航天技術專家、載人太空飛行器中心月球接收實驗室非無菌氮處理實驗室測試主任 Daniel H. Anderson博士通過顯微鏡觀察了「阿波羅14號」登月任務採集的籃球大小的巖石。執行「阿波羅14號」登月任務的兩名太空人在弗拉莫羅高地的兩次艙外活動中收集到了40多公斤的月球樣本材料。
攝影：NASA
撰文：REBECCA RENNER
12月一個晴朗的早晨，一組科學家跟隨歸航信標進入澳大利亞偏遠的沙漠，收集來自外太空的珍貴材料。鞋盒大小的回收艙是日本隼鳥二號小行星探測器(Hayabusa2)的一部分，裡面裝著來自「龍宮」(Ryugu)的巖石和塵埃。「龍宮」是一顆C型(碳質)巖石小行星，可能蘊藏著生命的基本元素。為了保持樣本的原始狀態，回收艙被迅速送往日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的地外樣本管理中心，這是一個位於東京附近的實驗室，旨在防止宇宙物質被地球生物汙染。
多年來，我們對行星保護的關注點主要集中在防止地球在太陽系裡「亂扔垃圾 」，為此，太空飛行器要進行消毒，太空人需要遵守嚴格的檢疫隔離協議。但是，隨著全球的航天機構準備從小行星、月球和火星等目的地帶回更多的樣本，科學家們又開始考慮反向影響：如果我們把外星病菌帶回地球呢?
曾經有一段時間，科學家們把所有不屬於地球的樣本都視為潛在的生物危害。美國宇航局曾在阿波羅太空人從月球表面返回地球時對他們進行隔離。當該機構研究了月球樣本並發現它們不含生命後，就將類似的許多安全協議廢除了。
但是，隨著多個採樣返回任務不斷進階，我們必須再度提高警惕。近年來，科學家們發現了能在極端惡劣條件下生存的微生物。小型的緩步動物，也被稱為水熊，甚至可以在太空的真空環境中存活。
「在地球上，比如在南非的金礦，當你鑽透巖石後有時會發現一些蓄水池，那些水已經存在了幾十萬年，裡面竟然還有微生物，」搜索外星智能研究所的高級科學家J.Andy Spry說道。「如果你為它們提供熱量、光照和溫度，它們就會生長。」
除了來自「龍宮」的新樣本外，美國宇航局的一艘太空飛行器將在2023年從含碳小行星「貝努」帶回一些碎片。明年2月，美國宇航局一輛名為 「毅力號 」的漫遊車將降落在火星表面一處可能存有生命痕跡的區域，如果這顆紅色星球上曾經有過生命跡象的話。最關鍵的是，漫遊車將收集和儲存火星巖石樣本，最終將它們帶回地球，也許還會載回外星同伴。
「我們認為火星過去絕對可能有生命存在，」Spry說道。「這顆行星表面下的水庫中，可能仍有存活的生命。」
因此，包括美國宇航局、日本宇宙航空研究開發機構和歐洲航天局在內的世界各地的航天機構都在開展合作，創建新的高度安全實驗室，旨在保護地球免受未來任務可能帶回的微生物或有機殘留物的傷害。這些實驗室將把目前的潔淨室技術與傳染病實驗室用於安全處理伊波拉和新型冠狀病毒等疫情的高安全性生物安全協議和設備結合起來。
「目前正在進行的火星樣本返回計劃已經進行了精心設計，以封裝』毅力號』漫遊車將收集到的樣本，」美國宇航局艾姆斯研究中心前研究副主任Scott Hubbard說道，他當時負責監督天體生物學和火星任務的項目。
「2031年，當裝有樣本的容器降落在猶他州沙漠時，它將被運到生物安全級別最高的保護設施中。」
太空人隔離時
美國宇航局至少可以從過去的實驗室設計中尋找靈感。當阿波羅號的太空人從月球表面返回時，他們的太空衣上沾滿了月球灰塵。當時，美國宇航局還沒有研究月球原始巖石的成分，所以他們認為來自月球表面的所有顆粒都對人類生命有潛在危險。
執行阿波羅11號、12號和14號任務的太空人所在的漂浮艙被找到後，他們被隔離在航空母艦甲板上一輛改裝過的氣流拖車中。上岸後，一架直升機將他們送到位於德克薩斯州休斯敦林登·詹森航天中心的月球接收實驗室，這是目前全球正在開發的設施的前身。
在月球接收實驗室，太空人們將在接待區度過他們回到地球的頭21天，他們被封閉在該區域的生物屏障內，以防止 「返航感染」，即美國宇航局所說的月球微生物可能在地球上傳播的現象。該設施內還包括一個樣品操作區，裡面有真空手套箱和生物分析設備。
月球接收實驗室生物安全計劃中最重要的部分是其複雜的真空系統，它必須阻止外部汙染物進入，同時阻止潛在的月球微生物循環或流出。精心設計的泵和閥門有雙層巴士那麼大，還有一個備用的真空系統，以防第一個出現故障。
