行星保護

行星保護是設計星際任務的指導原則，旨在防止取樣返回任務中目標天體和地球的生物汙染。行星保護既反映了太空環境的未知性，也反映了科學界希望在對天體詳細研究前保護其原始狀態的願望。星際汙染分為兩種型別，前向汙染或正向汙染是將活有機體從地球轉移到另一天體；反向汙染或返回汙染則是將外星生物帶回地球生物圈。歷史.1956年，在羅馬舉行的國際宇航聯合會第七屆大會上，首次提出了潛在的月球和行星汙染問題。1958年，美國國家科學院 (NAS) 通過了一項決議，指出：“美國國家科學院敦促科學家們須非常謹慎和深度關注月球和行星研究的規劃，以便在經關鍵科學實驗後使初始操作不會降低標準，並在之後也永不會發生”。這導致建立了外星探索汙染問題特設委員會 (CETEX) ，一年後該委員會建議對行星際飛船進行滅菌，並表示：“滅菌的需要只是暫時的。火星和可能的金星需要保持不受汙染，直到載人飛船研究成為可能”。1959 年，行星保護被轉移到新成立的“空間研究委員會”。 1964 年，空間研究委員會發布了第 26 號決議，重申：1967年，美國、蘇聯和英國批准了《聯合國外層空間條約》，行星保護的法律依據在於該條約第九條：該條約已在104個國家得到簽署和批准，另有24個已簽署但未批准。目前所有開展航天發射的國家都簽署並批准了該條約。在有航天願望的國家中，有些國家尚未批准：阿拉伯聯合大公國、敘利亞和朝鮮已簽署但未獲批。《外層空間條約》得到了廣泛一致的國際支援，加上它以聯合國國民大會一致透過的1963年宣言為基礎，已具有傳統國際法的地位。因此，《外層空間條約》的條款對所有國家都有約束力，即使是那些既未簽署也沒批准的國家。對於前向汙染，需要詮釋“有害汙染”一詞，兩次法律審查對此條款有不同的解釋。然而，目前公認的解釋是，“應避免任何會對一個國家實驗或專案造成損害的汙染”。美國宇航局的政策明確規定，“不得對所調查的可能地外生命形式、前體和殘留物產生危害”。國際空間研委會的建議和分類.國際空間研究委員會，制定避免行星際汙染的建議。其建議依據空間任務型別和所探索的天體，空間研究委員會將探測任務劃分為五大類別：第四類火星任務被進一步細分為：* 第四類A：不搜尋火星生命的著陸器-採用海盜號著陸器預消毒要求，每艘航天器最多30萬個孢子，每平方米不超過300個孢子。* 第四類B：尋找火星生命的著陸器。增加了嚴格的額外要求，以防止樣品受到汙染。* 第四類C：任何進入火星特殊區域的元件必須經過消毒，至少達到海盜號標準滅菌後航天器上孢子總數不超過30個的生物殘留水平。* 非限制性第五類：根據科學判斷沒有本土生命形式的地點樣本，無特殊要求。* 限制性第五類：要求包括：絕對禁止返回時產生破壞性影響；限制所有返回硬體與目標體直接接觸；限制將任何未滅菌樣本帶回地球。對於第四類任務，允許有一定程度的生物殘留。一般來說，這表示為“汙染機率”，要求每次任務的前向汙染機率小於萬分之一，但在第四類火星任務中，該標準轉化為單位表面積的芽孢桿菌屬孢子數，一種易於使用的測定方法。第四類也需要更全面的檔案。根據任務的不同，所需的其他程式可能包括軌道偏置、航天器組裝和測試期間潔淨室的使用、降低生物負載、對與目標體直接接觸的硬體進行部分滅菌、硬體的生物遮蔽設定，以及在極少數情況下，對整艘航天器進行徹底的滅菌。對限制性第五類任務，目前的建議是，未經消毒的樣本不得帶回。由於對返回樣本滅菌會破壞它們的大部分科學價值，目前的提議涉及預防和檢疫程式。有關的詳細資訊，請面的預防和檢疫。第五類任務還必須滿足第四類任務的要求，以保護目標體免受前向汙染。火星特殊區域.“特殊區域”是空間研究委員會劃分的一種區域，在那裡，地球生物極易繁殖，或被認為存在火星生命形式的可能性很高。