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Dec. 22 2020

面對潛在外星病菌,地球防衛隊出動!

  • 丹尼爾.H.安德森博士(Daniel H. Anderson)是載人太空船中心(Manned Spacecraft Center)月球物質回收實驗室未滅菌氮處理實驗室(Nonsterile Nitrogen Processing Laboratory)的航太技術專家和測試主管,他透過顯微鏡觀察阿波羅14號(Apollo 14)太空船帶回的月岩,這顆籃球大小的岩石是大家熱議的焦點。阿波羅14號的兩名探月太空人在兩次的艙外活動期間,從月球表面的弗拉.毛羅(Fra Mauro)地區帶回了四十多公斤的月岩物質樣本。PHOTOGRAPH BY NASA

    丹尼爾.H.安德森博士(Daniel H. Anderson)是載人太空船中心(Manned Spacecraft Center)月球物質回收實驗室未滅菌氮處理實驗室(Nonsterile Nitrogen Processing Laboratory)的航太技術專家和測試主管,他透過顯微鏡觀察阿波羅14號(Apollo 14)太空船帶回的月岩,這顆籃球大小的岩石是大家熱議的焦點。阿波羅14號的兩名探月太空人在兩次的艙外活動期間,從月球表面的弗拉.毛羅(Fra Mauro)地區帶回了四十多公斤的月岩物質樣本。PHOTOGRAPH BY NASA

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有愈來愈多的太空任務將來自外太空的物質帶回地球,這讓謹慎小心的太空機構開始建立高安全等級的生物安全實驗室,以保存這些珍貴的太空貨物。

在一個晴朗的12月早晨,一群科學家跟隨著歸向訊號進入偏遠的澳洲沙漠,收集來自外太空的珍貴物質。這個鞋盒大小的太空艙是日本隼鳥2號(Hayabusa2)任務的一部分,裡面裝有來自龍宮(Ryugu)小行星的岩石和塵土。龍宮小行星富含碳質,可能帶有建造生命的基礎原料。為了使樣品能夠維持在原始狀態,太空艙被送往日本宇宙航空研究開發機構(Japan Aerospace Exploration Agency ,JAXA)的地外樣本管理中心(Extraterrestrial Sample Curation Center),這個位於東京附近的實驗室是為了預防太空物質被地球生物汙染所建造。

多年來,「保護行星」關注的重點一直是防止地球汙染太陽系──消毒太空船、對太空人採取嚴格的檢疫措施。但隨著世界各地的太空機構準備從小行星、月球和火星等天體帶回更多樣本,科學家現在反而考慮了另一種可能性:如果我們將外星病菌帶回地球,那該怎麼辦?

過去科學家將所有不屬於地球的樣本視為潛在的生物危害物質。美國航太總署(National Aeronautics and Space Administration ,NASA)在阿波羅號太空人從月球之旅返回地球時,曾要求他們進行隔離檢疫。不過之後他們研究月球樣本發現其中並沒有任何生命跡象,就取消了許多這類的安全措施。

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但隨著多項樣本返回任務如火如荼加速進行,我們必須再度嚴加戒備。近年來科學家在愈來愈荒涼的地方發了現各種充滿活力的微生物,像是有種稱為「水熊蟲」(water bears)的微小緩步動物(tardigrades),甚至能夠在太空的真空中生存。

 「搜尋外星智慧生物研究研究所」(SETI Institute)的資深科學家J.安迪.史普萊(J. Andy Spry)表示:「在地球上──像是南非的金礦──鑽探岩石,有時會遇到存在已數十萬年之久的貯水區,裡頭還有微生物存在。如果提供熱量、光線和溫暖,它們甚至還會生長呢!

除了從龍宮小行星獲得的最新樣本之外,NASA的太空船還將在2023年帶回含碳小行星貝努(Bennu)的樣本。此外,NASA的毅力號(Perseverance)探測車有望於明年2月登陸火星,如果曾經有生命存在這顆紅色行星上,那麼它的降落地點可能還保有生命的蹤跡。最重要的是這輛探測車將收集儲存火星岩石樣本,並在最後送回地球──或許裏頭就藏著我們的外星夥伴呢!

