新冠病毒影響太空?——空間微生物的來源和危害

2020年初，新冠病毒迅速肆虐全球。截止目前全球感染人數已經超過了2200萬人。國際空間站4月航天員輪換，兩名俄羅斯航天員和一名美國航天員從哈薩克斯坦拜科努爾航天發射場搭乘俄「聯盟MS-16」飛船飛赴國際空間站。這3名航天員抵達拜科努爾後，經歷特定的「健康穩定化」步驟，其中包括為期兩周的隔離期。美國航天局醫療工作人員介紹，考慮到所有人都有可能感染新冠病毒，已採取「增強版」安全措施，儘可能減少參與火箭發射與返回艙回收的工作人員數量，所有與航天員接觸的工作人員必須先經過嚴格的醫學隔離。航天員們的防範新冠病毒隔離措施同我們地球上所有人一樣，相信通過這些隔離防護措施，他們一定可以在國際空間站上度過安全的工作期。實際上，科學家對空間微生物不陌生，對防範微生物也有比較成熟的措施。

國際空間站

空間環境是一種高度複合環境，具有真空、乾旱、溫度驟變、混合性空間輻射、微重力等特點，對進入其中的生物體能誘發一系列生理生化反應。近年來，地球上極端環境中(鹽湖、旱地、深海、極地、永久凍土等)微生物的發現使人類推測微生物能夠在極端的空間環境中生存，並將微生物作為載人航天活動和空間生命探測的模式生物之一用於開展空間生命科學研究，相關結果對於航天活動中的行星保護、生命起源探索、航天產業應用等具有十分重要的作用。

空間站或其他載人航天飛行器裡面氣溫一般維持在20℃左右，相對溼度在60％左右，同時由於空間站空間有限、密閉等特點，為了創造和維持航天員必需的合理空間環境，人類不可避免地為微生物提供了核實的棲息環境。在空間站這樣長時間飛行條件下，由於密閉系統艙室內的溫度、溼度達到微生物適宜生長的水平，就可能會引起艙室環境中的各種微生物大量繁殖。研究表明，太空飛行器密閉環境中細菌和真菌的汙染比地面要明顯加強。

空間站密閉環境中，微生物的大量繁殖將會對航天員的最佳表現以及太空飛行器材或居住環境的安全性產生副作用。航天飛行時，航天員自身的免疫系統功能下降，大量繁殖的微生物無疑對航天員的健康存在潛在的威脅。在太空微重力環境下，太空飛行器中的微生物可以長時間地懸浮在艙內空氣中，導致空氣品質下降。

科學家正在國際空間站艙內工作

在艙內環境，由於沒有重力，空氣無法形成地面上那樣的熱對流，灰塵也無法靠重力自然沉降。而各部分艙室中溫度、溼度及二氧化碳含量又因為設備運轉、人、植物和化學氧源的存在而有所不同。因此，為了使得艙室內各個部分空氣的溼度、溫度及二氧化碳量等達到該艙室功能所需範圍，艙室空調系統必須對各部分的空氣進行調節或通風。儘管空間艙室具有良好的通風系統，但是仍然存在一些區域通風不良，比如艙室通風管道設計中未曾注意到的死角、狹縫，這同我們居家生活中柜子後面藏汙納垢的死角是一樣的。在這些通風不良的區域，一些灰塵和雜物就會逐漸累積，為微生物的生長繁殖提供營養和基質。歷史飛行資料顯示，微生物在這些通風不良的區域容易大量滋生。比如在國際空間站一個節點艙內由於通風不暢，存在大量的灰塵和微生物氣溶膠，並粘附在艙體內壁上。由於空間艙室中影響灰塵和雜物的只有流動空氣，如果灰塵沒被空氣淨化系統清除，就會隨著其他設備產生的流動空氣而擴散。艙室內空氣中的細菌和真菌可能成為致敏原和感染源，在航天員吸入呼吸系統後會引起過敏或感染反應。

已經影響太空的微生物

此外，設備內部由於因通風不暢、不易發現等特點，也是發生微生物汙染的重要部位。有報導證實在國際空間站上曾發生因微生物在設備內部大量繁殖破壞電路或電子部件造成通信設備和煙感器發生故障。研究表明，空間站上非金屬高分子材料可以滋生革蘭氏陰性桿菌和真菌。這些微生物從高分子聚合結構材料中吸取維持自身生長繁殖的營養物質，從而導致高分子材料發生降解。同時，這些微生物生長繁殖也會產生一些生物物質。這些生物物質可激起或誘導金屬材料腐蝕，造成硬體故障。在俄羅斯和平號空間站服役的15年中（1976~1999），微生物對空間站的管道、通信、電纜等儀器設備造成了嚴重危害。最新研究表明。國際空間站微生物對材料設備的腐蝕程度依舊嚴重。

