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人类会将地球生命带上火星吗?

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本文转自公众号:新浪探索


毅力号火星车和机智号无人机已经在火星上取得了一些突破性的成果

自太空时代开始以来,人类已经向火星发射了大约30架航天器,有些已经登陆并开展了多年的探测。这些航天器是否对火星环境产生了影响?对于哪些微生物可能在火星之旅幸存下来的问题,我们现在已经有了一些初步答案。

在你阅读这篇文章的同时,毅力号(Perseverance)火星车正在这颗红色星球的表面持续工作着。这是一台和普通汽车差不多大小的火星漫游车,于今年2月18日安全降落在火星表面,其最高时速只有不足每小时152米。不过,毅力号携带着多种工具、仪器和实验设备,并已经取得了一些突破性的成果。

在这台3米长的火星探测车上,装有一台能将稀薄且富含二氧化碳的火星空气转化为氧气的机器,以及一架纸巾盒大小的直升机。这架被称为“机智号”(Ingenuity)的无人直升机已经创造了历史,在另一个星球上首次实现了有动力的受控飞行。目前,机智号已经成功飞行了三次,每次飞行的时间都更长,飞行的高度也更高。

那么,有没有什么其他东西也和这些航天器一起来到火星上呢?是否有来自地球的微量细菌或孢子被意外带入太空,并在火星上安家?


在组装并准备发射到其他星球时,航天器要经过严格的清洗

尽管美国国家航空航天局(NASA)及其喷气推进实验室(JPL)的工程师们都遵循精确而全面的规程,以确保航天器在执行太空任务的过程中不会出现被任何生物体“搭便车”的情况,但最近的两项研究突出了一些隐忧:一些生物可能在清洗过程以及前往火星的过程中存活下来,同时某些微生物物种在太空中可能会加速进化。

首先,让我们从毅力号火星车的建造过程开始说起。在喷气推进实验室的航天器组装设施(SAF)中,包括毅力号在内的大多数航天器都是像洋葱一样,一层一层精心建造起来的;各个部件在安装之前,都要经过清洁和消毒。这种方法确保了航天设备在执行任务时几乎不会携带任何细菌、病毒、真菌或孢子。

NASA的航天器是在ISO-5洁净室(ISO-1表示最洁净的设施,ISO-9表示最不洁净的设施)中建造的,具有空气过滤器和严格的生物控制程序。通过这些设计,确保了每平方英尺中只有数百个颗粒的污染,理想情况下,每平方米的孢子数不会超过几十个。


美国国家航空航天局有严格的洁净室规程,旨在将航天器和着陆器的生物污染降至最低

然而,零生物量是几乎不可能做到的。微生物在地球上已经存在了数十亿年,它们无处不在。无论是在我们的体内,还是我们的身体表面,抑或我们周围的环境中,都有无数的微生物。有些微生物甚至能溜进最洁净的房间。

在过去,生物污染的检测主要是用拭子在设备上擦拭,然后放到培养基中培养,以了解微生物生命的生长能力。目前,研究者使用的新方法是先采集样品,再提取其中所有的DNA,然后用“鸟枪法”进行测序。顾名思义,这就像用猎枪来击打样品中的细胞,把它们打断成数十亿个DNA片段,然后对每个片段进行测序。之后,每个片段(或“读取”的序列)可以与序列数据库中已知的物种基因组进行比对。

目前,研究人员不仅可以对培养的微生物进行DNA测序,也可以对洁净室的DNA进行测序,因此能更全面地了解哪些微生物能存在于洁净环境下,甚至可以在太空的真空环境下生存。

在喷气推进实验室的洁净室里,研究人员已经发现了微生物的证据,这些微生物在太空任务中可能会造成问题。这些有机体具有更多与DNA修复有关的基因,使它们具有更强的抗辐射能力,可以在物体表面和设备上形成生物膜,并能够在干燥、寒冷的环境中生存。事实上,洁净室可能在微生物的进化中扮演了重要角色,将最顽强的微生物选择了出来,从而使它们有更大的机会在火星之旅中生存下来。

这些发现或许对防止星际间的“正向污染”有所启发。所谓正向污染,是指在太空探索阶段,人造宇宙飞船可能会将一些嗜极生命(有意或无意地)带到另一个星球。这涉及到一个重要的问题,那就是确保宇宙其他地方可能存在的任何生命能够完好无损,因为一旦有新的生物进入一个新的生态系统,就可能造成严重破坏。

在地球上,人类在防止这类破坏方面的记录很糟糕。例如,19世纪时,欧洲人将天花等病毒传播到了北美大陆,使美洲原住民遭到了毁灭性的打击。即使在2020年,人类也未能遏制导致新型冠状病毒在全球范围内的蔓延。


