太空探索：人类是否会污染火星
自太空时代开始以来，人类已经向火星这颗红色星球发射了大约30艘宇宙飞船和登陆器。遗传学家克里斯托弗·梅森说，现在我们知道哪些微生物可能在这些旅程中幸存下来并登陆了火星。
这是一台非凡的机器，名叫“毅力号”（Perseverance）的火星探测车，只有普通小轿车大小。今年2月18日，它安全地降落并行驶在火星表面，虽然最高时速低于每小时0.1英里（152米/小时）, 但它配备有用途广泛的工具和仪器。它的实验已经取得了一些突破性的成就。 这辆10英尺长（3米）的火星探测车上装有一台机器能将稀薄但含二氧化碳的火星空气转化为氧气。此外还有一架纸巾盒大小的直升机，在另一个星球上首次实现有动力、可控制的飞行。这架名为“独创号”（Ingenuity）的直升机已经成功飞行了三次，每次飞行的时间都更长，也飞得更高。 但是，还有什么其他的东西和这些机器一起出现在火星吗?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? 尽管美国宇航局和喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）的工程师们制定过精确和全面的计划, 以确保不会让任何生物体无意中搭便车进入太空，但最近的两项研究突显出一些生物可能逃过清洗程序，展开了火星之旅，研究还考察了微生物物种在太空中的进化速度。 首先，让我们从建造“毅力号”探测器以及喷气推进实验室制造大多数航天器的过程开始。在那里，宇宙飞船像洋葱一样一层一层地精心建造，在添加之前，所有东西都经过清洁和消毒。这确保了几乎没有细菌、病毒、真菌或孢子污染被混入执行任务的设备。 在组装和准备发射到其他星球前，航天器要经过严格的清洗。 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，这里有空气过滤器和严格的生物控制程序。这些设计是为了确保每平方英尺只有几百个颗粒污染物，理想情况下每平方米不超过几十个孢子。 即便如此，也几乎不可能达到零生物量。微生物已经在地球上存在了数十亿年，它们无处不在。它们在我们体内，在我们身体里，在我们周围。有些甚至能溜进最干净的房间。 在过去，生物污染测试依赖于从设备上提取拭子样本培养。我和同事们使用的新方法是取一个给定的样本，提取所有的DNA，然后采用“猎枪”技术测序。顾名思义，这就像用猎枪击打样本的细胞，把它们炸成数十亿个小DNA片段，然后对每个片段进行测序。然后，每个片段（或序列“读取”）可以被映射回序列数据库中已经存在物种的已知基因组。 因为我们现在是在干净的房间完成DNA排序， 而不仅仅是可以培养的。如果他们可以在接近真空的空间中生存，我们就有机会更全面的研究他们是什么样的微生物。 在喷气推进实验室的无菌室里，我们发现了微生物存在的证据。这些微生物在太空任务中可能会造成问题。这些生物有更多的DNA修复基因，因此它们具有更强的抗辐射能力，它们可以在表面和设备上形成生物膜，得以在干燥环境中生存，在寒冷环境中茁壮成长。事实证明，洁净的房间可能是最顽强的细菌的进化选择过程，这样，如果没有被淘汰，它们就有更大的机会在火星之旅中生存下来。 这些发现暗示了一种叫做“正向污染”（forward contamination）的行星保护形式。在这个阶段，我们可能会把一些东西（有意或无意）带到另一个星球。重要的是，宇宙其他地方如果存在任何生命，我们要确保他们的安全。因为外来生物一旦到达新的生态系统，就会造成严重破坏。 美国宇航局有严格的洁净协议，旨在将航天器和着陆器的生物污染降至最低。 在我们的星球上，人类在这方面的记录很糟糕。例如，19世纪时，天花是通过分发给北美原住民的毯子传播的。即使在2020年，我们也未能遏制新冠病毒——SARS-CoV-2的快速传播。 从科学的角度来看，正向污染也是不可取的。科学家们需要确定在其他星球上发现的任何生命都是真正的本地生命，而不是一个被错误识别为外来生物，但却为地球生长起来的污染物种。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。他们的基因组可能发生巨大变化，以至于看上去确实超乎寻常，就像我们最近看到的在国际空间站上进化的微生物一样。如果在火星土壤中发现这些外来物种，可能会引发对生命或火星生命普遍特征的错误研究。 人类已经向火星发射了几十个航天器和着陆器——那些成功的航天器已经在这颗红色星球上留下了自己的印记。 