北京時間 7 月 15 日消息，自太空時代開始以來，人類已經(jīng)向火星發(fā)射了大約 30 架航天器，有些已經(jīng)登陸并開展了多年的探測。這些航天器是否對火星環(huán)境產(chǎn)生了影響？美國威爾康奈爾醫(yī)學院的遺傳學家克里斯托弗?梅森認為，對于哪些微生物可能在火星之旅幸存下來的問題，現(xiàn)在已經(jīng)有了一些初步答案。
▲ 毅力號火星車和機智號無人機已經(jīng)在火星上取得了一些突破性的成果
當你閱讀這篇文章時，毅力號（Perseverance）火星車正在這顆紅色星球的表面持續(xù)工作著。這是一臺和普通汽車差不多大小的火星漫游車，于今年 2 月 18 日安全降落在火星表面，其最高時速只有不足每小時 152 米。不過，毅力號攜帶著多種工具、儀器和實驗設備，并已經(jīng)取得了一些突破性的成果。
在這臺 3 米長的火星探測車上，裝有一臺能將稀薄且富含二氧化碳的火星空氣轉(zhuǎn)化為氧氣的機器，以及一架紙巾盒大小的直升機。這架被稱為“機智號”（Ingenuity）的無人直升機在另一個星球上首次實現(xiàn)了有動力的受控飛行，每次飛行的時間都更長，飛行的高度也更高。
那么，有沒有什么其他東西也和這些航天器一起來到火星上呢？是否有來自地球的微量細菌或孢子被意外帶入太空，并在火星上安家？
盡管美國國家航空航天局（NASA）及其噴氣推進實驗室（JPL）的工程師們都遵循精確而全面的規(guī)程，以確保航天器在執(zhí)行太空任務的過程中不會出現(xiàn)被任何生物體“搭便車”的情況，但最近的兩項研究突出了一些隱憂：一些生物可能在清洗過程以及前往火星的過程中存活下來，同時某些微生物物種在太空中可能會加速進化。
首先，讓我們從毅力號火星車的建造過程開始說起。在噴氣推進實驗室的航天器組裝設施（SAF）中，包括毅力號在內(nèi)的大多數(shù)航天器都是像洋蔥一樣，一層一層精心建造起來的；各個部件在安裝之前，都要經(jīng)過清潔和消毒。這種方法確保了航天設備在執(zhí)行任務時幾乎不會攜帶任何細菌、病毒、真菌或孢子。
▲ 在組裝并準備發(fā)射到其他星球時，航天器要經(jīng)過嚴格的清洗
NASA 的航天器是在 ISO-5 潔凈室（ISO-1 表示最潔凈的設施，ISO-9 表示最不潔凈的設施）中建造的，具有空氣過濾器和嚴格的生物控制程序。通過這些設計，確保了每平方英尺中只有數(shù)百個顆粒的污染，理想情況下，每平方米的孢子數(shù)不會超過幾十個。
然而，零生物量是幾乎不可能做到的。微生物在地球上已經(jīng)存在了數(shù)十億年，它們無處不在。無論是在我們的體內(nèi)，還是我們的身體表面，抑或我們周圍的環(huán)境中，都有無數(shù)的微生物。有些微生物甚至能溜進最潔凈的房間。
在過去，生物污染的檢測主要是用拭子在設備上擦拭，然后放到培養(yǎng)基中培養(yǎng)，以了解微生物生命的生長能力。目前，克里斯托弗?梅森等研究者使用的新方法是先采集樣品，再提取其中所有的 DNA，然后用“鳥槍法”進行測序。顧名思義，這就像用獵槍來擊打樣品中的細胞，把它們打斷成數(shù)十億個 DNA 片段，然后對每個片段進行測序。之后，每個片段（或“讀取”的序列）可以與序列數(shù)據(jù)庫中已知的物種基因組進行比對。
目前，研究人員不僅可以對培養(yǎng)的微生物進行 DNA 測序，也可以對潔凈室的 DNA 進行測序，因此能更全面地了解哪些微生物能存在于潔凈環(huán)境下，甚至可以在太空的真空環(huán)境下生存。
▲ 美國國家航空航天局有嚴格的潔凈室規(guī)程，旨在將航天器和著陸器的生物污染降至最低
在噴氣推進實驗室的潔凈室里，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了微生物的證據(jù)，這些微生物在太空任務中可能會造成問題。這些有機體具有更多與 DNA 修復有關(guān)的基因，使它們具有更強的抗輻射能力，可以在物體表面和設備上形成生物膜，并能夠在干燥、寒冷的環(huán)境中生存。事實上，潔凈室可能在微生物的進化中扮演了重要角色，將最頑強的微生物選擇了出來，從而使它們有更大的機會在火星之旅中生存下來。
這些發(fā)現(xiàn)或許對防止星際間的“正向污染”有所啟發(fā)。所謂正向污染，是指在太空探索階段，人造宇宙飛船可能會將一些嗜極生命（有意或無意地）帶到另一個星球。這涉及到一個重要的問題，那就是確保宇宙其他地方可能存在的任何生命能夠完好無損，因為一旦有新的生物進入一個新的生態(tài)系統(tǒng)，就可能造成嚴重破壞。
在地球上，人類在防止這類破壞方面的記錄很糟糕。例如，19 世紀時，歐洲人將天花等病毒傳播到了北美大陸，使美洲原住民遭到了毀滅性的打擊。即使在 2020 年，人類也未能遏制導致新型冠狀病毒在全球范圍內(nèi)的蔓延。
從科學的角度來看，正向污染也是不可取的。科學家需要確定在其他星球上發(fā)現(xiàn)的任何生命都是真正的外星生命，而不是長著奇異外形，但根本上來自地球的“污染”。即使經(jīng)過輻射和消毒程序，微生物也有可能“搭便車”到達火星。它們的基因組可能會發(fā)生巨大變化，看起來真的如同外星生命，就像近年在國際空間站上發(fā)生進化的微生物一樣。如果在火星土壤中發(fā)現(xiàn)這些物種，可能會導致研究者對生命或火星生命普遍特征的錯誤認識。