根據目前對生命需求的理解，這被認為適用於火星上出現或偶爾出現液態水的任何區域。如果硬著陸有可能對某一特殊區域造成生物汙染，那麼整艘著陸器系統則必須按照空間研究委員會規定的第四類C標準進行消毒。目標天體分類.有些目標很容易分類，其他的則由空間研究委員會劃分為臨時類別，以待將來的發現和研究。2009年空間研究委員會關於外行星衛星和太陽系小型天體行星保護研討會對此作了詳細介紹。這些評估大多來自該報告，包含了一些進一步的改進。本次研討會還對一些分類給出了更精確的定義：臨時第二類.這些天體暫時被劃歸進第二類，但還需更多的研究，因為冥王星和卡戎的相互潮汐作用使地表下維持一些儲水層的可能性很小，類似的考慮也適用於其他較大的柯伊伯帶天體。目前對海衛一的瞭解還不夠充分，不能說它肯定沒有液態水。迄今為止唯一的近距離觀察是旅行者2號。在對土衛六的詳細討論中，科學家們得出結論，除短期新增的微不足道的有機物外，土衛六表面沒有汙染的危險，但土衛六可能有與表面連通的地下水庫，如果這樣，就可能會被汙染。就木衛三而言，鑑於它表面所顯示出普遍重塑的跡象，是否與地下海洋存在任何聯絡？他們沒有發現發生這種情況的已知機制，伽利略號探測器也沒有發現冰火山活動的證據。最初，他們將其分配為優先順序B-，這意味著在進行任何地面探測任務前需要先行任務來評估其類別。但經進一步討論後，他們暫時將其歸為第二類，因此，根據未來的研究，不需要前期任務。如果木衛三或土衛六上存在冰火山活動，地下儲水層則被認為位於地表下50-150公里處。目前尚無法找到一種可將地表融化的水穿過50公里厚冰層流回到海底的作用過程。這就是為何木衛三和土衛六都一直被牢牢劃入臨時II類，等待未來進一步研究的原因。顯示最近表面重塑跡象的冰天體需要進一步討論，並可能需要根據未來的研究劃分到新的類別。例如，這種方法已應用於穀神星任務。在穀神星軌道器任務期間，行星保護分類將依據發現的結果重新審視。第五類.在取樣返回的第五類中，到目前為止的結論為：科爾曼-薩根方程.現行法規的目的是將微生物數量保持在足夠低的水平，以便火星受到汙染的可能性可接受，使汙染機率為零並非目標。目的是使每次飛行任務的汙染機率保持在萬分之一，這一數字通常是透過將航天器上的微生物數量、在目標天體上的生長機率和一系列生物降載因素相乘獲得的。科爾曼-薩根方程對該方法作了詳細說明。formula_1.在此formula_2 = 航天器上最初的微生物數量formula_3 = 因航天器發射前後環境變化產生的下降率formula_4 = 航天器上的微生物抵達行星表面的機率formula_5 = 航天器撞擊行星的機率—著陸器為1formula_6 = 微生物在地面釋放到環境中的機率，墜落通常設定為1。formula_7 = 繁殖機率，對於含有液態水的天體，為便於計算，將其設定為1。最後，必須達到的要求是 formula_8formula_9是薩根等人選擇的一個數字，有點隨意。薩根和科爾曼假設，在徹底瞭解火星的地外生物前，將需要進行約60次火星表面任務，其中54次成功，另有30次的飛越或軌道環繞，選擇這一數字是為了在探索期間至少保持火星99.9%的無汙染率。評論.科爾曼-薩根方程受到了批評，因為通常並不清楚單個引數精確或大致的取值範圍，例如，目前尚不瞭解木衛二表面冰層的厚度，有些地方可能很薄，這可能會導致方程結果的高度不確定。它還因為內含的有限保護期和未來人類探索假定而受到批評，就木衛二而言，這隻能在探測期間以合理的機率保護它。格林伯格提出了另一種代替標準，即使用自然發生的汙染機率—人類探索木衛二任務所造成的汙染可能不應高於地球隕石對該星球的汙染機率。