Ochrona planetarna - Planetary protection

Lądownik Viking przygotowywany do sterylizacji suchym ciepłem  – to pozostaje „srebrnym standardem” dzisiejszej ochrony planety.

Ochrona planetarna jest naczelną zasadą przy projektowaniu misji międzyplanetarnych , mającą na celu zapobieganie biologicznemu skażeniu zarówno docelowego ciała niebieskiego, jak i Ziemi w przypadku misji zwrotu próbek. Ochrona planety odzwierciedla zarówno nieznaną naturę środowiska kosmicznego, jak i pragnienie społeczności naukowej, aby zachować nieskazitelną naturę ciał niebieskich, dopóki nie będzie można ich szczegółowo zbadać.

Istnieją dwa rodzaje skażenia międzyplanetarnego . Skażenie w przód to przeniesienie żywotnych organizmów z Ziemi do innego ciała niebieskiego. Skażenie wsteczne to przeniesienie organizmów pozaziemskich , jeśli takie istnieją, z powrotem do biosfery Ziemi .

Historia

Potencjalny problem skażenia księżycowego i planetarnego został po raz pierwszy podniesiony na VII Kongresie Międzynarodowej Federacji Astronautycznej w Rzymie w 1956 roku.

W 1958 roku US National Academy of Sciences (NAS) podjęło uchwałę stwierdzającą, „The National Academy of Sciences Stanów Zjednoczonych Ameryki popędów, że naukowcy planują księżycowych i planetarnych studia z wielką starannością i głęboką troską tak, że początkowe operacje nie kompromis i uczynić niemożliwym na zawsze po krytycznych eksperymentach naukowych.” Doprowadziło to do utworzenia ad hoc Komitetu ds. Skażenia przez Eksploracje Pozaziemskie (CETEX), który spotykał się przez rok i zalecił sterylizację międzyplanetarnych statków kosmicznych i stwierdził: „Potrzeba sterylizacji jest tylko tymczasowa. Mars i prawdopodobnie Wenus muszą pozostać nieskażone tylko do czasu, gdy możliwe będzie badanie przez statki załogowe”.

W 1959 roku ochrona planetarna została przekazana nowo utworzonemu Komitetowi Badań Kosmicznych (COSPAR). COSPAR w 1964 wydał rezolucję 26, stwierdzając, że:

poszukiwanie życia pozaziemskiego jest ważnym celem badań kosmicznych, że planeta Mars może zaoferować jedyną realną możliwość prowadzenia tych poszukiwań w dającej się przewidzieć przyszłości, że skażenie tej planety znacznie utrudni takie poszukiwania, a być może nawet uniemożliwi na zawsze jednoznaczny wynik, że należy podjąć wszelkie praktyczne kroki w celu zapewnienia, że ​​Mars nie zostanie skażony biologicznie do czasu, gdy te poszukiwania zostaną pomyślnie przeprowadzone, oraz że współpraca we właściwym planowaniu eksperymentów i zastosowaniu odpowiednich technik sterylizacji statków kosmicznych jest wymagane ze strony wszystkich władz zajmujących się wystrzeliwaniem sond kosmicznych w celu uniknięcia takiego skażenia.

Sygnatariusze Traktatu o Przestrzeni Kosmicznej - obejmują wszystkie obecne i aspirujące państwa narodowe wykonujące loty w kosmos. Podpisując traktat, wszystkie te państwa zobowiązały się do ochrony planety.

  Podpisano i ratyfikowano

  Tylko podpisany

  Niepodpisany

W 1967 r. Stany Zjednoczone, ZSRR i Wielka Brytania ratyfikowały Traktat o Przestrzeni Kosmicznej ONZ . Podstawa prawna ochrony planetarnej znajduje się w artykule IX tego traktatu:

„Artykuł IX: …Państwa-Strony Układu będą prowadzić badania przestrzeni kosmicznej, w tym Księżyca i innych ciał niebieskich, oraz prowadzić ich badania, aby uniknąć ich szkodliwego skażenia, a także niekorzystnych zmian w środowisku Ziemi wynikających od wprowadzenia materii pozaziemskiej i, w razie potrzeby, przyjmą w tym celu odpowiednie środki...

Traktat ten został podpisany i ratyfikowany przez 104 państwa narodowe. Kolejnych 24 podpisało, ale nie ratyfikowało. Wszystkie obecne państwa narodowe dokonujące lotów kosmicznych podpisały go i ratyfikowały. Wśród krajów z aspiracjami do lotów w kosmos, niektóre jeszcze nie ratyfikowały: Zjednoczone Emiraty Arabskie, Syria i Korea Północna podpisały je, ale jeszcze nie ratyfikowały.

Układ o Przestrzeni Kosmicznej ma stałe i szerokie poparcie międzynarodowe, w związku z czym, łącznie z faktem, że opiera się na przyjętej w drodze konsensusu w Zgromadzeniu Narodowym ONZ deklaracji z 1963 r., zyskał status zwyczajowego międzynarodowego prawo. Postanowienia Układu o Przestrzeni Kosmicznej są więc wiążące dla wszystkich państw, nawet tych, które go nie podpisały ani nie ratyfikowały.

W przypadku skażenia w przód należy interpretować wyrażenie „szkodliwe zanieczyszczenie”. W dwóch przeglądach prawnych doszło do odmiennych interpretacji tej klauzuli (obie przeglądy były nieoficjalne). Jednak obecnie przyjęta interpretacja jest taka, że ​​„należy unikać wszelkich zanieczyszczeń, które mogłyby zaszkodzić eksperymentom lub programom państwa”. Polityka NASA stwierdza wyraźnie, że „przeprowadzanie badań naukowych możliwych pozaziemskich form życia, prekursorów i pozostałości nie może być zagrożone”.