「根據我們對火星的理解,這兒過去絕對可能有生物,」史普萊說:「現在這顆行星表面下方的儲水層中可能仍有生命存在。」

因此全球各地的太空機構──包括NASA、JAXA和歐洲太空總署(European Space Agency,ESA)在內,正共同創建高安全性的新實驗室,保護地球不受未來太空任務可能帶回的任何微生物或有機殘留物危害。這些實驗室結合了目前的無塵室技術,與傳染病實驗室用來安全處理伊波拉病毒(Ebola)和新冠病毒(SARS-CoV-2)等瘟疫的高安全性生物安全程序和設備。

史考特.哈伯德(Scott Hubbard)先前在加州矽谷的NASA姆斯研究中心(Ames Research Center)擔任研究副主任,負責管理天文生物學計畫和火星任務,他表示:「目前正在進行的火星樣本攜回任務已詳細計畫要如何封裝毅力號所收集的樣本。」

「樣本貯存罐將於2031年降落在猶他州的沙漠,並被帶往具備最高生物安全等級的保護設施內。」

隔離太空人

至少,NASA可以從歷史借鏡,尋找設計這些實驗室的靈感。阿波羅號太空人從月表返回地球時,太空衣上覆滿了月塵。當時的NASA還未對原始月岩的成分進行研究,因此將來自月表的所有粒子都當作對人類生命具有潛在危險性。

↑↑↑↑↑101科學教室:月球

NASA阿波羅11、12和14號任務的機組人員從海面漂浮的艙體中拉到航空母艦上,並在甲板以改裝的AirStream露營拖車進行隔離。上岸後,一架直升機迅速將他們接往位於德州休斯頓的林登.詹森太空中心(Lyndon B. Johnson Space Center)的月球物質回收實驗室,(Lunar Receiving Laboratory),這是目前全球發展中的這類設施的先驅。

機組人員回到地球的頭21天,會在月球物質回收實驗室的人員接待區度過,他們被密封在生物屏障內以防止「返航感染」(back-contamination)──NASA以此稱呼月球微生物可能在地球上傳播的情形。這個設施還包括了樣本操作區,配備有真空手套箱和生物分析設備。

月球物質回收實驗室的生物安全計畫中,最重要的部分是複雜的真空系統,這個系統必須阻止外界汙染物進入,並防止可能的月球微生物進入空氣循環或流到外部。精心設計的幫浦和閥門總體積約有雙層巴士那麼大,佔據了整座庫房,還另外配備了備用的真空系統,以防止原系統發生故障。

這座實驗室後來成為也位詹森太空中心的NASA天文材料研究與探索科學處(Astromaterials Research and Exploration Science Directorate)的一部分,這個機構除了保存阿波羅任務帶回的月球岩石外,還有星塵、隕石和彗星顆粒的樣本。所有的樣本都存放於類似半導體業使用的正壓無塵室中。「正壓」的意思是空氣只會從房間中向外流動,因此室內能夠保持在無菌狀態。

但這個系統比回收火星樣本和其他新樣本所需的系統要簡單多了,因為並不需要讓內部可能存留的微生物不會外溢。

雅各布工程集團(Jacobs Engineering Group)的麥可.卡拉威(Michael Calaway)是NASA承包商,同時也是天文材料研究與探索科學處樣本管理計畫的負責人,他表示正在建造的實驗室基本上將採用層層圍阻的方式。為了達到這樣的目標,設計人員正從地球上最高等級的生物安全實驗室汲取經驗。

建造全世界最安全的實驗室

位於波士頓的國家新興傳染病實驗室(National Emerging Infectious Diseases Laboratories,簡稱NEIDL)進入了封鎖狀態。病原溢出使讓實驗室進入紅色警戒,當首批應急人員抵達時,研究人員和工作人​​員依照他們的命令進行隔離。

