双向的“生物污染”?太空探索应如何进行行星保护

人类对于太空的探索可以追溯到数千年前。如果从观测天体,记录天象算起,人类天文学的历史至少已经有五六千年了。

到了20世纪50年代,人类对太空的探索发生了质的飞跃。1957年10月4日,苏联把世界上第一颗人造地球卫星送入太空。紧接着,1961年4月12日,又首先将载有世界上第一名航天员尤里·加加林的“东方1号”宇宙飞船送入离地面181—327千米的空间轨道,开创了载人航天的新时代。那个时代,也是美苏将冷战延伸到太空探索领域的年代。

双向的“生物污染”可能

一个十分有趣的现象是,在美苏太空争霸的年代,还盛产科幻恐怖电影,而且这些科幻电影非常聚焦一个主题,那就是:外太空生物入侵地球!

我们知道,科幻恐怖电影不同于一般的恐怖电影,因为它们所要表现的,是恐怖背后带来的思索,是对当时新出现的科技力量的某种兴奋、紧张、恐惧的关注。

就像人们担心核武器既能终结第二次世界大战,也具备终结人类和平社会的能力一样,人们担心这两个超级大国恶性展开太空竞赛,既能够加速人类太空探索梦想的实现,也有可能从外太空带回未知的生物从而招致地球自身生物圈的毁灭。

当然,这种对太空探测活动中可能发生生物交换的担心并不是只有一个方向,而是双向的。

一方面,科学家们非常担心在太空探测活动中如果不做好谨慎的处理,会把地球的生物带到被探测的天体上,从而污染被探测天体。因为,在人类太空探测的众多目标中,最重要的问题之一就是回答生命的起源演化和地外天体是否存在生命。为了回答这一问题,人类开展了大量的深空探测活动。据不完全统计,迄今为止人类已发射各类深空探测任务超过260次。

阿波罗11号任务乘员返回地球后实施隔离

在这些深空探测任务中,有的探测对象曾经被认为可能存在生命,但是随着科学技术的发展,科学家目前已经倾向于认为这一类探测对象不太可能存在生命,例如月球和一些彗星、小行星等;有的探测对象科学家至今仍坚持认为有极大可能存在生命,如火星、木卫二和土卫二。在针对这些天体的探测活动中,无论其任务目标是否包括探测生命及其相关物质,都应采取必要的措施,避免地球上的微生物污染天体,从而得到错误的探测结果,或影响后续的生命探测任务。

另一方面,就像本文开篇所提到的,自从第一颗人造卫星开始,特别是自载人登月成功后,人类就开始策划实施火星采样返回等地外天体采样返回任务,在实施这类任务时,如何避免从地外天体返回的物质危及地球生物圈的安全,也备受大众关注。

为了避免以上两种情况,在太空探测任务中,应采取措施,避免地球和其他天体之间出现交叉生物污染,这也就是“行星保护”——在开展深空探测时,应避免地球和地外天体间出现交叉生物污染,即地球生命污染其他天体,或从其他天体返回的生命污染地球生物圈。

行星保护一般包括两方面要求:

1)正向保护:保护被探测天体的自然状态,避免探测结果被污染、甚至影响后续生命探测活动。

2)逆向保护:避免从地外天体带回的物质污染地球,危及地球生物圈。

行星保护国际政策

1958年国际科学联合会理事会(ICSU)发起成立了宇宙探测污染委员会(CETEX)和空间研究委员会(COSPAR)等机构。

COSPAR的宗旨是在国际范围内通过学术交流和组织实施国际研究项目,促进以卫星、飞船、火箭、深空探测器、高空气球等为手段的科学研究。COSPAR有7个科学小组,其中第7组为“行星保护”分委会,主要在政策和技术层面提出行星保护的建议要求。中国于1993年3月正式加入该组织。

1967年,联合国发布了《关于各国探索和利用包括月球和其他天体在内外层空间活动的原则条约》(简称《外层空间条约》),该条约1967年1月27日开放供签署,1967年10月10日生效。我国于1983年签署该条约,自1983年12月30日起生效。《外层空间条约》第九条中规定:“各缔约国探索和利用外层空间(包括月球和其他天体),应以合作和互助原则为准则;各缔约国在外层空间(包括月球和其他天体),所进行的一切活动,应妥善照顾其他缔约国的同等利益。各缔约国从事研究、探索外层空间(包括月球和其他天体)时,应避免使其遭受有害的污染,以及地球以外的物质,使地球环境发生不利的变化。……”。

在联合国领导下,COSPAR开始制定行星保护的有关国际政策。1964年,COSPAR咨询委员会以决议的形式出版了行星检疫要求,即最早的行星保护政策草案。1984年,COSPAR针对不同的探测对象和任务形式,将行星保护需求划分为五类,规定了不同类别任务的具体要求。此后,COSPAR不断发展和完善国际行星保护政策,目前每2年更新一次。