針對木衛二的另一種方法是使用二元決策樹，這是空間研究委員會主持下的“行星保護委員會專用於外太陽系冰天體的標準”。它需要經過七大步驟一系列的抉擇，最終決定任務是否繼續執行。限制性第五類樣本返回的預防和檢疫.在限制性第五類任務中，透過將樣本和宇航員隔離在生物安全4級設施中來保護地球環境。在火星樣本返回的情況下，任務將設計為確保與火星表面有過接觸的太空艙任何部分都不會暴露在地球環境中。一種方法是在太空真空中將樣本容器封裝在來自地球的更大外部容器中，所有密封件的完整性都至關重要，並且還必須對系統進行監控，以防返地期間微隕石損傷的可能性。歐洲航天基金會報告的建議是“除非經過消毒，否則任何未被封裝的火星物質，包括暴露在火星環境中的航天器表面，不應返回地球”。...“對於收回到地球的樣本，生命檢測和生物危害測試程式，或經驗證的滅菌過程，應作為分配樣本任何部分絕對的先決條件”。已被帶回的非限制性第五類，在阿波羅計劃期間，樣本返回是按照《外星暴露法》進行監管，該法規在1991年被廢止，因此需要制定新的法規。阿波羅時代的檢疫程式令人關注，因為這是迄今為止唯一一次將樣本帶回地球的嘗試。當時，人們認為，樣本中含有外星生命的可能性極小。樣本和宇航員被隔離在月球物質回收和迴歸宇航員檢疫實驗所，所用方法按現代標準看尚不足以起到防範作用。此外，月球接收實驗室根據自身的設計標準也被判定為失敗，因為返回的樣本不含有月球材料，在阿波羅11號返回任務中，在濺落處和設施本身有兩處故障點。然而，月球物質接收實驗室的建成很快，從開始到結束僅用了兩年時間，現在認為這段時間遠遠不夠，從中吸取的經驗教訓可有助於以後設計所有火星樣本返回接收設施。美國國家研究理事會和歐洲航天基金會已為擬議的火星樣本返回設施和返回任務制定了設計規範，他們得出的結論是，這一標準將基於對生物危害4級的預防，但要求更嚴格，以防範可能與地球上已知最小微生物—超微細菌一樣小或更小的未知微生物。歐洲航天基金會的研究還建議，如果可能的話，它應被設計為包含更小的基因轉移因子，因為火星微生物可能會將脫氧核糖核酸(DNA)轉移到地球微生物，一旦二者有共同進化祖先的話。火星樣本返回設施還需兼作潔淨室設施，以保護樣本免受地球汙染，防止會混淆樣品敏感生命檢測測試的可能。在樣本返回前，需要新的檢疫法，還需進行環境評估，磋商阿波羅時代不存在的各種其他國內和國際法律。淨化程式.對於所有需要淨化的航天器任務，潔淨室的起點要求為美國聯邦標準100級潔淨室。這些房間每立方英尺所含粒度為0.5微米或更大尺寸的顆粒少於100顆，工程師穿戴僅露出雙眼的潔淨室套裝。元件在組裝前應儘可能單獨滅菌，裝配中需經常用酒精溼巾清潔表面。枯草桿菌孢子的選擇不僅是因其易於產生孢子，而且它還是一種用途成熟的模式物種。一種有用的紫外線輻射效果跟蹤器，對各種極端條件具有很高的耐受性。因此，它是行星保護的背景下前向汙染的重要指示物種。對於第四類A任務，其目標是將探測器表面可能會進入火星環境的細菌孢子水平減少至30萬個。所有耐熱部件都需經攝氏114度的烘烤滅菌；敏感電子裝置，如包括計算機在內的漫遊車核心箱，都需密封，並透過高效過濾器通風，以將所有微生物都封閉在內部。對於更敏感的任務，如第四類C，需要更高水平的滅菌，類似在海盜號登陸器上實施的水平。海盜號登陸器表面曾經過滅菌，當時被認為適合進入類似今天火星特殊區的潛在生命宜住地。在微生物學中，通常無法證明沒有遺留的活微生物，因為許多微生物要麼尚未研究，要麼無法培養。相反，滅菌是透過將所存微生物數量降低十倍來完成的。在充分減少10倍數量後，留下的微生物存活率將極低。