Zalecenia i kategorie COSPAR

Komitet Badań Kosmicznych (COSPAR) spotyka się co dwa lata, w gromadzeniu 2000 do 3000 naukowców, a jednym z jej zadań jest opracowanie zaleceń dla uniknięcia zanieczyszczenia międzyplanetarną. Jego podstawą prawną jest Artykuł IX Układu o Przestrzeni Kosmicznej (szczegóły w historii poniżej ).

Jego zalecenia zależą od rodzaju misji kosmicznej i badanego ciała niebieskiego. COSPAR dzieli misje na 5 grup:

• Kategoria I: Każda misja do miejsc, które nie są bezpośrednio zainteresowane ewolucją chemiczną lub pochodzeniem życia , takich jak Słońce czy Merkury . Brak wymogów ochrony planetarnej.
• Kategoria II: Każda misja do miejsc o istotnym znaczeniu dla ewolucji chemicznej i pochodzenia życia, ale tylko znikoma szansa, że ​​skażenie przenoszone przez statki kosmiczne może zakłócić badania. Przykłady obejmują Księżyc , Wenus i komety . Wymaga jedynie prostej dokumentacji, przede wszystkim w celu określenia zamierzonych lub potencjalnych celów oddziaływania, oraz raportu końcowego z każdego miejsca niezamierzonego oddziaływania, jeśli takie miało miejsce.
• Kategoria III: Misje przelotów i orbiterów do miejsc o istotnym znaczeniu dla ewolucji chemicznej lub pochodzenia życia, ze znaczną szansą, że skażenie może zagrozić badaniom, np. Mars , Europa , Enceladus . Wymaga bardziej zaangażowanej dokumentacji niż kategoria II. Inne wymagania, w zależności od misji, mogą obejmować przesunięcie trajektorii, montaż pomieszczeń czystych, redukcję obciążenia biologicznego, a jeśli możliwy jest wpływ, inwentaryzację substancji organicznych.
• Kategoria IV: Misje lądownika lub sondy w tych samych lokalizacjach co kategoria III. Środki, które należy zastosować, zależą od organu docelowego i planowanych operacji. „Sterylizacja całego statku kosmicznego może być wymagana w przypadku lądowników i łazików z eksperymentami w zakresie wykrywania życia, a także dla tych, którzy lądują lub przemieszczają się do regionu, w którym ziemskie mikroorganizmy mogą przetrwać i rosnąć lub gdzie może być obecne miejscowe życie. W przypadku innych lądowników i łazików , wymagania dotyczyłyby dekontaminacji i częściowej sterylizacji wyładowanego sprzętu."

Misje na Marsa w kategorii IV są dalej podzielone na podklasy:

• Kategoria IVa. Lądowniki, które nie szukają marsjańskiego życia - wykorzystują wymagania wstępnej sterylizacji lądownika Viking, maksymalnie 300 000 zarodników na statek kosmiczny i 300 zarodników na metr kwadratowy.
• Kategoria IVb. Lądowniki poszukujące marsjańskiego życia. Dodaje rygorystyczne dodatkowe wymagania, aby zapobiec zanieczyszczeniu próbek.
• Kategoria IVc. Każdy element, który ma dostęp do specjalnego regionu Marsa (patrz poniżej), musi zostać wysterylizowany do co najmniej poziomu biologicznego obciążenia po sterylizacji Vikinga wynoszącego łącznie 30 zarodników na statek kosmiczny.

• Kategoria V: Jest to dalej podzielone na nieograniczony i ograniczony zwrot próbki.

• Nieograniczona kategoria V: próbki z miejsc, w których według opinii naukowej nie występują rodzime formy życia. Bez specjalnych wymagań.
• Ograniczona kategoria V: (w przypadku gdy opinia naukowa nie jest pewna) wymagania obejmują: bezwzględny zakaz niszczącego wpływu po zwrocie, zabezpieczenie całego zwróconego sprzętu, który bezpośrednio skontaktował się z docelowym ciałem oraz zabezpieczenie wszelkich niesterylizowanych próbek zwróconych na Ziemię.

W przypadku misji kategorii IV dozwolony jest określony poziom obciążenia biologicznego misji. Ogólnie jest to wyrażane jako „prawdopodobieństwo skażenia”, które musi być mniejsze niż jedna szansa na 10 000 skażenia w przód na misję, ale w przypadku misji na Marsa kategorii IV (powyżej) wymaganie zostało przetłumaczone na liczbę bakterii Bacillus. zarodniki na powierzchnię, jako łatwa w użyciu metoda testowa.

W przypadku kategorii IV wymagana jest również obszerniejsza dokumentacja. Inne wymagane procedury, w zależności od misji, mogą obejmować odchylanie trajektorii, korzystanie z czystych pomieszczeń podczas montażu i testowania statku kosmicznego, redukcję obciążenia biologicznego, częściową sterylizację sprzętu mającego bezpośredni kontakt z ciałem docelowym, bioosłonę dla tego sprzętu oraz, w przypadku rzadkie przypadki, całkowita sterylizacja całego statku kosmicznego.

W przypadku misji kategorii V objętych ograniczeniami obecne zalecenie jest takie, że nie należy zwracać niezabezpieczonych próbek, chyba że zostaną wysterylizowane. Ponieważ sterylizacja zwróconych próbek zniszczyłaby znaczną część ich wartości naukowej, obecne propozycje obejmują procedury przechowawcze i kwarantanny. Aby uzyskać szczegółowe informacje, zobacz sekcję Zabezpieczanie i kwarantanna poniżej. Misje kategorii V muszą również spełniać wymagania kategorii IV, aby chronić obiekt docelowy przed skażeniem z przodu.

Specjalne regiony Marsa

Specjalny obszar to region sklasyfikowany przez COSPAR gdzie organizmy lądowe mogłyby łatwo rozprzestrzeniać lub wywrzeć duży potencjał istnienia form życia na Marsie. Rozumie się, że odnosi się to do każdego regionu na Marsie, w którym występuje woda w stanie ciekłym lub może czasami wystąpić, w oparciu o obecne zrozumienie wymagań dotyczących życia.

