[논문 리뷰] HERITAGE: a Monte Carlo code to evaluate the viability of interstellar travels using a multi-generational crew

F. Marin|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 29.

Spaceflight effects on biology인용 수 8

한 줄 요약

HERITAGE는 다세대 행성 간 우주 비행 임무의 생존 가능성을 유전적 다양성, 출산 통제 및 인구 동태를 추적함으로써 모델링하는 몬테카를로 시뮬레이션 코드이다. 이 연구는 심지어 성공적인 임무 시나리오(예: Moore 2003, Smith 2014)조차도 장기적인 유전적 건강을 확보하기 위해 냉동 보존된 생식세포/배아 은행을 통합함으로써 상당한 이점을 얻을 수 있음을 보여주며, 수세기에 걸친 임무 동안 유전적 균형을 유지하고 잠재적인 교배 퇴화와 인구 불균형을 완화하기 위해 적응형 사회공학 전략이 필수적임을 밝혀낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다세대 행성 간 우주 비행 임무에서의 장기적 생존 가능성 평가
• 제한된 공간 환경에서의 교배 퇴화, 과잉 인구 증가 및 불임과 같은 인구 및 유전적 위험 요소 규명
• 출산 통제, 친족 관계, 유전적 다양성과 같은 인간 기반 매개변수를 고려한 융통성 있는 시뮬레이션 도구 개발
• 냉동 보존된 생식세포/배아가 장기 우주 비행에서의 유전적 건강을 향상시킬 수 있는지 테스트
• 다세대에 걸쳐 승무원의 안정성과 다양성을 유지하기 위해 적응형 사회공학 전략이 얼마나 필수적인지 평가

제안 방법

• HERITAGE는 다세대에 걸쳐 친족 기반 승무원 집단의 진화를 모델링하기 위해 확률적 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• 모델은 출생, 사망, 결혼, 생식과 같은 개인의 생애 사건을 추적하며, 각 결혼 관계에 대해 친족 관계 및 교배 퇴화 계수를 계산한다.
• 출산 통제 정책, 초기 승무원 수, 성비 등 조정 가능한 매개변수를 포함하여 다양한 임무 시나리오를 시뮬레이션한다.
• 유전적 다양성은 교배 퇴화 계수를 사용해 평가하고, 세대에 걸쳐 인구 규모와 구성 변화를 추적한다.
• 신뢰성 확보 및 향상 기회 도출을 위해, 기존 모델(Moore 2003, Smith 2014)의 결과와 비교 분석한다.
• 유전적 다양성 복원 및 교배 퇴화 감소를 위한 대응 전략으로 냉동 보존된 생식세포/배아 은행을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다세대 행성 간 우주 비행 승무원의 장기적 생존을 위협하는 인구 및 유전적 위험 요소는 무엇인가?
• RQ2 기존의 임무 시나리오(예: Moore 2003, Smith 2014)는 200년간의 여정 동안 유전적 다양성을 유지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 냉동 보존된 생식세포/배아 은행이 최종 이주자 세대의 유전적 건강을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 수세기 동안의 임무 동안 균형 잡힌 출산율을 유지하고 교배 퇴화를 최소화하기 위해 적응형 사회공학 전략이 얼마나 필수적인가?
• RQ5 초기 승무원 구성과 출산 통제 정책이 임무 성공에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 통제 없는 일반 모델은 불규칙한 생식으로 인해 몇 세대 내에 치명적인 과잉 인구 증가를 초래한다.
• Moore(2003) 시나리오는 초기 승무원 수의 약 1/3로 감소하고, 약 20%의 개인에서 교배 퇴화가 발생함을 보여준다.
• Smith(2014) 모델은 유전적 다양성을 더 잘 유지하지만 여전히 교배 퇴화와 인구 감소 문제를 겪는다.
• Moore 및 Smith 시나리오 모두 냉동 보존된 정자, 난자 또는 배아 은행 통합으로 최종 이주자 세대의 유전적 건강을 크게 향상시킬 수 있다.
• 각 세대 이후 출산 및 결혼 규칙을 재평가하는 적응형 사회공학 전략은 장기적으로 인구 불균형과 교배 퇴화를 완화하기 위해 필수적이다.
• HERITAGE 코드는 장기적인 우주 비행 임무의 시뮬레이션과 최적의 승무원 관리 전략 식별에 신뢰할 수 있는 도구로 검증되었다.