、どのような持続可能性レベルも達成することは困難である。地球からの距離から、レベル4の持続可能性は除外され、レベル3以上は、低重力と気圧の勾配があるため困難である。そのため、生態系が長期に渡って存続するためには、1Gの重力を再現する必要がある（想像するのは難しいが）。

3番目の洞察は、おそらく最も興味深いもので、宇宙の他の場所で知的生命体を探すこと（別名SETI）に関連するものだ。物理法則が普遍的であることを考えれば（そしてコペルニクス原理を考慮すれば）、このPancosmorio理論は、宇宙のどこかで進化した生命体にも適用できると言ってよいだろう。Leeが説明したように、これはフェルミのパラドックスに対する解決の可能性を提示している。

「この理論は、宇宙の他の生命体は、母星や星に依存しながら進化してきた可能性が高いことを示唆しています。もし人間が太陽から離れた宇宙空間を移動する際に、太陽間空間のエクセルギーを維持する資源が不足しているため、移動できる距離に制限があるとすれば、他の生命体も同じような制限があることを示唆しています。したがって、この理論は、普遍的な法則の実際の科学的根拠を、彼らがまだ我々を訪れていない理由の可能性として提供します」

これらの結論は、アルテミス計画の根拠となるNASAの「持続的月探査・開発計画」（2020年発表）と一致する。アポロ時代以来の月への宇宙飛行士の送り出しに加え、長期的には、地表の居住施設（アルテミス・ベースキャンプ）と軌道上の宇宙ステーション（ルナ・ゲートウェイ）を実現する「持続的月探査」プログラムの確立を目指している。

BLSSの開発は、NASAが今後10年間に火星に有人ミッションを送る長期計画 “The Journey to Mars”にも不可欠です。これらのミッションは2033年に開始される予定で、火星表面に居住地を作ることで最高潮に達することが期待されている。火星の通過時間が6ヵ月と長く、火星が地球に最も接近する26ヵ月ごとにしかミッションを開始できないため、自給自足とISRUが計画の重要なポイントになる。

推進技術の向上により、輸送時間の短縮やサプライチェーンの充実が期待されるが、現在のところ、宇宙開発では自給自足が基本となっている。人類が揺りかごから遠く離れるにつれ、生存と努力の鍵は、私たちを生んだ複雑な条件に依存していることを認識することだ。空気、水、食料はもちろんのこと、それらを作り出し、再生させる自然の仕組みが必要なのだ。

これらの結果は、人類の宇宙への移住がそれほど必然的なものではない可能性を示唆している。しかし、宇宙への移住を「必然か否か」という視点でとらえるのは、少々甘く無粋な気がする。むしろ、大きなメリットと大きな課題が同居する潜在的なチャンスと捉えるべきだろう。そのためには、必要なインフラを整備し、地域の資源を活用するだけではない。そのためには、必要なインフラを整備し、地域の資源を活用するだけでなく、自然の微妙なバランスと回復力を利用する必要がある。

この記事は、氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。