國際空間站艙內環境

大量微生物繁殖也會使空間站供應的飲用水、食品降級，大大增加了微生物侵入航天員消化系統的機會，有可能造成航天員的腸道外源性感染，或者使得航天員自身正常菌落失調，誘發內源性感染。由於空間站環境密閉、空間狹小，難以採用地面常用的噴灑一次性有機消毒劑、紫外線殺菌等方式進行微生物防護。採用無機抗菌材料對航天材料進行抗菌處理是一種無需額外提供電源且相對安全的處理方式。在無機抗菌材料中，金屬離子如：銀、鋅和銅例子等都具有抗菌活性，適時增加殺菌劑含量確保碘含量和銀含量在一定濃度水溶液中，這樣可以在不直接檢測微生物數量的情況下確保微生物達到控制標準。另一方面，當前國際空間站使用的飲用水消毒劑（銀離子、碘離子）存在的缺點，如：對人的毒性限量低，殺菌持效時間短，需要再補充，具有不好的味道等。美國航天局正在研究新一代的飲用水系統抗菌技術。納米材料可以在一定程度上克服上述缺點，科學家們對其抗菌性已經開展了相關研究。

國際空間站曾在2017年利用微型基因擴增儀和納米孔測序儀，完成了從微生物樣品製備到基因測序的完整微生物鑑定流程。這項技術能夠實時鑑定國際空間站上的微生物而無需將其帶回地面進行鑑定，將改變空間探索過程中的微生物學研究方法。在空間中鑑定微生物的能力有助於實時診斷和治療航天員的疾病，鑑定其他行星上包含DNA的生命，同時有助於空間上其他實驗的開展。

實際上，航天員本身可能就是最大的微生物來源，因為在他們的身體內包含了很多微生物。在人類的皮膚、呼吸道、鼻腔和黏膜表面到處存在大量的微生物。從航天員選拔開始就要做系統全面的微生物和免疫學調查。在飛行前，航天員要執行特殊的食物制度，嚴格控制與其他人員的接觸，並要使用針對個人的衛生試劑。到火箭發射前還要對太空飛行器進行消毒。飛行中嚴格監控微生物濃度，並定期使用抗菌措施清理環境。

科學家在國際空間站內的生活場景

在軌飛行期間微生物控制措施主要分為兩大類：主動控制，主要包括使用空氣過濾裝置去除空氣浮遊微生物，使用吸塵器和浸有去汙劑或消毒液的擦布清潔艙內表面等。和平號空間站在軌運行期間，每周會安排一天進行大掃除（通常為周日），所有人員必須參與。在國際空間站美國艙段，每周會安排４個小時進行清潔，使用一種可攜式吸塵器，6種消毒溼巾（消耗型，每次任務補充），以及去汙劑和擦布等，對艙內環境進行清潔消毒。但是，並非艙內的所有部位或表面都可以用擦布進行清潔消毒，如一些死角或設備內部。這些部位必需在設計建造時採取一些防護措施。被動控制，主要通過優化艙內環境設計、選擇抗菌防黴材料、對艙內表面進行處理等措施，抑制微生物生長，防範微生物可能導致的風險。

近年來，火星環境對微生物的作用也被廣泛關注。2020年是一個探測火星的時間窗口，包括中國在內的多個國家和實體都準備發射火星探測器。由於火星表面缺少臭氧層，稀薄的大氣對太陽輻射的屏蔽能力極弱，這種環境與早期地球環境極為相似。科學家推測早期地球的生命體、火星上曾經存在或現存的微生物可能也具有極強的抵抗紫外輻射的能力。因此，揭示地球上的微生物在火星表面環境的生存與繁衍方式，是尋找火星生命的重要研究途徑之一。同時，空間微生物，特別是微生物孢子一旦在火星上生存下來，對於未來尋找過去或現存的火星生命會造成幹擾。航天歷史上，曾有不讓地球微生物汙染木衛二，美國航天局的伽利略號探測器結束使命後有意安排撞擊木星。

好奇號火星車正在火星工作

科學家們對空間微生物的重點關注伴隨著航天的發展，這些肉眼不可見的微生物既是幫助我們更好地認識宇宙，也提醒我們需要更清醒認識其危害從而採取更為科學的方法保護人類的太空飛行。