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微小生物、“雙向汙染”?太空探索應如何進行行星保護


讀創深圳商報官方帳號阿波羅號任務乘員返回地球後實施隔離在這些深空探測任務中,有的探測對象曾經被認為可能存在生命,但是隨著科學技術的發展,科學...

- 2021年1月27日08時55分
- 科學文摘 /

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阿波羅11號任務乘員返回地球後實施隔離

在這些深空探測任務中,有的探測對象曾經被認為可能存在生命,但是隨著科學技術的發展,科學家目前已經傾向於認為這一類探測對象不太可能存在生命,例如月球和一些彗星、小行星等;有的探測對象科學家至今仍堅持認為有極大可能存在生命,如火星、木衛二和土衛二。在針對這些天體的探測活動中,無論其任務目標是否包括探測生命及其相關物質,都應采取必要的措施,避免地球上的微生物汙染天體,從而得到錯誤的探測結果,或影響後續的生命探測任務。

另一方面,就像本文開篇所提到的,自從第一顆人造衛星開始,特別是自載人登月成功後,人類就開始策劃實施火星采樣返回等地外天體采樣返回任務,在實施這類任務時,如何避免從地外天體返回的物質危及地球生物圈的安全,也備受大眾關注。

為了避免以上兩種情況,在太空探測任務中,應采取措施,避免地球和其他天體之間出現交叉生物汙染,這也就是“行星保護”——在開展深空探測時,應避免地球和地外天體間出現交叉生物汙染,即地球生命汙染其他天體,或從其他天體返回的生命汙染地球生物圈。

行星保護一般包括兩方面要求:

1)正向保護:保護被探測天體的自然狀態,避免探測結果被汙染、甚至影響後續生命探測活動。

2)逆向保護:避免從地外天體帶回的物質汙染地球,危及地球生物圈。

行星保護國際政策

1958年國際科學聯合會理事會(ICSU)發起成立了宇宙探測汙染委員會(CETEX)和空間研究委員會(COSPAR)等機構。

COSPAR的宗旨是在國際範圍內通過學術交流和組織實施國際研究項目,促進以衛星、飛船、火箭、深空探測器、高空氣球等為手段的科學研究。COSPAR有7個科學小組,其中第7組為“行星保護”分委會,主要在政策和技術層面提出行星保護的建議要求。中國於1993年3月正式加入該組織。

1967年,聯合國發布了《關於各國探索和利用包括月球和其他天體在內外層空間活動的原則條約》(簡稱《外層空間條約》),該條約1967年1月27日開放供簽署,1967年10月10日生效。我國於1983年簽署該條約,自1983年12月30日起生效。《外層空間條約》第九條中規定:“各締約國探索和利用外層空間(包括月球和其他天體),應以合作和互助原則為准則;各締約國在外層空間(包括月球和其他天體),所進行的一切活動,應妥善照顧其他締約國的同等利益。各締約國從事研究、探索外層空間(包括月球和其他天體)時,應避免使其遭受有害的汙染,以及地球以外的物質,使地球環境發生不利的變化。……”。

在聯合國領導下,COSPAR開始制定行星保護的有關國際政策。1964年,COSPAR咨詢委員會以決議的形式出版了行星檢疫要求,即最早的行星保護政策草案。1984年,COSPAR針對不同的探測對象和任務形式,將行星保護需求劃分為五類,規定了不同類別任務的具體要求。此後,COSPAR不斷發展和完善國際行星保護政策,目前每2年更新一次。

2017年12月發布的最新版COSPAR行星保護國際政策中,具體規定如下。

行星保護任務的類別定義

注:其中火星IV類任務中又分為三個子類。IVa類為不研究火星生命的著陸任務;IVb類為研究火星生命的著陸任務;IVc類為到達火星特定區域的著陸任務。

美國航空航天局NASA是目前在行星保護研究方面最為規範的航天機構。NASA在成立之初就十分重視行星保護工作,1959年在噴氣推進實驗室JPL成立了生物學研究辦公室,後來發展為隸屬於NASA總部的行星保護辦公室,設立了行星保護官,專門負責行星保護技術研究與規範制定,審批各項深空探測任務的行星保護計劃,並對全周期行星保護措施的落實情況進行監督審查。行星保護官直接向三個主管副局長之一匯報工作。