這個實驗室後來成為美國宇航局詹森航天中心天體材料研究和探索科學部門的一部分，除了阿波羅月球巖石外，這裡還保存著星塵、隕石和彗星顆粒的標本。所有這些材料都被安置在類似於半導體工業中使用的正壓潔淨室中。正壓意味著空氣總是從房間裡流出來，所以內部能保持無菌狀態。
與接收火星樣本和其他新樣本所需的系統相比，這些系統並不複雜，因為它們不需要保存任何潛在的微生物。
正在建造的實驗室「基本上是密封罩與密封罩的疊加，」Michael Calaway說，他來自美國宇航局的承包商Jacobs工程集團，也是天體材料研究和探索科學部門樣品策展項目負責人。為了做到這一點，設計師們正在向全球最高級別的生物安全實驗室尋求經驗。
建設世界上最安全的實驗室
在波士頓，國家新興傳染病實驗室(NEIDL)已經被封鎖。病原體洩漏已使該設施處於紅色警戒狀態。當第一批急救人員到達時，研究人員和工作人員按命令進行隔離。
當然，每個人都很平靜，因為他們知道自己在做什麼，洩漏並沒有發生，這只是一次演習任務。這樣的演習是保證NEIDL安全的協議的一部分，有助於保持其全球最安全實驗室的地位。
Ronald Corely的工作就是想像最壞的情況。作為NEIDL的主任，他負責協調團隊建立並執行安全規程。他們為分級生物安全實驗室制定了一系列應對電力中斷、洩漏、網絡攻擊（基本上大多數局外人認為是不可想像的風險）的對策。
美國宇航局的設計人員在尋求建設保護地球的設施時，曾訪問過NEIDL，研究他們的流程以及保持實驗室清潔和安全的物理系統。目前美國宇航局的潔淨室依靠正壓，而病原體的控制則相反：房間內要保持負壓，以保持室內空氣循環。
美國宇航局最初的月球接收實驗室融合了這些系統，但自20世紀60年代以來，技術和生物安全協議已經取得了長足的進步。美國疾病控制和預防中心(CDC)直到1984年才將其對生物安全要求的級別編入法典，而美國各機構在1955年就開始討論此類做法。
在生物安全一級實驗室，研究人員可能會處理像大腸桿菌這樣的物質，這是一種常見的細菌類型，各個地方都能發現，從被汙染的食物到人類的腸道。這些實驗室中的科學家使用基本的個人防護設備，並實施標準的清潔措施，如每天對所有設備進行消毒，徹底洗手，以確保有害微生物留在他們應該在的地方。除了一些生物危害標誌和專門的通風系統，這些空間對任何生物學學生來說都來很熟悉。
二級實驗室處理的是危險性稍高的病原體，如金黃色葡萄球菌，這是一種條件致病菌，也是人體微生物群的常見組成部分。這個級別的實驗室安全和淨化措施更加嚴格，但遠沒有達到極端的程度。
「在生物安全三級實驗室，你得穿著全套的特衛強防護服，」Corely說道。「還要戴好呼吸器。」研究人員需要通過真空密封的雙門才能進入。其內部和大學生物實驗室很像，有玻璃防護裝置和頭頂的通風設備。但 「在第三級實驗室，你必須確保能清潔並消除一切汙染，」他說道。新型冠狀病毒的研究就在三級實驗室。
最高的生物安全等級為四級，是針對更致命的瘟疫設置的，比如伊波拉病毒。在這裡，科學家們必須穿上完全密封的防護服，防護服上連有從室外抽吸空氣的軟管。科學家和有害微生物被一層層的手套、護目鏡和呼吸器完全隔離。他們成了安全防範的套娃。
未來的地外樣本管理中心將採取與四級實驗室相同的做法。研究火星巖石的科學家將穿著全套防護裝備進入實驗室。他們將穿過真空密封門，進入經過嚴格設計、將微生物封存在內的工作空間。
完成這類設施的計劃已經在進行中，不過與其他太空探索工作一樣，它們需要數年時間才能取得成果，而且可能還要進行設計調整。
火星檢疫隔離設施將首先在德克薩斯州休斯敦接收來自火星的塵埃和巖石，最終可能會成為從火星返回的太空人的隔離區，直到美國宇航局認為他們可以安全重返社會。隔離區將被隔開並進行HEPA過濾。歐洲航天局（與美國宇航局合作，共享和管理未來的火星樣本）正在奧地利維也納開發他們自己的類似設施。美國宇航局未來的設施甚至可能是移動式和模塊化的，仿照他們之前的月球接收實驗室，但會採用輕量化和流線型設計。
這些準備工作都不應該成為我們擔心的理由。各個機構做這些工作是出于謹慎，而不是擔心太空病菌會在地球蔓延。
「《天外來菌》（Andromeda Strain）是一部很好的驚悚片，」Hubbard說道。「但它沒有什麼科學依據。那部電影中的任何東西出現的概率都是極小的。」
（譯者：陌上花開）