[논문 리뷰] Life might be rare despite its early emergence on Earth: a Bayesian analysis of the probability of abiogenesis

David S. Spiegel, Edwin L. Turner|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 19.

Space Science and Extraterrestrial Life참고 문헌 14인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 베이지안 통계를 사용하여 지구에서 생명이 조기에 나타난 것을 고려해, 생명이 자생하는 확률이 매우 높다는 증거로 재평가한다. 이는 지구에서 생명이 빨리 나타났다는 사실만으로도, 사전 가정에 따라 후행 확률이 매우 민감하게 달라지며, 생명이 여전히 우주 전반에서 극히 드물게 발생할 수 있음을 의미한다.

ABSTRACT

Life arose on Earth sometime in the first few hundred million years after the young planet had cooled to the point that it could support water-based organisms on its surface. The early emergence of life on Earth has been taken as evidence that the probability of abiogenesis is high, if starting from young-Earth-like conditions. We revisit this argument quantitatively in a Bayesian statistical framework. By constructing a simple model of the probability of abiogenesis, we calculate a Bayesian estimate of its posterior probability, given the data that life emerged fairly early in Earth’s history and that, billions of years later, sentient creatures noted this fact and considered its implications. We find that, given only this very limited empirical information, the choice of Bayesian prior for the abiogenesis probability parameter has a dominant influence on the computed posterior probability. Thus, although life began on this planet fairly soon after the Earth became habitable, this fact is consistent with an arbitrarily low intrinsic probability of abiogenesis for plausible uninformative priors, and therefore with life being arbitrarily rare in the Universe.

연구 동기 및 목표

• 지구에서 생명이 조기에 나타난다는 추론이 자생 확률이 매우 높다는 것을 의미하는지 재평가하는 것.
• 베이지안 추론을 통해 사전 가정이 자생의 후행 확률에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 지구에서 생명이 조기에 나타났다는 사실이 자생의 내재적 확률이 매우 높다는 강력한 증거인지 판단하는 것.
• 이 분석이 우주에서 생명의 희귀성에 미치는 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• 연구는 자생 확률을 모수로 하되, 사전 분포가 알려져 있지 않은 상태에서 모델링하기 위해 베이지안 통계 프레임워크를 사용한다.
• 추론의 유일한 데이터 포인트로는 지구의 적합한 기간 동안 생명이 조기에 나타났다는 경험적 사실을 사용한다.
• 생명이 조기에 나타났다는 조건 하에 자생 확률의 후행 분포를 계산한다.
• 무정보적 사전 분포(예: 균일 분포 또는 제프레즈 사전)가 후행 추정치에 미치는 영향을 평가한다.
• 지구가 냉각된 후 자생이 일어날 수 있는 유일한 연속적인 시간 창을 가정한다.
• 핵심 계산은 다양한 사전 가정 하에서 조기 출현의 가능성을 계산하기 위해 가능한 자생 속도에 대해 통합하는 것이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구에서 생명이 조기에 나타난다는 사실이, 지구 유사 조건 하에서 자생이 일어날 가능성이 높다는 강력한 증거인가?
• RQ2 자생 확률의 후행 추정치는 사전 분포의 선택에 얼마나 민감한가?
• RQ3 내재적 자생 확률이 극히 낮더라도 지구에서 생명이 조기에 나타날 수 있었는가?
• RQ4 지구에서 생명이 조기에 나타났다는 사실은 우주 전반에서 생명의 희귀성에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ5 무정보적 사전 분포는 조기 생명 출현과 일치하면서도 자생 확률을 임의로 매우 낮게 허용할 수 있는가?

주요 결과

• 자생 확률의 후행 확률은 사전 선택, 특히 무정보적 사전에 매우 민감하게 반응한다.
• 지구에서 생명이 조기에 나타났더라도, 타당한 무정보적 사전을 사용할 경우 자생 확률의 후행 추정치는 임의로 매우 낮아질 수 있다.
• 지구에서 생명이 조기에 나타났다는 데이터는 자생의 내재적 확률이 극히 낮을 수도 있음을 일치시킨다.
• 이 분석은 조기 출현만으로는 생명이 우주 전반에서 극히 드물게 발생할 수 있음을 배제하지 않는다는 것을 보여준다.
• 강력한 정보가 있는 사전을 가정하지 않는 한, 후행 분포는 자생 확률이 높다는 수준으로 수렴하지 않는다.
• 결과적으로, 지구에서 생명이 조기에 나타났다는 사실에도 불구하고, 생명은 우주에서 극히 드물게 발생할 수 있음을 암시한다.