太空探索:人類是否會污染火星

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自太空時代開始以來,人類已經向火星這顆紅色星球發射了大約30艘宇宙飛船和登陸器。遺傳學家克里斯托弗·梅森說,現在我們知道哪些微生物可能在這些旅程中倖存下來並登陸了火星。

這是一台非凡的機器,名叫「毅力號」(Perseverance)的火星探測車,只有普通小轎車大小。今年2月18日,它安全地降落並行駛在火星表面,雖然最高時速低於每小時0.1英里(152米/小時), 但它配備有用途廣泛的工具和儀器。它的實驗已經取得了一些突破性的成就。

這輛10英尺長(3米)的火星探測車上裝有一台機器能將稀薄但含二氧化碳的火星空氣轉化為氧氣。此外還有一架紙巾盒大小的直升機,在另一個星球上首次實現有動力、可控制的飛行。這架名為「獨創號」(Ingenuity)的直升機已經成功飛行了三次,每次飛行的時間都更長,也飛得更高。

但是,還有什麼其他的東西和這些機器一起出現在火星嗎?是否有來自地球的微量細菌或孢子被意外帶入太空,並在火星上安家?

儘管美國宇航局和噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)的工程師們制定過精確和全面的計劃, 以確保不會讓任何生物體無意中搭便車進入太空,但最近的兩項研究突顯出一些生物可能逃過清洗程序,展開了火星之旅,研究還考察了微生物物種在太空中的進化速度。

首先,讓我們從建造「毅力號」探測器以及噴氣推進實驗室製造大多數航天器的過程開始。在那裏,宇宙飛船像洋葱一樣一層一層地精心建造,在添加之前,所有東西都經過清潔和消毒。這確保了幾乎沒有細菌、病毒、真菌或孢子污染被混入執行任務的設備。

航天器是在ISO-5潔淨室(ISO-1表示最潔淨的設施,ISO-9表示最不潔淨的設施)中建造的,這裏有空氣過濾器和嚴格的生物控制程序。這些設計是為了確保每平方英尺只有幾百個顆粒污染物,理想情況下每平方米不超過幾十個孢子。

即便如此,也幾乎不可能達到零生物量。微生物已經在地球上存在了數十億年,它們無處不在。它們在我們體內,在我們身體裏,在我們周圍。有些甚至能溜進最乾淨的房間。

在過去,生物污染測試依賴於從設備上提取拭子樣本培養。我和同事們使用的新方法是取一個給定的樣本,提取所有的DNA,然後採用「獵槍」技術測序。顧名思義,這就像用獵槍擊打樣本的細胞,把它們炸成數十億個小DNA片段,然後對每個片段進行測序。然後,每個片段(或序列「讀取」)可以被映射回序列數據庫中已經存在物種的已知基因組。

因為我們現在是在乾淨的房間完成DNA排序, 而不僅僅是可以培養的。如果他們可以在接近真空的空間中生存,我們就有機會更全面的研究他們是什麼樣的微生物。

在噴氣推進實驗室的無菌室裏,我們發現了微生物存在的證據。這些微生物在太空任務中可能會造成問題。這些生物有更多的DNA修復基因,因此它們具有更強的抗輻射能力,它們可以在表面和設備上形成生物膜,得以在乾燥環境中生存,在寒冷環境中茁壯成長。事實證明,潔淨的房間可能是最頑強的細菌的進化選擇過程,這樣,如果沒有被淘汰,它們就有更大的機會在火星之旅中生存下來。

這些發現暗示了一種叫做「正向污染」(forward contamination)的行星保護形式。在這個階段,我們可能會把一些東西(有意或無意)帶到另一個星球。重要的是,宇宙其他地方如果存在任何生命,我們要確保他們的安全。因為外來生物一旦到達新的生態系統,就會造成嚴重破壞。

在我們的星球上,人類在這方面的記錄很糟糕。例如,19世紀時,天花是通過分發給北美原住民的毯子傳播的。即使在2020年,我們也未能遏制新冠病毒——SARS-CoV-2的快速傳播。

從科學的角度來看,正向污染也是不可取的。科學家們需要確定在其他星球上發現的任何生命都是真正的本地生命,而不是一個被錯誤識別為外來生物,但卻為地球生長起來的污染物種。即使經過輻射和消毒程序,微生物也有可能搭便車到達火星。他們的基因組可能發生巨大變化,以至於看上去確實超乎尋常,就像我們最近看到的在國際空間站上進化的微生物一樣。如果在火星土壤中發現這些外來物種,可能會引發對生命或火星生命普遍特徵的錯誤研究。