Jeśli twarde lądowanie grozi zanieczyszczeniem biologicznym specjalnego regionu, cały system lądowania musi zostać wysterylizowany do kategorii IVc COSPAR.

Kategorie docelowe

Niektóre cele można łatwo skategoryzować. Innym COSPAR przypisuje tymczasowe kategorie w oczekiwaniu na przyszłe odkrycia i badania.

Warsztaty COSPAR 2009 na temat ochrony planetarnej dla satelitów planet zewnętrznych i małych ciał Układu Słonecznego omówiły to dość szczegółowo. Większość z tych ocen pochodzi z tego raportu, z pewnymi przyszłymi udoskonaleniami. Podczas warsztatu podano również bardziej precyzyjne definicje niektórych kategorii:

Kategoria I

„nie ma bezpośredniego zainteresowania dla zrozumienia procesu ewolucji chemicznej lub pochodzenia życia”.

• Io, Słońce, Merkury, niezróżnicowane przeobrażone asteroidy

Kategoria II

…gdzie istnieje tylko niewielka szansa, że ​​skażenie przenoszone przez statek kosmiczny może zagrozić przyszłej eksploracji”. W tym przypadku definiujemy „zdalną szansę” jako „brak nisz (miejsc, w których ziemskie mikroorganizmy mogą się rozmnażać) i/lub bardzo małe prawdopodobieństwo przeniesienia się do tych miejsc”.

• Kallisto, komety, asteroidy kategorii P, D i C, Wenus, obiekty pasa Kuipera (KBO) < 1/2 rozmiaru Plutona.

Tymczasowa kategoria II

• Ganimedes, Titan , Triton, układ Pluton-Charon i inne duże KBO (> 1/2 rozmiaru Plutona), Ceres

Tymczasowo przypisali te obiekty do kategorii II. Stwierdzają jednak, że potrzebne są dalsze badania, ponieważ istnieje odległa możliwość, że interakcje pływowe Plutona i Charona mogłyby utrzymać jakiś zbiornik wodny pod powierzchnią. Podobne rozważania dotyczą innych większych KBO.

Triton jest obecnie niewystarczająco zrozumiany, aby powiedzieć, że jest zdecydowanie pozbawiony wody w stanie ciekłym. Jedyne dotychczasowe obserwacje z bliska dotyczą Voyagera 2 .

W szczegółowej dyskusji na temat Tytana naukowcy doszli do wniosku, że nie ma niebezpieczeństwa zanieczyszczenia jego powierzchni, z wyjątkiem krótkotrwałego dodania znikomych ilości substancji organicznych, ale Tytan może mieć pod powierzchnią zbiornik wodny, który komunikuje się z powierzchnią, a jeśli tak, to może być skażony.

W przypadku Ganimedesa pytanie brzmi, biorąc pod uwagę, że jego powierzchnia wykazuje wszechobecne oznaki powrotu na powierzchnię, czy istnieje jakakolwiek komunikacja z jego podpowierzchniowym oceanem? Nie znaleźli żadnego znanego mechanizmu, dzięki któremu mogłoby to nastąpić, a sonda Galileo nie znalazła dowodów na kriowulkanizm . Początkowo przypisali mu priorytet B minus, co oznacza, że ​​​​misje wstępne są potrzebne do oceny jego kategorii przed jakimikolwiek misjami nawodnymi. Jednak po dalszych dyskusjach tymczasowo przypisano go do kategorii II, więc nie są wymagane żadne misje prekursorów, w zależności od przyszłych badań.

Jeśli na Ganimedesie lub Tytanie występuje kriowulkanizm, uważa się, że podpowierzchniowy zbiornik znajduje się 50-150 km pod powierzchnią. Nie byli w stanie znaleźć procesu, który mógłby przenieść stopioną wodę z powierzchni z powrotem przez 50 km lodu do pod powierzchnią morza. Właśnie dlatego zarówno Ganimedesowi, jak i Tytanowi przydzielono dość mocną, tymczasową kategorię II, ale w oczekiwaniu na wyniki przyszłych badań.

Lodowe ciała, które wykazują oznaki niedawnego wynurzenia, wymagają dalszej dyskusji i mogą wymagać przypisania do nowej kategorii w zależności od przyszłych badań. Takie podejście zastosowano na przykład do misji na Ceres . Kategoria ochrony planetarnej podlega przeglądowi podczas misji orbitera Ceres ( Świt ) w zależności od znalezionych wyników.

Kategoria III/IV

„…gdzie istnieje znaczna szansa, że ​​skażenie przenoszone przez statek kosmiczny może zagrozić przyszłej eksploracji”. Definiujemy „znaczną szansę” jako „obecność nisz (miejsc, w których ziemskie mikroorganizmy mogą się rozmnażać) i prawdopodobieństwo przeniesienia się do tych miejsc”.

• Mars z powodu możliwych siedlisk na powierzchni.
• Europa z powodu podpowierzchniowego oceanu.
• Enceladus ze względu na ślady piór wodnych.

Kategoria V

Nieograniczona Kategoria V: „Misje powrotu na ziemię z ciał uznanych przez naukowców za pozbawione rdzennych form życia”.

Kategoria V ograniczona: „Misje powrotne na ziemię z ciał uznanych w opinii naukowej za mające istotne znaczenie dla procesu ewolucji chemicznej lub powstania życia”.

W kategorii V dla przykładowego zwrotu dotychczasowe wnioski to:

• Nieograniczona Kategoria V: Wenus , Księżyc.
• Restricted Kategoria V: Mars, Europa, Enceladus.

Równanie Colemana-Sagana

Celem obecnych przepisów jest utrzymanie na tyle niskiej liczby mikroorganizmów, aby prawdopodobieństwo skażenia Marsa (i innych celów) było akceptowalne. Nie jest celem, aby prawdopodobieństwo zanieczyszczenia było zerowe.