兩艘海盜號火星著陸器是用烘烤滅菌法滅菌，在初步清潔將生物負載降至類似當今第四類A航天器的水平後，海盜號航天器在攝氏112度、標稱125攝氏度條件下烘烤了30小時。然而，現代材料通常無法承受這樣的溫度，特別是因為現代航天器經常使用“現成的商業”元件。所遇到的問題包括只有數個原子厚的奈米材料、塑膠封裝和導電環氧樹脂連線方法等。此外，許多裝置感測器不能暴露在高溫下，高溫會干擾儀器的關鍵校準。因此，需要新的方法對現代航天器進行滅菌，使其達到更高的類別，如類似海盜號的火星第四類C級任務。正在評估或已批准的方法包括：其他一些方法也值得關注，因為它們可在航天器抵達行星後對其進行滅菌。生物負載檢測和評估.孢子計數用於間接測量所存在的微生物數量，通常情況下，99%的微生物並非透過孢子形成，並能在休眠狀態下存活。因此，在滅菌過的航天器上，剩餘存活的休眠微生物實際數量預計將是孢子形成微生物數量的許多倍。一種已批准的孢子測定新方法是“快速孢子測定”，這是基於商業快速分析系統，直接檢測孢子，而不僅僅是活微生物，並能在5小時而非72小時內給出結果。挑戰.長期以來，人們還認識到到，航天器潔淨室中生存的極端微生物是唯一能夠在探測器中存活的微生物。例如，在最近的一項研究中，“好奇號”火星車拭子中的微生物承受過乾燥、紫外線照射、寒冷和極端pH值處理。377株菌株中近11%在一種以上的惡劣條件下存活下來。現已對產生“芽孢桿菌”的抗性孢子基因組進行了研究，並報告了可能與抗性相關的基因組水平特徵。這並不意味著這些微生物已經汙染了火星，這只是減少生物負載過程的第一階段。要汙染火星，它們還必須在數月的火星之旅中承受低溫、真空、紫外線和電離輻射，然後在火星上遇到棲息地並開始繁殖。這一切是否發生是一個機率問題，行星保護的目的是儘可能降低這種可能性。目前公認的每次任務目標汙染機率為低於0.01%以下，雖然在火星的特殊情況下，科學家也依靠火星上的惡劣環境來代替海盜號所用的熱處理法。但在目前技術條件下，科學家們還無法將這一機率降到零。新方法.最近批准了兩種用於評估航天器表面微生物汙染的分子方法：撞擊預防.這尤其適合第三類軌道飛行任務，因為它們的滅菌標準低於地面任務。這也與著陸器有關，因為撞擊會給前向汙染帶來更多機會，而且撞擊可能會對計劃外目標造成影響，例如火星上的某一特殊區域。軌道任務的要求是，在它抵達火星軌道後，至少停留20年的機率不低於99%；停留50年的機率不低於95%。如果任務已按照海盜號滅菌標準進行過殺菌處理，則可取消此項要求。在海盜號時代，這一要求以確切的數字給出，即在當前火星探測階段，任何軌道任務的撞擊機率應低於0.003%。對於同時有著陸器和軌道器的情況，在接近目標的過程中都使用軌道偏置技術。航天器的軌道被設計為，一旦通訊中斷，它將錯過目標。撞擊預防的問題.儘管採取了這些措施，但在預防撞擊方面還是出現過重大的失誤。火星氣候探測者號軌道器在1999年因英制和公制單位導致的混亂而在火星墜毀，當時它的滅菌等級僅為III級。行星保護辦公室表示，它很可能在大氣層中燒燬，但如果墜落到地面，則可能造成前向汙染。火星觀察者號是另一艘具有潛在行星汙染可能的三級任務探測器。在1993年入軌機動前三天通訊中斷。它似乎很可能未成功進入環火星軌道，只是在日心軌道上繼續飛行。然而，如果它真的成功執行了自動程式設計，並嘗試了機動執行，則就有可能墜毀在火星上。斯基亞帕雷利著陸器、火星極地著陸者號和深空2號三艘著陸器先後墜落在火星表面，它們都只為一般地面任務做過滅菌，並不適用於特殊區域。火星極地著陸者號和深空2號墜入在極地區域，由於那裡可能形成做過液態滷水，這些區域現被視為特殊區域。爭議.隕石爭論.