被送入太空的微生物对宇航员来说也可能是更直接的问题，会对他们的健康构成威胁，如果他们与微生物菌落粘在一起，甚至可能导致生命维持设备发生故障。 但行星环保是双向的。行星保护的另一个组成部分是避免“逆向污染”，即带回地球的东西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，其中一些虚构微生物威胁着地球上的所有生命。当美国宇航局和欧洲航天局在2028年向火星发射探测器时，这可能成为一个非常现实的问题——如果一切按照目前的计划进行，2032年返回时将带回第一批火星样本。 然而，如果我们确实在火星上发现生命的迹象，那就有可能首先来自地球。自两架苏联探测器于1971年登陆火星表面，随后是1976年美国海盗1号（Viking 1）着陆器，这个红色星球上可能有一些微生物的痕迹，也许还有人类DNA。考虑到全球沙尘暴和可能随这些航天器而来的微量DNA，我们必须确认我们发现的火星生命并非来自地球。 但是，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。DNA序列中隐藏着关于其来源的信息。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）的项目正在对世界上100多个城市的DNA进行测序，我们实验室的研究人员，Metasub团队，瑞士的一个研究小组刚刚发布了这些和其他全球宏基因组数据，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。 将在火星上发现的任何DNA与喷气推进实验室的洁净室、世界各地地铁、临床样本、废水或毅力号探测器离开地球前所看到的序列进行比较，应该有可能看到这些火星生物是否真正来自地球以外。 即使我们对太阳系的探索无意中把微生物带到了其他行星上，它们很可能不会像离开地球时那样。太空旅行的考验和他们遇到的不寻常的环境将对他们留下印记，并导致他们进化。如果一种来自地球的生物体已经适应了太空或火星，我们手中的遗传学工具可以帮助我们弄清楚微生物是如何以及为什么发生变化的。 事实上，喷气推进实验室和我们实验室的科学家们，最近在国际空间站上发现了奇怪的新物种，包含一些类似于在洁净室中发现的适应性（包括抗高水平辐射）物种。随着越来越多的极端物种被编入一个名为“极端微生物组计划”（extreme Microbiome Project）的项目中，他们也有可能在未来成为人类进化工具箱中的工具。例如，我们可以利用他们的适应性来寻找新的防晒基因，或新的DNA修复酶，以防止导致癌症的有害突变，或帮助开发新药物。 国际空间站上的细菌和真菌在极端清洁环境下存活，尽管人类努力消灭他们，但他们仍然大量繁殖。 最终，人类将携带着生活在我们体内的混合微生物踏上火星。这些微生物也可能会适应、变异。我们也可以从他们身上学习。他们甚至可能让那些去火星的人更容易在火星上生活，因为适应火星环境的独特基因组可以被测序，然后传回地球进一步鉴定，然后用于两个星球上的治疗和研究。 我们正在跨入行星生物学新时代，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，火星的环境也不会有什么不同。当我们对这些生物进行排序时，新生物会铭刻下火星对他们的改变，开启全新的进化文献目录。 这不仅仅是出于无聊的好奇心，而是我们人类保护所有其他物种的责任。只有人类才懂得灭绝，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，当地球上的海洋开始沸腾，地球变得太热，无法生存时。当我们开始向其他恒星进发时，我们将不可避免地违反行星物种保护，但那时我们别无选择。最终，谨慎和负责任的正向污染是保护生命的唯一方法，这是我们在未来500年必须开始实现的飞跃。 请访问 BBC Future 阅读 英文原文。 注：克里斯托弗·梅森（Christopher Mason）是康奈尔大学威尔·康奈尔医学院（Weill Cornell Medicine）基因组学、生理学和生物物理学教授。他研究长期载人航天对美国宇航局和其他宇航员的分子和基因影响，以及用于癌症治疗的新细胞类型的设计，是《未来500年：工程生命到达新世界》(The Next 500 Years: Engineering Life to Reach New Worlds)一书的作者。