Celem jest utrzymanie prawdopodobieństwa skażenia wynoszącego 1 szansę na 10 000 skażenia na wylataną misję. Liczbę tę uzyskuje się zazwyczaj przez pomnożenie liczby mikroorganizmów na statku kosmicznym, prawdopodobieństwa wzrostu na ciele docelowym oraz szeregu czynników redukcji obciążenia biologicznego.

Szczegółowo zastosowana metoda to równanie Colemana-Sagana.

${\ Displaystyle P_ {c} = N_ {0}RP_ {S} P_ {t} P_ {R} P_ {g}}$.

gdzie

${\displaystyle N_{0}}$ = początkowo liczba mikroorganizmów na statku kosmicznym

${\ Displaystyle R}$ = Redukcja spowodowana warunkami panującymi na statku kosmicznym przed i po wystrzeleniu

${\displaystyle P_{S}}$ = Prawdopodobieństwo, że mikroorganizmy na statku kosmicznym dotrą do powierzchni planety

${\displaystyle P_{t}}$ = Prawdopodobieństwo, że statek kosmiczny uderzy w planetę - to 1 dla lądownika

${\displaystyle P_{R}}$ = Prawdopodobieństwo uwolnienia drobnoustroju do środowiska na ziemi, zwykle ustawione na 1 w przypadku lądowania awaryjnego.

${\ Displaystyle P_ {g}}$= Prawdopodobieństwo wzrostu. Dla celów z ciekłą wodą jest to ustawione na 1 ze względu na obliczenia.

W takim razie wymaganie to ${\ Displaystyle P_ {c} <10 ^ {-4}}$

To numer wybrany przez Sagan i wsp., Nieco arbitralnie. Sagan i Coleman założyli, że około 60 misji na powierzchnię Marsa miałoby miejsce, zanim egzobiologia Marsa zostanie dokładnie zrozumiana, 54 z nich udane i 30 przelotów lub orbiterów, a liczba została wybrana tak, aby wytrzymać prawdopodobieństwo uchronienia planety przed zanieczyszczeniem co najmniej 99,9% w okresie poszukiwań. ${\ Displaystyle 10 ^ {-4}}$

Krytyka

Równanie Colemana-Sagana zostało skrytykowane, ponieważ poszczególne parametry często nie są lepsze niż wielkość lub mniej więcej. Na przykład grubość lodu na powierzchni Europy jest nieznana i miejscami może być cienka, co może powodować wysoki poziom niepewności równania. Została również skrytykowana ze względu na nieodłączne założenie zakończenia okresu ochrony i przyszłej eksploracji człowieka. W przypadku Europy chroniłoby to tylko z rozsądnym prawdopodobieństwem na czas trwania poszukiwań.

Greenberg zasugerował alternatywę, aby użyć standardu naturalnego skażenia — że nasze misje do Europy nie powinny mieć większej szansy na skażenie jej niż prawdopodobieństwo skażenia przez meteoryty z Ziemi.

Dopóki prawdopodobieństwo zarażenia innych planet drobnoustrojami lądowymi jest znacznie mniejsze niż prawdopodobieństwo, że takie skażenie nastąpi w sposób naturalny, naszym zdaniem działalność eksploracyjna nie zaszkodzi. Nazywamy tę koncepcję standardem naturalnego skażenia.

Innym podejściem dla Europy jest wykorzystanie binarnych drzew decyzyjnych, które jest preferowane przez Komitet ds. Standardów Ochrony Planetarnej Ciał Lodowych w Zewnętrznym Układzie Słonecznym pod auspicjami Rady Badań Kosmicznych. To przechodzi przez serię siedmiu kroków, prowadząc do ostatecznej decyzji, czy kontynuować misję, czy nie.

Zalecenie: Podejścia do osiągnięcia ochrony planety nie powinny opierać się na mnożeniu szacunków obciążenia biologicznego i prawdopodobieństw obliczenia prawdopodobieństwa zanieczyszczenia ciał Układu Słonecznego organizmami lądowymi, chyba że dane naukowe jednoznacznie definiują wartości, zmienność statystyczną i wzajemną niezależność każdego czynnika użytego w równanie.

Zalecenie: Podejścia do osiągnięcia ochrony planetarnej w misjach do lodowych ciał Układu Słonecznego powinny opierać się na szeregu decyzji binarnych, które uwzględniają jeden czynnik na raz, aby określić odpowiedni poziom procedur ochrony planety, które należy zastosować.

Przechowywanie i kwarantanna w przypadku ograniczonego zwrotu próbki kategorii V

W przypadku ograniczonych misji kategorii V Ziemia byłaby chroniona poprzez kwarantannę próbek i astronautów w jeszcze nie wybudowanym obiekcie o poziomie 4 poziomu bezpieczeństwa biologicznego . W przypadku powrotu próbki Marsa misje byłyby zaprojektowane tak, aby żadna część kapsuły, która napotyka powierzchnię Marsa, nie była wystawiona na działanie środowiska ziemskiego. Jednym ze sposobów na to jest zamknięcie pojemnika z próbką w większym zewnętrznym pojemniku z Ziemi, w próżni kosmicznej. Integralność wszelkich uszczelnień jest niezbędna, a system musi być również monitorowany w celu sprawdzenia możliwości uszkodzenia mikrometeorytów podczas powrotu na Ziemię.

Rekomendacja raportu EFS jest taka:

„Żadne niezabezpieczone materiały marsjańskie, w tym powierzchnie statków kosmicznych, które zostały wystawione na działanie środowiska Marsa, nie powinny być zwracane na Ziemię, chyba że zostaną wysterylizowane”

… „W przypadku niesterylizowanych próbek zwróconych na Ziemię program wykrywania życia i testowania zagrożeń biologicznych lub sprawdzona sterylizacja procesu, należy podjąć jako bezwzględny warunek wstępny kontrolowanego rozmieszczenia dowolnej porcji próbki.”

