[論文レビュー] Earth-like and Tardigrade survey of exoplanets

Madhu Kashyap Jagadeesh, Milena Roszkowska+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2018

Tardigrade Biology and Ecology参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、表面温度と気圧を用いて、系外系の岩石惑星およびガス・水惑星におけるアクティブ状態およびクローブロビotic状態のトゥルダグラードの生存可能性を評価するための指標であるアクティブ・ターディグレード指数（ATI）とクライオバイオティック・ターディグレード指数（CTI）を導入する。これらの指標は0（生存不可能）から1（保証された生存）の範囲をとり、アクティブ状態およびクローブロビotic状態のトゥルダグラードの生存可能性を定量化するフレームワークを提供する。これは、極限耐性を持つ生物のための恒星系外惑星の居住可能性を評価する基盤を提供する。

ABSTRACT

Finding life on other worlds is a fascinating area of astrobiology and planetary sciences. Presently, over 3500 exoplanets, representing a very wide range of physical and chemical environments, are known. Tardigrades (water bears) are microscopic invertebrates that inhabit almost all terrestrial, freshwater and marine habitats, from the highest mountains to the deepest oceans. Thanks to their ability to live in a state of cryptobiosis, which is known to be an adaptation to unpredictably fluctuating environmental conditions, these organisms are able to survive when conditions are not suitable for active life; consequently, tardigrades are known as the toughest animals on Earth. In their cryptobiotic state, they can survive extreme conditions, such as temperatures below -250°C and up to 150°C, high doses of ultraviolet and ionising radiation, up to 30 years without liquid water, low and high atmospheric pressure, and exposure to many toxic chemicals. Active tardigrades are also resistant to a wide range of unfavourable environmental conditions, which makes them an excellent model organism for astrobiological studies. In our study, we have established a metric tool for distinguishing the potential survivability of active and cryptobiotic tardigrades on rocky-water and water-gas planets in our solar system and exoplanets, taking into consideration the geometrical means of surface temperature and surface pressure of the considered planets. The Active Tardigrade Index (ATI) and Cryobiotic Tardigrade Index (CTI) are two metric indices with minimum value 0 (= tardigrades cannot survive) and maximum 1 (= tardigrades will survive in their respective state). Values between 0 and 1 indicate a percentage chance of the active or cryptobiotic tardigrades surviving on a given exoplanet.

研究の動機と目的

• トゥルダグラード（地球上で最も丈夫な生物の一つとされる）が系外惑星で生存可能な可能性を定量化する指標を開発すること。
• 地球型の条件を超えた環境においても、トゥルダグラードの極限耐性特性を組み込むことで、居住可能性評価における空白を埋めること。
• 液体水と穏やかな温度にとどまらない、極端な環境への耐性を含めた、宇宙生物学的居住可能性基準の拡張。
• クローブロビotic状態およびアクティブ状態のトゥルダグラードの耐性閾値に基づいて、惑星環境を比較可能な指標ベースのツールとして提供すること。
• 今後の系外惑星の居住可能性スクリーニングを支援するため、惑星の指標に生物的耐性を統合すること。

提案手法

• アクティブ・ターディグレード指数（ATI）は、表面温度と気圧の幾何平均を、アクティブ状態のトゥルダグラードの生存閾値で正規化することで算出される。
• クライオバイオティック・ターディグレード指数（CTI）は、同じ幾何平均のアプローチを用いるが、クローブロビotic状態のトゥルダグラードの生存閾値を用いる。
• 両指標とも0から1の範囲に制限され、0は生存不可能、1は与えられた条件下で保証された生存を示す。
• 本手法では、生存確率が温度および気圧の極限耐性限界に近いほど高いと仮定している。
• 指標は、既知の系外惑星および太陽系天体に適用され、表面温度および気圧に関する公表済みデータが使用された。
• 広範な環境範囲にわたる耐性を確保するため、幾何平均の正規化に対数変換を用いるフレームワークが採用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極端な表面温度および気圧を示す系外惑星において、アクティブ状態のトゥルダグラードはどの程度生存可能か？
• RQ2 地球型でない条件の系外惑星において、クローブロビotic状態のトゥルダグラードの生存確率はいかほどか？
• RQ3 表面温度および気圧の幾何平均と、トゥルダグラードの生存閾値の相関関係は何か？
• RQ4 ATIおよびCTI指標は、多様な系外惑星環境において極限耐性を持つ生物の居住可能性を信頼性高く予測できるか？
• RQ5 岩石水惑星およびガス・水惑星など、異なる種類の系外惑星において、これらの指標はどのように比較されるか？

主な発見

• アクティブ・ターディグレード指数（ATI）およびクライオバイオティック・ターディグレード指数（CTI）は、表面温度と気圧のみを用いて、系外惑星におけるトゥルダグラードの生存確率を効果的に定量化できた。
• クローブロビotic状態のトゥルダグラードは、より広範な惑星的環境条件において顕著に高い生存可能性を示し、CTI値が高くなる傾向にあった。
• 表面温度が-250°Cから150°Cの範囲にあり、かつトゥルダグラードが耐えられる圧力範囲内にある惑星では、CTI値が1に近づき、高い生存可能性を示した。
• アクティブ状態のトゥルダグラードは、ATI値がわずかな温度および気圧範囲でのみ1に近づくことから、地球に類似した条件の惑星でのみ生存が予測された。
• 指標は、極端な条件下でもクローブロビシス状態に移行することで生存が可能となる可能性があるとされる複数の系外惑星を同定した。
• このフレームワークは、トゥルダグラードの極限耐性を活用することで、従来の地球中心の基準を超えた居住可能性評価を拡張可能であることを示した。