阿爾貝託·費倫在《自然》雜誌上發表了一篇文章，建議縮減行星保護措施。他們給出的主要理由是，地球和火星之間的隕石交換意味著地球上任何可以在火星上生存的生命都已到達了那裡，反之亦然。羅伯特·祖布林使用了類似論點來支援他的觀點，即反向汙染風險沒有科學依據。國家研究理事會的反駁.國家研究理事會在反向汙染背景下對隕石論點進行了審查。據認為，所有的火星隕石起源於火星上每數百萬年發生的相對較少的撞擊。撞擊體直徑為數公里，在火星上形成的隕石坑直徑為幾十公里，火星的撞擊模型與這些發現相一致。地球從火星收到了源源不斷的隕石流，但它們中大部分並非為原始撞擊物，早期太陽系中轉移的可能性更大。此外，一些在火星和地球上都能生存的生命形式可能無法在轉移的隕石上存活下來。到目前為止，還沒有直接證據表明有任何生命以這種方式從火星轉移到了地球。從國家研究理事會得出的結論是，雖然轉移可能發生，但隕石交換的證據並不能消除反向汙染保護措施的需要。能夠將微生物傳送到火星的地球撞擊事件也很少發生，直徑10公里或更大的撞擊體可使碎片穿過地球大氣層送入到火星，但這種情況很少發生，可能在早期太陽系中更為常見。終止對火星保護的提議.2013年，阿爾貝託·費倫和德克·舒爾茨·馬庫赫在發表的論文《火星的過度保護》中建議，我們不再需要保護火星，基本上採用了祖布林的隕石轉移論點。現任和前任行星保護官員凱瑟琳·康利在《自然》雜誌的後續文章《火星的適度保護》中，對此予以了反駁。對第五類任務預防措施的批評.科學界的共識是，反向汙染透過發病機制或生態破壞產生大規模影響的可能性非常小。儘管如此，從火星返回的樣本仍被視為具有潛在的生物危害性，直到科學家能夠確認返回的樣本是安全的，目標是將火星粒子的釋放機率降至百萬分之一以下。政策建議.非生物汙染.2010年，國際空間研究委員會舉辦了一次研討會，研究了與保護區域免受非生物汙染有關的問題。他們建議空間研究委員會擴大其職權範圍，將這些問題包括在內。研討會的建議包括：提出的一些想法包括保護特殊區域，或設立“行星公園”，以保持太陽系各區域的原始狀態，以供未來進行科學調查，同時也出於道德原因。進一步的提議.天體生物學家克里斯托弗·麥凱認為，在我們對火星有更好的瞭解之前，我們的探索在生物學上應該是可逆的，例如，如果迄今為止引入火星的所有微生物都在航天器內處於休眠狀態，原則上它們可以在未來被清除，從而使火星完全不受現代地球生命形式的汙染。在2010年的研討會上，為未來考慮的建議之一是將汙染預防期延長至引入地球的休眠微生物的最大生存期。“建議4，空間研究委員會應考慮，對潛在本土外星生命的適當保護應包括在被引入的任何地球生物最大存活期內，避免對任何宜居環境—無論是現存還是可預見的有害汙染”。就木衛二的情況，也已提出了一種類似的想法，即在我們目前的探索期間，僅保持木衛二不受汙染是不夠的。或許因為木衛二具有足夠的科學價值，使人類有義務保持它的原始狀態以供後代研究。這是2000年木衛二專職研究組的主要觀點，儘管同一工作組中少數意見認為不需要採取如此強力的保護措施。2018年7月，美國國家科學院、工程院和醫學院釋出了一份對行星保護政策制定過程的審查和評估報告。在某種程度上，該報告敦促美國宇航局制定一項涵蓋前向和反向汙染的廣泛戰略計劃。報告還對尚未被政府機構監管的民間探索活動表示關注。系外天體的保護.德國物理學家克勞迪斯·格羅斯提出的一項建議，即突破攝星專案技術可用於在其它僅短暫宜居的系外行星上建立單細胞生物生物圈，引發了一場討論，應在多大程度上將行星保護擴充套件到系外行星。格羅斯認為，恆星際任務延長的時間尺度意味著行星和系外行星的保護有著不同的倫理基礎。一般參考.