人类已经向火星发射了几十个航天器,有些已经成功地在这颗红色星球上留下了自己的印记

从科学的角度来看,正向污染也是不可取的。科学家需要确定在其他星球上发现的任何生命都是真正的外星生命,而不是长着奇异外形,但根本上来自地球的“污染”。即使经过辐射和消毒程序,微生物也有可能“搭便车”到达火星。它们的基因组可能会发生巨大变化,看起来真的如同外星生命,就像近年在国际空间站上发生进化的微生物一样。如果在火星土壤中发现这些物种,可能会导致研究者对生命或火星生命普遍特征的错误认识。

对宇航员来说,被送入太空的微生物也可能造成更直接的问题,即对他们的健康构成威胁。如果这些微生物形成菌落并粘在一起,甚至可能造成生命维持设备的故障。

不过,行星间的保护是双向的,其另一个重要组成部分便是避免“逆向污染”,即带回地球的任何东西都可能会对包括人类在内的地球生命构成威胁。这是许多科幻电影的主题,邪恶的“外星”入侵者威胁着地球上的所有生命。当美国国家航空航天局和欧洲空间局在2028年发射火星任务时,这将成为一个非常现实的问题。如果一切按照目前的计划进行,火星样品返回任务将在2032年带回第一批火星样品。

然而,如果我们确实在火星上发现了生命迹象的话,这些生命有可能真的来自地球。早在1971年,两架苏联探测器就登陆了火星表面,随后在1976年,美国海盗1号(Viking 1)着陆器也成功登陆这个红色星球。火星上可能保留着一些微生物碎屑,甚至还有人类DNA。当然,考虑到火星具有全球性的沙尘暴,而可能随这些航天器而来的DNA极其微量,因此即使发现生命迹象的话,也不太可能来自地球。

不过,即使毅力号——或者之前的任务——确实偶然地将生物体或DNA从地球带到了火星,我们也有办法将其与任何真正源自火星的生命区分开来。关于生命来源的信息就隐藏在DNA序列中。一个正在进行的名为“Metasub”(地铁和城市生物群落的宏基因组学)的项目正在世界上100多个城市中进行DNA测序。一个研究小组刚刚发布了相关的全球宏基因组数据,以创建一个“行星基因索引”,收录了迄今为止观察到的所有已测序的DNA。


国际空间站上的细菌和真菌能在极端环境下存活,尽管宇航员努力保持清洁,但它们仍然大量繁殖

通过将在火星上发现的任何DNA与喷气推进实验室的洁净室、世界各国地铁、临床样品、废水或毅力号探测器离开地球前其表面所获取的DNA序列进行比较,研究人员应该就能了解是否取得了新的重大发现。

即使人类在对太阳系的探索中无意中把微生物带到了其他行星,它们也很可能不会像刚离开地球时那样。太空旅行的考验和不寻常的环境条件将对它们产生影响,并导致它们进化。如果一种来自地球的生物体已经适应了太空或火星环境,科学家手中的遗传学工具将帮助我们弄清楚它是如何发生变化,以及为什么会发生变化。

事实上,喷气推进实验室和威尔康奈尔医学院实验室的科学家最近在国际空间站上发现的新物种就表现出类似于在洁净室中发现的适应性,包括抗高水平辐射等。随着越来越多的极端生物被编入名为“极端微生物组计划”(Extreme Microbiome Project)的项目中,它们的进化潜力很可能也将为人类提供帮助。例如,我们可以利用它们的适应性来寻找新的防晒霜,或新的DNA修复酶,以防止导致癌症的有害突变;或者帮助开发新的药物。

最终,当人类踏上火星时,也将携带着生活在体内的微生物。这些微生物也可能会适应、变异和改变。人类也可以从它们身上学到很多东西;它们甚至可能让登上火星的人更容易适应火星生活。而且,人类可以对适应火星环境的独特基因组进行测序,然后传回地球做进一步鉴定,再用于两个星球上的治疗和研究。

考虑到所有计划中的火星任务,可以说,人类正处于行星间生物学新时代的前沿;我们将了解生物在一个星球上的适应性,并将其应用到另一个星球上。进化和遗传适应的教训铭刻在每一种生物的DNA中,即使到了火星环境也是如此。当科学家对这些生物进行DNA测序时,就会发现火星留下的对生物新的选择压力,打开全新的进化历程。

这不仅仅是出于无聊的好奇心,而是人类这个物种要背负起保护和延续所有其他物种的责任。只有人类才懂得什么是灭绝,因此也只有人类才能阻止它,这适用于今天,也适用于几十亿年后,届时地球上的海洋将开始沸腾,陆地会变得太热而无法生存。当人类开始向其他星球进发时,将不可避免地造成正向污染,但在这种情况下,我们别无选择。最终,谨慎和负责任的正向污染将是保护生命的唯一途径,这或许也将是人类在未来500年内必须实现的飞跃。

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