當然,每個人都非常鎮定,不但是因為他們都是專業的──還因為溢出事件並不是真的。這次演習是確保NEIDL安全的部分程序,以維持世界頂尖安全實驗室的聲譽。

羅納德.柯里(Ronald Corely)是NEIDL的主管,他的工作是預想最糟的情況。柯里協調團隊成員,建立和執行安全計畫,為不同層級的生物安全實驗室制定了遭遇停電、病原溢出、網路攻擊──基本上是大多數外界人士認為不太可能發生的各種狀況──的應變措施。

NASA的設計人員為了創建保護地球不受外星汙染的設施,曾造訪NEIDL,研究他們用來保持實驗室清潔和安全的程序及物理系統。雖然NASA現在是採用正壓無塵室,但病原體遏制卻需要相反的條件:利用負壓使空氣在室內循環。

儘管NASA一開始的月球物質回收實驗室就結合了這些系統,但自1960年代以來的科技和生物安全計畫已經有了長足的進步。雖然美國各機構在1955年就開始討論生物安全實驗室分級制度的條件,但美國疾病管制與預防中心(Centers for Disease Control and Prevention,CDC)一直要到1984年才訂定相關規範。

在生物安全第一等級實驗室中,研究人員處理的是類似大腸桿菌(E. coli)這樣常見的細菌,在受汙染的食物或是人體腸道都能見到它的蹤跡。實驗室的科學家使用基本的個人防護設備,並執行標準清潔措施,例如每天消毒所有設備進行和徹底洗手,以確保有害的微生物只會停留在在他們該出現的地方。除了一些生物性危害的警告標誌和確保空氣僅在實驗室內流動的專用通風系統,這類實驗室對生物系的學生來說,可是再熟悉不過了。

生物安全第二等級實驗室所處理的危害性物質稍微多一些,例如金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus),這種病原體會趁虛而入,是人體微生物群落的常見組成。這種級別實驗室的安全和除汙措施更為嚴格,但還不到極端。

柯里表示:「在生物安全第三等級實驗室,得要穿著全套地泰維克(Tyvek)防護衣,並戴著呼吸器。」研究人員通過真空密封的雙閘門進入實驗室,內部的其他設備則類似在大學生物學課程會見到的操作臺──有玻璃保護罩和頂部的通風設備。但他說:「在第三等級實驗室,必須要能清潔和除汙所有物品。」 操作新冠病毒的實驗室就屬於生物安全第三等級。

最高級的第四等級生物安全實驗室是用來處理像是伊波拉病毒這類更致命的瘟疫。實驗室內的科學家穿著完全密封的防護衣,防護衣連接著軟管,從實驗室外吸入空氣。科學家以手套、護目鏡和呼吸器和有害微生物完全隔離,像是被安全預防措施層層包裹的俄羅斯娃娃。

未來的地外樣本管理中心將比照生物安全第四等級的實驗室。研究火星岩石的科學家將穿著整套防護裝備進入實驗室,通過真空密封的閘門進入工作區,並以嚴謹的設計確保微生物不會外溢。

完成這類實驗室的計畫已在進行中,雖然和其他太空探索項目一樣得要耗時數年才能完成,設計上也可能會視狀況進行調整。

位於德州休斯頓的火星檢疫設施(Mars Quarantine Facility)首先將收留來自火星的塵土和岩石,最終可能還會招待從火星返回地球的太空人,直到他們可以安全地重返社會。各分隔的區域之間將以HEPA等級的濾網進行過濾。與NASA合作並共享管理未來火星樣本的ESA,也正在奧地利維也納開發類似的設施。NASA未來的設施甚至可能是可移動的模組,就像他們先前的月球物質回收實驗室,但設計上則更為輕巧精簡。

這些準備都不該成為擔心的理由。各太空機構之所以如此計畫是出於謹慎的考慮,而不是擔心太空病菌會佔領整個地球。

哈伯德說:「《天外來菌》(The Andromeda Strain)是部很好的驚悚片。但這部片幾乎沒什麼科學根據,電影中的怪奇事件會發生的機率非常小。」

 

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