NASA行星保護管理體系框架

NASA有明確的行星保護技術體系,發布了《航天器內外部生物汙染控制》等一系列標准規範,並針對不同類型的任務細化了不同的行星保護技術和管理要求,在航天器的飛行軌跡設計、單機設備研制、總裝與測試等過程中,均對行星保護措施的落實情況進行嚴格的監督審查。NASA建立了行星保護網站,相關政策和標准均可以在其行星保護網站中查到。

行星保護的目的不是對地外天體實施泛環保主義,而是保護人類開展地外生命探測的科學結果,確保空間生命探測活動的有效性;同時也要包括保護地球的生態系統。因此,行星保護既是深空探測任務的內在需求,又是確保實現探測目標的必要手段。

行星保護技術是基礎科學和工程技術的有機結合,是在對地球/地外天體生命科學認知的基礎上,采取必要、合理的技術手段,確保空間探測活動有序進行,從而獲得可靠的科學探測成果。

在實施深空探測任務的過程中,實施行星保護的具體技術手段主要包括:

1) 依據行星保護國際政策,結合每個深空探測任務的具體設計,確定行星保護的總需求,並將總需求合理分配到單機、探測器系統總體、飛行軌道、飛行程序等各方面。

2) 開發適應深空探測任務研制過程的微生物檢測和消殺技術。

3) 研制行星保護專用設備和關鍵單機,並經過微生物消殺處理,使得關鍵單機在交付整器前不被地球生物汙染。

4) 實施行星保護二次汙染防護,確保經過消殺後的深空探測器飛行產品在發射前所攜帶的微生物總量符合預定的要求。

5) 深空探測器發射後,通過分析和設計,可以選擇適當的飛控措施,降低汙染概率。

進入二十一世紀以來,人類探索地外天體的腳步不斷加快,越來越多的國家開始涉足深空探測。除了傳統航天國家/地區政府支持的深空探測任務,蓬勃發展的私人商業航天也開始涉足深空探測,2018年2月,SpaceX公司將一輛特斯拉跑車送入了穿越火星的軌道,但發射前並未實施行星保護,這甚至在美國國內引發了行星保護專家的質疑——目前,美國只有NASA致力於行星保護,沒有針對商業航天行星保護的管理制度和政府機構。

2020年可稱得上是“火星年”。除了歐空局ESA聯合俄宇航的Mars2020任務因故推遲到2022年,其他三項火星探測任務:中國的“天問一號”、美國的“毅力”號火星車(Mars2020)、阿聯酋的“希望”號均成功發射。

左:阿聯酋“希望”號;中:中國“天問一號”;右:美國“毅力”號火星車

其中,“毅力”號的任務目標是專注於尋找火星生命痕跡,因此在COSPAR行星保護的分類中屬於IVb級。這輛火星車將收集火星土壤或岩石樣本放到儲存容器中,由後續的探測器發射小型火箭將樣本送回地球。為了確保所取得火星樣品不會被“毅力號”火星車從地球上帶去的微生物和有機物汙染,研制團隊按照COSPAR IVb級行星保護要求對火星車進行了嚴格的滅菌消殺工作。

與此同時,隨著美國火星采樣返回任務提上日程,科學家們對逆向保護的關切熱度也隨之升高。2020年3月,美國多所知名高校太空生物學背景的教授和科學家聯名發起一項議題,希望能夠圍繞“火星、生命、樣品返回以及行星保護”專題在全世界科學界展開討論。

這項議題發起的背景,是科學家們擔心NASA和ESA未來的火星取樣返回任務,可能對地球生物圈帶來疾病和汙染。他們建議NASA最好首先把火星的樣品送到國際空間站上開展研究,以最大程度減小對地球生物圈汙染的風險。

相比之下,月球探測在COSPAR的分類中屬於II類任務,行星保護的要求較低。早些年NASA曾在阿波羅任務中對外宣稱取得了“重大發現”:在取回的月球樣品中發現了微生物,然而這一“重大發現”遭到了科學家們的強烈質疑,最終NASA由於無法證明這些微生物到底來源於月球還是地球本身而最終宣布這一“發現”無效,由此可見行星保護的正向保護對於深空探測任務而言有多麼重要。

隨著科技的不斷進步,科學家們對月球、火星、木星等地外天體的科學認知也在不斷深入,對深空探測任務中的行星保護要求也必將隨之做適應性調整。然而,因為深空探測的重要目標之一是回答生命的起源演化和地外天體是否存在生命的問題,因此,對於行星保護工作無論何時都應該給予持續和高度的關注。

來源:《航天員》雜志

審讀:喻方華


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