Nie przeprowadzono żadnych zwrotów kategorii V objętych ograniczeniami. Podczas programu Apollo zwroty próbek były regulowane przez Ustawę o ekspozycji pozaziemskiej . Została ona uchylona w 1991 r., więc trzeba by było uchwalić nowe przepisy. Procedury kwarantanny z epoki Apollo są interesujące jako jedyna próba datowania powrotu na Ziemię próbki, która w tamtych czasach, jak sądzono, miała odległą możliwość włączenia życia pozaziemskiego.

Próbki i astronauci zostali poddani kwarantannie w Laboratorium Odbioru Księżyca . Zastosowane metody zostałyby uznane za nieodpowiednie do ograniczania przez współczesne standardy. Również księżycowe laboratorium przyjmujące zostałoby uznane za awarię na podstawie własnych kryteriów projektowych, ponieważ próbka zwrócona nie zawierała materiału księżycowego, z dwoma punktami awarii podczas misji powrotnej Apollo 11, podczas startu i w samym obiekcie.

Jednak Laboratorium Odbioru Księżyca zostało zbudowane szybko, mając zaledwie dwa lata od początku do końca, co obecnie uważa się za niewystarczające. Wyciągnięte z niego wnioski mogą pomóc w zaprojektowaniu dowolnego obiektu odbierającego próbki Marsa.

Kryteria projektowe proponowanego obiektu Mars Sample Return Facility oraz misji powrotnej zostały opracowane przez American National Research Council i European Space Foundation. Doszli do wniosku, że może opierać się na ograniczaniu zagrożenia biologicznego 4, ale przy bardziej rygorystycznych wymaganiach, aby zawierać nieznane mikroorganizmy, prawdopodobnie tak małe lub mniejsze niż najmniejsze znane mikroorganizmy ziemskie, ultramikrobakterie . Badanie ESF zaleciło również, aby zaprojektować go tak, aby zawierał mniejsze czynniki przenoszenia genów, jeśli to możliwe, ponieważ mogą one potencjalnie przenosić DNA z mikroorganizmów marsjańskich do mikroorganizmów lądowych, jeśli mają wspólne pochodzenie ewolucyjne. Musi również pełnić funkcję pomieszczenia czystego, aby chronić próbki przed zanieczyszczeniami naziemnymi, które mogłyby zmylić czułe testy wykrywania życia, które byłyby stosowane na próbkach.

Przed zwrotem próbki będą wymagane nowe przepisy dotyczące kwarantanny. Wymagana byłaby również ocena środowiskowa, a także należałoby negocjować różne inne przepisy krajowe i międzynarodowe, które nie obowiązywały w erze Apollo.

Procedury odkażania

W przypadku wszystkich misji statków kosmicznych wymagających odkażania punktem wyjścia jest montaż w czystych pomieszczeniach w federalnych, federalnych pomieszczeniach czystych klasy 100 . Są to pomieszczenia zawierające mniej niż 100 cząstek o wielkości 0,5 µm lub większej na stopę sześcienną. Inżynierowie noszą kombinezony do pomieszczeń czystych z odsłoniętymi tylko oczami. Komponenty są sterylizowane pojedynczo przed montażem, w miarę możliwości, a podczas montażu często czyszczą powierzchnie chusteczkami nasączonymi alkoholem. Zarodniki Bacillus subtilis zostały wybrane nie tylko ze względu na ich zdolność do łatwego wytwarzania zarodników, ale także ze względu na ich ugruntowane zastosowanie jako gatunku modelowego. Jest użytecznym narzędziem do śledzenia efektów promieniowania UV ze względu na jego wysoką odporność na różne ekstremalne warunki. Jako taki jest ważnym gatunkiem wskaźnikowym dla skażenia w przód w kontekście ochrony planety.

W przypadku misji kategorii IVa (lądowniki marsjańskie, które nie poszukują marsjańskiego życia) celem jest zmniejszenie obciążenia biologicznego do 300 000 zarodników bakteryjnych na dowolnej powierzchni, z której zarodniki mogłyby przedostać się do środowiska marsjańskiego. Wszelkie elementy odporne na wysoką temperaturę są sterylizowane w temperaturze 114°C. Wrażliwa elektronika, taka jak obudowa łazika, w tym komputer, jest uszczelniona i wentylowana przez wysokowydajne filtry, aby zatrzymać wszelkie drobnoustroje w środku.

W przypadku bardziej wrażliwych misji, takich jak kategoria IVc (do specjalnych regionów Marsa ), wymagany jest znacznie wyższy poziom sterylizacji. Muszą one być podobne do poziomów zastosowanych w lądownikach Viking, które zostały wysterylizowane w celu uzyskania powierzchni, która w tamtych czasach uważana była za potencjalnie sprzyjającą życiu podobnej do specjalnych regionów na dzisiejszym Marsie.

W mikrobiologii zwykle nie można udowodnić, że nie ma żywych mikroorganizmów, ponieważ wiele mikroorganizmów nie zostało jeszcze zbadanych lub nie można je hodować. Zamiast tego sterylizacja odbywa się przy użyciu serii dziesięciokrotnej redukcji liczby obecnych mikroorganizmów. Po wystarczającej liczbie dziesięciokrotnych redukcji prawdopodobieństwo, że pozostaną jakiekolwiek drobnoustroje, będzie bardzo małe.

Dwa lądowniki Viking Mars zostały wysterylizowane przy użyciu sterylizacji suchym ciepłem. Po wstępnym oczyszczeniu w celu zmniejszenia obciążenia biologicznego do poziomu podobnego do dzisiejszego statku kosmicznego kategorii IVa, statek Viking został poddany obróbce cieplnej przez 30 godzin w 112 °C, nominalnie 125 °C (pięć godzin w 112 °C uznano za wystarczające, aby zmniejszyć populację dziesięciokrotnie nawet w przypadku zamkniętych części statku kosmicznego, co wystarczyło do milionowego zmniejszenia pierwotnie niskiej populacji).

