[論文レビュー] HERITAGE: a Monte Carlo code to evaluate the viability of interstellar travels using a multi-generational crew

F. Marin|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2017

Spaceflight effects on biology被引用数 8

ひとこと要約

HERITAGE は、遺伝的多様性、避妊、人口動態を追跡することで、複数世代にわたる恒星間船員の生存可能性をモデル化するモンテカルロシミュレーションコードである。本研究は、成功したミッションシナリオ（例：Moore 2003、Smith 2014）でさえ、遺伝的健康を確保するため、冷凍保存された精子・卵子・胚のバンクを統合することで顕著な利益を得られることを示しており、また、数世紀にわたるミッションにおいて、近親交配や人口の不均衡を是正するため、柔軟な社会的工学的戦略が不可欠であることを示している。

ABSTRACT

To evaluate the feasibility of long duration, manned spaceflights, it is of critical importance to consider the selection and survival of multi-generational crews in a confined space. Negative effects, such as infertility, overpopulation and inbreeding, can easily cause the crew to either be wiped out or genetically unhealthy, if the population is not under a strict birth control. In this paper, we present a Monte Carlo code named HERITAGE that simulates the evolution of a kin-based crew. This computer model, the first of its kind, accounts for a large number of free human-based parameters to be investigated proactively in order to ensure a viable mission. We show the reliability of HERITAGE by examining three types of population based on previously published computations. The first is a generic model where no birth/population control has been set up, quickly leading to fatal overcrowding. The second is the model presented by Moore (2003), that succeeds to bring settlers to another Earth under a 200 year-long flight, but the final crew is largely diminished (about a third of the initial crew) and about 20% of them show inbreeding of various levels. The third scenario is the model by Smith (2014) that is more successful in maintaining genetic diversity for the same journey duration. We find that both the Moore and Smith scenario would greatly benefit from coupling a kin-based crew together with a cryogenic bank of sperm/eggs/embryos to ensure a genetically healthy first generation of settlers. We also demonstrate that if initial social engineering constraints are indeed needed to maintain an healthy crew alive for centuries-long journeys, it is necessary to reevaluate those principles after each generation to compensate for unbalanced births and deaths, weighted by the inbreeding coefficient and a need for maximizing genetic diversity.

研究の動機と目的

• 恒星間ミッションにおける複数世代にわたる船員の長期的生存可能性を評価すること。
• 閉鎖空間環境下での近親交配、過剰人口、不妊といった人口的・遺伝的リスクを同定すること。
• 避妊、血縁関係、遺伝的多様性といった人間中心のパラメータを考慮できる柔軟なシミュレーションツールを開発すること。
• 冷凍保存された精子・胚が、長期間にわたる宇宙ミッションにおける遺伝的健康を向上させられるかどうかを検証すること。
• 複数世代にわたる間、船員の安定性と多様性を維持するため、適応的で柔軟な社会的工学的戦略の必要性を評価すること。

提案手法

• HERITAGE は、複数世代にわたる血縁に基づく船員の進化をモデル化するため、確率的モンテカルロシミュレーションを採用している。
• 個々の人生の出来事（出生、死亡、結婚、出産）を追跡し、各結婚の血縁度と近親交配係数を計算している。
• 避妊方針、初期船員数、性比といった調整可能なパラメータを組み込んで、さまざまなミッションシナリオをシミュレートしている。
• シミュレーションでは、近親交配係数を用いて遺伝的多様性を評価し、世代ごとの人口規模と構造を追跡している。
• 信頼性の検証および改善の機会の同定を目的として、出版済みのモデル（Moore 2003、Smith 2014）と結果を比較している。
• 遺伝的多様性の回復と近親交配の低減を目的として、冷凍保存された精子・胚のバンクを緩和戦略として統合している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数世代にわたる恒星間船員の長期的生存を脅かす人口的・遺伝的リスクとは何か？
• RQ2 既存のミッションシナリオ（例：Moore 2003、Smith 2014）は、200年間の航行において、どの程度遺伝的多様性を維持できているか？
• RQ3 冷凍保存された精子・胚バンクが、最終移民世代の遺伝的健康をどの程度向上させられるか？
• RQ4 数世紀にわたる期間において、適応的で柔軟な社会的工学的戦略は、出生率のバランスと近親交配の低減を実現するためにどの程度不可欠であるか？
• RQ5 初期船員構成と避妊方針は、ミッション成功にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 制御のない一般的なモデルでは、数世代で深刻な過密状態に陥り、致命的となる。
• Moore（2003）のシナリオでは、初期の船員数の約3分の1にまで減少し、約20％の個体に近親交配が見られた。
• Smith（2014）のモデルは遺伝的多様性の維持においてより良好な結果を示したが、依然として近親交配と人口減少の問題を抱えていた。
• Moore および Smith の両シナリオは、最終移民の遺伝的健康を向上させるために、冷凍保存された精子・卵子・胚のバンクを統合することで顕著な利益を得られる。
• 出生および結婚に関するルールを各世代ごとに再評価する、適応的で柔軟な社会的工学的戦略が、時間の経過とともに人口の不均衡や近親交配を是正するために不可欠である。
• HERITAGE コードは、長期間にわたる有人恒星間ミッションをシミュレートし、最適な船員管理戦略を同定するための信頼できるツールであると検証された。