▲ 人類已經(jīng)向火星發(fā)射了幾十個航天器，有些已經(jīng)成功地在這顆紅色星球上留下了自己的印記
對宇航員來說，被送入太空的微生物也可能造成更直接的問題，即對他們的健康構(gòu)成威脅。如果這些微生物形成菌落并粘在一起，甚至可能造成生命維持設備的故障。
不過，行星間的保護是雙向的，其另一個重要組成部分便是避免“逆向污染”，即帶回地球的任何東西都可能會對包括人類在內(nèi)的地球生命構(gòu)成威脅。這是許多科幻電影的主題，邪惡的“外星”入侵者威脅著地球上的所有生命。當美國國家航空航天局和歐洲空間局在 2028 年發(fā)射火星任務時，這將成為一個非?，F(xiàn)實的問題。如果一切按照目前的計劃進行，火星樣品返回任務將在 2032 年帶回第一批火星樣品。
然而，如果我們確實在火星上發(fā)現(xiàn)了生命跡象的話，這些生命有可能真的來自地球。早在 1971 年，兩架蘇聯(lián)探測器就登陸了火星表面，隨后在 1976 年，美國海盜 1 號（Viking 1）著陸器也成功登陸這個紅色星球。火星上可能保留著一些微生物碎屑，甚至還有人類 DNA。當然，考慮到火星具有全球性的沙塵暴，而可能隨這些航天器而來的 DNA 極其微量，因此即使發(fā)現(xiàn)生命跡象的話，也不太可能來自地球。
不過，即使毅力號 —— 或者之前的任務 —— 確實偶然地將生物體或 DNA 從地球帶到了火星，我們也有辦法將其與任何真正源自火星的生命區(qū)分開來。關(guān)于生命來源的信息就隱藏在 DNA 序列中。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）的項目正在世界上 100 多個城市中進行 DNA 測序。美國威爾康奈爾醫(yī)學院實驗室的研究人員、Metasub 團隊和瑞士的一個研究小組剛剛發(fā)布了相關(guān)的全球宏基因組數(shù)據(jù)，以創(chuàng)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。
通過將在火星上發(fā)現(xiàn)的任何 DNA 與噴氣推進實驗室的潔凈室、世界各國地鐵、臨床樣品、廢水或毅力號探測器離開地球前其表面所獲取的 DNA 序列進行比較，研究人員應該就能了解是否取得了新的重大發(fā)現(xiàn)。
即使人類在對太陽系的探索中無意中把微生物帶到了其他行星，它們也很可能不會像剛離開地球時那樣。太空旅行的考驗和不尋常的環(huán)境條件將對它們產(chǎn)生影響，并導致它們進化。如果一種來自地球的生物體已經(jīng)適應了太空或火星環(huán)境，科學家手中的遺傳學工具將幫助我們弄清楚它是如何發(fā)生變化，以及為什么會發(fā)生變化。
▲ 國際空間站上的細菌和真菌能在極端環(huán)境下存活，盡管宇航員努力保持清潔，但它們?nèi)匀淮罅糠敝?/p>
事實上，噴氣推進實驗室和威爾康奈爾醫(yī)學院實驗室的科學家最近在國際空間站上發(fā)現(xiàn)的新物種就表現(xiàn)出類似于在潔凈室中發(fā)現(xiàn)的適應性，包括抗高水平輻射等。隨著越來越多的極端生物被編入名為“極端微生物組計劃”（Extreme Microbiome Project）的項目中，它們的進化潛力很可能也將為人類提供幫助。例如，我們可以利用它們的適應性來尋找新的防曬霜，或新的 DNA 修復酶，以防止導致癌癥的有害突變；或者幫助開發(fā)新的藥物。
最終，當人類踏上火星時，也將攜帶著生活在體內(nèi)的微生物。這些微生物也可能會適應、變異和改變。人類也可以從它們身上學到很多東西；它們甚至可能讓登上火星的人更容易適應火星生活。而且，人類可以對適應火星環(huán)境的獨特基因組進行測序，然后傳回地球做進一步鑒定，再用于兩個星球上的治療和研究。
考慮到所有計劃中的火星任務，可以說，人類正處于行星間生物學新時代的前沿；我們將了解生物在一個星球上的適應性，并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，即使到了火星環(huán)境也是如此。當科學家對這些生物進行 DNA 測序時，就會發(fā)現(xiàn)火星留下的對生物新的選擇壓力，打開全新的進化歷程。
這不僅僅是出于無聊的好奇心，而是人類這個物種要背負起保護和延續(xù)所有其他物種的責任。只有人類才懂得什么是滅絕，因此也只有人類才能阻止它，這適用于今天，也適用于幾十億年后，屆時地球上的海洋將開始沸騰，陸地會變得太熱而無法生存。當人類開始向其他星球進發(fā)時，將不可避免地造成正向污染，但在這種情況下，我們別無選擇。最終，謹慎和負責任的正向污染將是保護生命的唯一途徑，這或許也將是人類在未來 500 年內(nèi)必須實現(xiàn)的飛躍。
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