2017年12月发布的最新版COSPAR行星保护国际政策中,具体规定如下。

行星保护任务的类别定义

注:其中火星IV类任务中又分为三个子类。IVa类为不研究火星生命的着陆任务;IVb类为研究火星生命的着陆任务;IVc类为到达火星特定区域的着陆任务。

美国航空航天局NASA是目前在行星保护研究方面最为规范的航天机构。NASA在成立之初就十分重视行星保护工作,1959年在喷气推进实验室JPL成立了生物学研究办公室,后来发展为隶属于NASA总部的行星保护办公室,设立了行星保护官,专门负责行星保护技术研究与规范制定,审批各项深空探测任务的行星保护计划,并对全周期行星保护措施的落实情况进行监督审查。行星保护官直接向三个主管副局长之一汇报工作。

NASA行星保护管理体系框架

NASA有明确的行星保护技术体系,发布了《航天器内外部生物污染控制》等一系列标准规范,并针对不同类型的任务细化了不同的行星保护技术和管理要求,在航天器的飞行轨迹设计、单机设备研制、总装与测试等过程中,均对行星保护措施的落实情况进行严格的监督审查。NASA建立了行星保护网站,相关政策和标准均可以在其行星保护网站中查到。

行星保护的目的不是对地外天体实施泛环保主义,而是保护人类开展地外生命探测的科学结果,确保空间生命探测活动的有效性;同时也要包括保护地球的生态系统。因此,行星保护既是深空探测任务的内在需求,又是确保实现探测目标的必要手段。

行星保护技术是基础科学和工程技术的有机结合,是在对地球/地外天体生命科学认知的基础上,采取必要、合理的技术手段,确保空间探测活动有序进行,从而获得可靠的科学探测成果。

在实施深空探测任务的过程中,实施行星保护的具体技术手段主要包括:

1)依据行星保护国际政策,结合每个深空探测任务的具体设计,确定行星保护的总需求,并将总需求合理分配到单机、探测器系统总体、飞行轨道、飞行程序等各方面。

2)开发适应深空探测任务研制过程的微生物检测和消杀技术。

3)研制行星保护专用设备和关键单机,并经过微生物消杀处理,使得关键单机在交付整器前不被地球生物污染。

4)实施行星保护二次污染防护,确保经过消杀后的深空探测器飞行产品在发射前所携带的微生物总量符合预定的要求。

5)深空探测器发射后,通过分析和设计,可以选择适当的飞控措施,降低污染概率。

进入二十一世纪以来,人类探索地外天体的脚步不断加快,越来越多的国家开始涉足深空探测。除了传统航天国家/地区政府支持的深空探测任务,蓬勃发展的私人商业航天也开始涉足深空探测,2018年2月,SpaceX公司将一辆特斯拉跑车送入了穿越火星的轨道,但发射前并未实施行星保护,这甚至在美国国内引发了行星保护专家的质疑——目前,美国只有NASA致力于行星保护,没有针对商业航天行星保护的管理制度和政府机构。

2020年可称得上是“火星年”。除了欧空局ESA联合俄宇航的Mars2020任务因故推迟到2022年,其他三项火星探测任务:中国的“天问一号”、美国的“毅力”号火星车(Mars2020)、阿联酋的“希望”号均成功发射。

左:阿联酋“希望”号;中:国“天问中一号”;右:美国“毅力”号火星车

其中,“毅力”号的任务目标是专注于寻找火星生命痕迹,因此在COSPAR行星保护的分类中属于IVb级。这辆火星车将收集火星土壤或岩石样本放到储存容器中,由后续的探测器发射小型火箭将样本送回地球。为了确保所取得火星样品不会被“毅力号”火星车从地球上带去的微生物和有机物污染,研制团队按照COSPAR IVb级行星保护要求对火星车进行了严格的灭菌消杀工作。

与此同时,随着美国火星采样返回任务提上日程,科学家们对逆向保护的关切热度也随之升高。2020年3月,美国多所知名高校太空生物学背景的教授和科学家联名发起一项议题,希望能够围绕“火星、生命、样品返回以及行星保护”专题在全世界科学界展开讨论。

这项议题发起的背景,是科学家们担心NASA和ESA未来的火星取样返回任务,可能对地球生物圈带来疾病和污染。他们建议NASA最好首先把火星的样品送到国际空间站上开展研究,以最大程度减小对地球生物圈污染的风险。

相比之下,月球探测在COSPAR的分类中属于II类任务,行星保护的要求较低。早些年NASA曾在阿波罗任务中对外宣称取得了“重大发现”:在取回的月球样品中发现了微生物,然而这一“重大发现”遭到了科学家们的强烈质疑,最终NASA由于无法证明这些微生物到底来源于月球还是地球本身而最终宣布这一“发现”无效,由此可见行星保护的正向保护对于深空探测任务而言有多么重要。

随着科技的不断进步,科学家们对月球、火星、木星等地外天体的科学认知也在不断深入,对深空探测任务中的行星保护要求也必将随之做适应性调整。然而,因为深空探测的重要目标之一是回答生命的起源演化和地外天体是否存在生命的问题,因此,对于行星保护工作无论何时都应该给予持续和高度的关注。

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