Jednak nowoczesne materiały często nie są przystosowane do pracy w takich temperaturach, zwłaszcza że nowoczesne statki kosmiczne często wykorzystują komponenty „komercyjne z półki”. Napotkane problemy obejmują nanoskalowe cechy grubości zaledwie kilku atomów, plastikowe opakowania i przewodzące metody mocowania epoksydów. Również wiele czujników przyrządów nie może być wystawionych na działanie wysokiej temperatury, a wysoka temperatura może zakłócać krytyczne ustawienie przyrządów.

W rezultacie potrzebne są nowe metody sterylizacji nowoczesnego statku kosmicznego do wyższych kategorii, takich jak kategoria IVc dla Marsa, podobnie jak Viking. Metody podlegające ocenie lub już zatwierdzone obejmują:

• Nadtlenek wodoru w fazie pary - skuteczny, ale może wpływać na wykończenia, smary i materiały, które wykorzystują pierścienie aromatyczne i wiązania siarki. Zostało to ustalone, zweryfikowane, a specyfikacja NASA/ESA dotycząca wykorzystania VHP została zatwierdzona przez Oficera Ochrony Planetarnej, ale nie została jeszcze formalnie opublikowana.
• Tlenek etylenu - jest szeroko stosowany w przemyśle medycznym i może być stosowany do materiałów niekompatybilnych z nadtlenkiem wodoru. Jest rozważany w misjach takich jak ExoMars .
• Jako metodę sterylizacji sugerowano promieniowanie gamma i wiązki elektronów , ponieważ są one szeroko stosowane w przemyśle medycznym. Muszą zostać przetestowane pod kątem zgodności z materiałami i geometriami sprzętu statku kosmicznego, a nie są jeszcze gotowe do przeglądu.

Interesujące są inne metody, które mogą sterylizować statek kosmiczny po przybyciu na planetę.

• Śnieg z dwutlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym (Mars) - jest najskuteczniejszy w zwalczaniu śladów związków organicznych, a nie całych mikroorganizmów. Ma jednak tę zaletę, że eliminuje ślady organiczne - podczas gdy inne metody zabijają mikroorganizmy, pozostawiają ślady organiczne, które mogą mylić instrumenty do wykrywania życia. Jest badany przez JPL i ESA.
• Bierna sterylizacja przez promieniowanie UV (Mars). Wysoce skuteczny przeciwko wielu mikroorganizmom, ale nie wszystkim, ponieważ szczep Bacillus występujący w zakładach montażowych statków kosmicznych jest szczególnie odporny na promieniowanie UV. Komplikuje również możliwość zacieniania przez kurz i sprzęt kosmiczny.
• Pasywna sterylizacja za pomocą strumieni cząstek (Europa). Plany misji do Europy przypisują sobie wynikające z tego redukcje.

Wykrywanie i ocena obciążenia biologicznego

Liczba zarodników jest używana jako pośrednia miara liczby obecnych mikroorganizmów. Zazwyczaj 99% mikroorganizmów według gatunków nie tworzy zarodników i jest w stanie przetrwać w stanach uśpienia, a więc oczekuje się, że rzeczywista liczba żywotnych uśpionych mikroorganizmów pozostających na wysterylizowanym statku kosmicznym będzie wielokrotnie większa od liczby mikroorganizmów tworzących zarodniki.

Jedną z nowych zatwierdzonych metod zarodników jest „Rapid Spore Assay”. Opiera się na komercyjnych systemach szybkich testów, wykrywa bezpośrednio zarodniki, a nie tylko żywe mikroorganizmy i daje wyniki w ciągu 5 godzin zamiast 72 godzin.

Wyzwania

Od dawna wiadomo również, że w pomieszczeniach do czyszczenia statków kosmicznych znajdują się poliekstremofile jako jedyne drobnoustroje, które mogą w nich przetrwać. Na przykład w niedawnym badaniu drobnoustroje z wymazów z łazika Curiosity zostały poddane wysuszeniu, ekspozycji na promieniowanie UV, zimnie i ekstremalnym pH. Prawie 11% z 377 szczepów przeżyło więcej niż jeden z tych ciężkich warunków. Genomy odpornego Bacillus sp. wytwarzającego zarodniki . zostały zbadane i zgłoszono cechy na poziomie genomu potencjalnie związane z opornością.

Nie oznacza to, że te mikroby skaziły Marsa. To dopiero pierwszy etap procesu redukcji obciążenia biologicznego. Aby zanieczyścić Marsa, muszą również przetrwać niską temperaturę, próżnię, promieniowanie UV i promieniowanie jonizujące podczas wielomiesięcznej podróży na Marsa, a następnie muszą napotkać habitat na Marsie i tam zacząć się rozmnażać. To, czy tak się stało, czy nie, jest kwestią prawdopodobieństwa. Celem ochrony planetarnej jest maksymalne zmniejszenie tego prawdopodobieństwa. Obecnie akceptowanym docelowym prawdopodobieństwem skażenia na misję jest zmniejszenie go do mniej niż 0,01%, chociaż w szczególnym przypadku Marsa naukowcy opierają się również na nieprzyjaznych warunkach na Marsie, aby zastąpić ostatni etap obróbki cieplnej stosowanej redukcji dziesiętnej dla Wikinga. Ale przy obecnej technologii naukowcy nie mogą zredukować prawdopodobieństwa do zera.

Nowe metody

Dwie ostatnie metody molekularne zostały zatwierdzone do oceny skażenia mikrobiologicznego powierzchni statków kosmicznych.