被送入太空的微生物對宇航員來說也可能是更直接的問題,會對他們的健康構成威脅,如果他們與微生物菌落粘在一起,甚至可能導致生命維持設備發生故障。

但行星環保是雙向的。行星保護的另一個組成部分是避免「逆向污染」,即帶回地球的東西會對包括人類在內的地球生命構成威脅。這是許多科幻電影的主題,其中一些虛構微生物威脅著地球上的所有生命。當美國宇航局和歐洲航天局在2028年向火星發射探測器時,這可能成為一個非常現實的問題——如果一切按照目前的計劃進行,2032年返回時將帶回第一批火星樣本。

然而,如果我們確實在火星上發現生命的跡象,那就有可能首先來自地球。自兩架蘇聯探測器於1971年登陸火星表面,隨後是1976年美國海盜1號(Viking 1)著陸器,這個紅色星球上可能有一些微生物的痕跡,也許還有人類DNA。考慮到全球沙塵暴和可能隨這些航天器而來的微量DNA,我們必須確認我們發現的火星生命並非來自地球。

但是,即使「毅力號」或者之前的任務確實偶然地將生物體或DNA從地球帶到火星,我們也有辦法將其與任何真正源自火星的生命區分開來。DNA序列中隱藏著關於其來源的信息。一個正在進行的名為Metasub(地鐵和城市生物群落的宏基因組學)的項目正在對世界上100多個城市的DNA進行測序,我們實驗室的研究人員,Metasub團隊,瑞士的一個研究小組剛剛發佈了這些和其他全球宏基因組數據,以創建一個「行星基因索引」,收錄了迄今為止觀察到的所有已測序的DNA。

將在火星上發現的任何DNA與噴氣推進實驗室的潔淨室、世界各地地鐵、臨牀樣本、廢水或毅力號探測器離開地球前所看到的序列進行比較,應該有可能看到這些火星生物是否真正來自地球以外。

即使我們對太陽系的探索無意中把微生物帶到了其他行星上,它們很可能不會像離開地球時那樣。太空旅行的考驗和他們遇到的不尋常的環境將對他們留下印記,並導致他們進化。如果一種來自地球的生物體已經適應了太空或火星,我們手中的遺傳學工具可以幫助我們弄清楚微生物是如何以及為什麼發生變化的。

事實上,噴氣推進實驗室和我們實驗室的科學家們,最近在國際空間站上發現了奇怪的新物種,包含一些類似於在潔淨室中發現的適應性(包括抗高水平輻射)物種。隨著越來越多的極端物種被編入一個名為「極端微生物組計劃」(extreme Microbiome Project)的項目中,他們也有可能在未來成為人類進化工具箱中的工具。例如,我們可以利用他們的適應性來尋找新的防曬基因,或新的DNA修復酵素,以防止導致癌症的有害突變,或幫助開發新藥物。

最終,人類將攜帶著生活在我們體內的混合微生物踏上火星。這些微生物也可能會適應、變異。我們也可以從他們身上學習。他們甚至可能讓那些去火星的人更容易在火星上生活,因為適應火星環境的獨特基因組可以被測序,然後傳回地球進一步鑒定,然後用於兩個星球上的治療和研究。

我們正在跨入行星生物學新時代,我們將了解生物在一個星球上的適應性,並將其應用到另一個星球上。進化和遺傳適應的教訓銘刻在每一種生物的DNA中,火星的環境也不會有什麼不同。當我們對這些生物進行排序時,新生物會銘刻下火星對他們的改變,開啟全新的進化文獻目錄。

這不僅僅是出於無聊的好奇心,而是我們人類保護所有其他物種的責任。只有人類才懂得滅絶,因此也只有人類才能阻止它,這適用於今天,也適用於幾十億年後,當地球上的海洋開始沸騰,地球變得太熱,無法生存時。當我們開始向其他恆星進發時,我們將不可避免地違反行星物種保護,但那時我們別無選擇。最終,謹慎和負責任的正向污染是保護生命的唯一方法,這是我們在未來500年必須開始實現的飛躍。

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注:克里斯托弗·梅森Christopher Mason是康奈爾大學威爾·康奈爾醫學院Weill Cornell Medicine基因組學、生理學和生物物理學教授。他研究長期載人航天對美國宇航局和其他宇航員的分子和基因影響,以及用於癌症治療的新細胞類型的設計,是《未來500年工程生命到達新世界》(The Next 500 Years: Engineering Life to Reach New Worlds)一書的作者。