• Wykrywanie trójfosforanu adenozyny (ATP) – jest to kluczowy element metabolizmu komórkowego. Ta metoda jest w stanie wykryć organizmy nieuprawne. Może być również wywołany przez nieżywotny materiał biologiczny, więc może dać wynik „fałszywie pozytywny”.
• Test Limulus Amebocyte Lysate - wykrywa lipopolisacharydy (LPS). Ten związek występuje tylko w bakteriach Gram-ujemnych. Standardowy test analizuje zarodniki drobnoustrojów, które są głównie Gram-dodatnie , co utrudnia powiązanie tych dwóch metod.

Zapobieganie uderzeniom

Dotyczy to w szczególności misji orbitalnych kategorii III, ponieważ są one sterylizowane do niższego standardu niż misje na powierzchnię. Odnosi się to również do lądowników, ponieważ uderzenie daje więcej okazji do skażenia z przodu, a uderzenie może dotyczyć nieplanowanego celu, takiego jak specjalny region na Marsie.

Warunkiem misji orbitalnej jest pozostanie na orbicie przez co najmniej 20 lat po przybyciu na Marsa z prawdopodobieństwem co najmniej 99% i przez 50 lat z prawdopodobieństwem co najmniej 95%. To wymaganie może zostać porzucone, jeśli misja zostanie wysterylizowana zgodnie ze standardem sterylizacji firmy Viking.

W epoce Wikingów (lata siedemdziesiąte XX wieku) wymóg był podawany jako jedna liczba, aby każda misja orbitalna miała prawdopodobieństwo mniejsze niż 0,003% prawdopodobieństwa zderzenia podczas obecnej fazy eksploracyjnej eksploracji Marsa.

Zarówno w przypadku lądowników, jak i orbiterów, podczas podejścia do celu stosowana jest technika odchylania trajektorii. Trajektoria statku kosmicznego została zaprojektowana tak, aby w przypadku utraty łączności nie trafił w cel.

Problemy z zapobieganiem uderzeniom

Pomimo tych środków doszło do jednego znaczącego niepowodzenia w zapobieganiu uderzeniom. Mars Climate Orbiter , który został wysterylizowany tylko do kategorii III, rozbił się na Marsie w 1999 roku z powodu zamieszania jednostek imperialnych i metrycznych. Biuro ochrony planety stwierdziło, że prawdopodobnie spłonął w atmosferze, ale jeśli przetrwa do ziemi, może spowodować skażenie z przodu.

Mars Observer to kolejna misja kategorii III z potencjalnym zanieczyszczeniem planety. Komunikacja została utracona na trzy dni przed manewrem wejścia na orbitę w 1993 roku. Wydaje się, że najprawdopodobniej nie udało mu się wejść na orbitę wokół Marsa i po prostu kontynuował podróż po heliocentrycznej orbicie. Jeśli jednak udało mu się wykonać automatyczne programowanie i spróbować wykonać manewr, istnieje szansa, że ​​rozbił się na Marsie.

Trzy lądowniki ciężko lądowały na Marsie. Są to lądownik Schiaparelli EDM , Mars Polar Lander i Deep Space 2 . Wszystkie zostały wysterylizowane do misji na powierzchni, ale nie do specjalnych regionów (tylko sterylizacja wstępna wikingów). Mars Polar Lander i Deep Space 2 zderzyły się z regionami polarnymi, które są obecnie traktowane jako regiony specjalne ze względu na możliwość tworzenia się płynnych solanek.

Kontrowersje

Argument meteorytu

Alberto G. Fairén i Dirk Schulze-Makuch opublikowali artykuł w „ Nature” zalecający ograniczenie środków ochrony planety. Jako główny powód podali, że wymiana meteorytów między Ziemią a Marsem oznacza, że ​​jakiekolwiek życie na Ziemi, które mogłoby przetrwać na Marsie, już tam dotarło i odwrotnie.

Robert Zubrin użył podobnych argumentów na rzecz swojego poglądu, że ryzyko zakażenia wstecznego nie ma naukowego uzasadnienia.

Obalenie przez NRC

Argument meteorytu został zbadany przez NRC w kontekście wstecznego skażenia. Uważa się, że wszystkie meteoryty marsjańskie powstają w stosunkowo nielicznych uderzeniach na Marsa co kilka milionów lat. Impaktory miałyby średnicę kilometrów, a kratery, które tworzą na Marsie, miałyby średnicę dziesiątek kilometrów. Modele uderzeń na Marsie są zgodne z tymi odkryciami.

Ziemia otrzymuje stały strumień meteorytów z Marsa, ale pochodzą one ze stosunkowo niewielu oryginalnych impaktorów, a transfer był bardziej prawdopodobny we wczesnym Układzie Słonecznym. Również niektóre formy życia zdolne do życia zarówno na Marsie, jak i na Ziemi mogą nie być w stanie przetrwać transferu na meteorycie i jak dotąd nie ma bezpośrednich dowodów na jakikolwiek transfer życia z Marsa na Ziemię w ten sposób.

NRC stwierdził, że chociaż transfer jest możliwy, dowody z wymiany meteorytów nie eliminują potrzeby stosowania metod ochrony przed skażeniem wstecznym.

Rzadkie są również uderzenia na Ziemię, które mogą wysyłać mikroorganizmy na Marsa. Impaktory o średnicy 10 km lub większej mogą wysyłać szczątki na Marsa przez ziemską atmosferę, ale zdarzają się one rzadko i były częstsze we wczesnym Układzie Słonecznym.

Propozycja zakończenia ochrony planetarnej Marsa

W swoim artykule z 2013 r. „Nadmierna ochrona Marsa” Alberto Fairén i Dirk Schulze-Makuch zasugerowali, że nie musimy już dłużej chronić Marsa, zasadniczo posługując się argumentem Zubrina o transferze meteorytów. Zostało to obalone w kolejnym artykule "Właściwa ochrona Marsa", w Nature, przez obecnych i poprzednich oficerów ochrony planety Catharine Conley i Johna Rummela.

Krytyka środków ograniczających kategorii V

Konsensus naukowy jest taki, że potencjał skutków na dużą skalę, zarówno poprzez patogenezę, jak i zakłócenia ekologiczne, jest niezwykle mały. Niemniej jednak próbki zwrócone z Marsa będą traktowane jako potencjalnie niebezpieczne biologicznie, dopóki naukowcy nie ustalą, że zwrócone próbki są bezpieczne. Celem jest zmniejszenie prawdopodobieństwa uwolnienia cząstki Marsa do mniej niż jednej na milion.

Propozycje polityki

Zanieczyszczenia niebiologiczne

Podczas warsztatów COSPAR w 2010 r. przyjrzano się kwestiom związanym z ochroną obszarów przed skażeniem niebiologicznym. Zalecili, aby COSPAR rozszerzył swoje kompetencje o takie kwestie. Rekomendacje warsztatu obejmują:

Zalecenie 3 COSPAR powinien dodać oddzielną i równoległą politykę, aby zapewnić wytyczne dotyczące wymagań/najlepszych praktyk w zakresie ochrony nieożywionych/niezwiązanych z życiem aspektów przestrzeni kosmicznej i ciał niebieskich

Niektóre z proponowanych pomysłów obejmują chronione specjalne regiony lub „Parki planetarne”, aby zachować regiony Układu Słonecznego w stanie nienaruszonym dla przyszłych badań naukowych, a także ze względów etycznych.

Proponowane rozszerzenia

Astrobiolog Christopher McKay twierdzi, że dopóki nie zrozumiemy lepiej Marsa, nasze badania powinny być biologicznie odwracalne. Na przykład, jeśli wszystkie mikroorganizmy wprowadzone do tej pory na Marsa pozostają uśpione w statku kosmicznym, w zasadzie mogłyby zostać usunięte w przyszłości, pozostawiając Marsa całkowicie wolnego od skażenia przez współczesne formy życia na Ziemi.

Podczas warsztatów w 2010 roku jedną z rekomendacji do rozważenia w przyszłości było wydłużenie okresu zapobiegania skażeniom do maksymalnego okresu żywotności uśpionych mikroorganizmów wprowadzonych na planetę.

„« Zalecenie 4.» COSPAR powinien wziąć pod uwagę, że odpowiednia ochrona potencjalnego rdzennego życia pozaziemskiego powinna obejmować unikanie szkodliwego skażenia jakiegokolwiek nadającego się do zamieszkania środowiska – istniejącego lub przewidywalnego – w maksymalnym potencjalnym czasie żywotności wszelkich organizmów lądowych (w tym zarodników drobnoustrojów), które mogą zostać wprowadzone do tego środowiska. środowisko przez działalność człowieka lub robota."

W przypadku Europy pojawił się podobny pomysł, że nie wystarczy chronić ją przed skażeniem w obecnym okresie poszukiwań. Możliwe, że Europa ma wystarczające zainteresowanie naukowe, że rasa ludzka ma obowiązek zachować ją w nienaruszonym stanie, aby przyszłe pokolenia również ją badały. Taki był pogląd większości grupy zadaniowej z 2000 r. badającej Europę, choć wśród tej samej grupy zadaniowej istniała opinia mniejszości, że tak silne środki ochrony nie są wymagane.

„Jedną z konsekwencji tego poglądu jest to, że Europa musi być chroniona przed zanieczyszczeniem przez nieograniczony czas, dopóki nie zostanie wykazane, że ocean nie istnieje lub że nie ma żadnych organizmów. Dlatego musimy się martwić, że w skali czasu na rzędu 10 do 100 milionów lat (przybliżony wiek dla powierzchni Europy), wszelkie zanieczyszczenia prawdopodobnie zostaną przeniesione w głęboką skorupę lodową lub do leżącego pod nią oceanu”.

W lipcu 2018 r. Narodowe Akademie Nauk, Inżynierii i Medycyny wydały Przegląd i ocenę procesów rozwoju polityki ochrony planety. Po części raport wzywa NASA do stworzenia szerokiego planu strategicznego, który obejmuje zarówno skażenie w przód, jak i w tył. Raport wyraża również zaniepokojenie misjami prywatnego przemysłu, dla których nie ma rządowego organu regulacyjnego.

Ochrona obiektów poza Układem Słonecznym

Propozycja niemieckiego fizyka Klaudiusz Gros , że technologia Breakthrough Starshot projektu mogą zostać wykorzystane do ustanowienia biosferę z organizmów jednokomórkowych na inaczej tylko przejściowo mieszkalnych egzoplanet, wywołała dyskusję, w jakim ochrona zasięg planetarny powinien zostać przedłużony do egzoplanet . Gros twierdzi, że wydłużone skale czasowe misji międzygwiezdnych implikują, że ochrona planet i egzoplanetarów ma różne podstawy etyczne.

Zobacz też

• Astrobiologia  – nauka o życiu we wszechświecie
• ExoMars  – program Astrobiologii badający Mars
• Lista mikroorganizmów testowanych w kosmosie  – artykuł z listy Wikipedii
• Mars 2020  – Astrobiologia Misja łazika marsjańskiego NASA
• Panspermia  – Hipoteza o międzygwiazdowym rozprzestrzenianiu się pierwotnego życia

Bibliografia

Ogólne odniesienia

Zewnętrzne linki

• Proszę bez błędów, to czysta planeta! ( artykuł ESA )
• Polityka ochrony planety COSPAR, lipiec 2008 ( artykuł COSPAR )
• NASA Planetary Protection Website
• JPL opracowuje szybki test w celu poprawy dekontaminacji patogenów w JPL .
• Geoetyka w eksploracji planet i kosmosu
• Catharine Conley: NASA i międzynarodowa polityka ochrony planety, metodologia i zastosowania , The Space Show, październik 2012