惑星間汚染

惑星間汚染とは、宇宙探査機や宇宙船による意図的または偶発的な 惑星の生物学的汚染を指します。

惑星間汚染には 2 つの種類があります。

• 前方汚染とは、生命やその他の形態の汚染物質が地球から別の天体へ移ることです。
• 逆汚染とは、地球外生物やその他の形態の汚染物質が地球の生物圏に持ち込まれることです。また、そのような生物が存在する場合、宇宙や他の天体における地球外生物による人間や人間の居住地への感染も対象となります。

主な焦点は微生物と潜在的に侵入する種にあります。科学的に興味深い敏感な堆積物（月の極地の氷の堆積物など）の汚染を含む、非生物学的形態の汚染も検討されています。^[1]後方汚染の場合、多細胞生物による汚染は起こりそうにありませんが、排除されていません。前方汚染の場合、ロボットミッションでは多細胞生物（地衣類など）による汚染は起こりそうにありませんが、火星への有人ミッションでは考慮されることになります。^[2]

現在の宇宙ミッションは、宇宙条約と惑星保護のためのCOSPARガイドラインによって規制されています。前方汚染は、主に宇宙船の滅菌によって防止されます。サンプルリターンミッションの場合、ミッションの目的は地球外サンプルを地球に持ち帰ることですが、サンプルを滅菌するとサンプルへの関心は大幅に低下します。したがって、後方汚染は主に封じ込めと、サンプルの起源惑星と地球との接触の連鎖を断つことによって防止されます。また、物質とそれと接触するすべての人に対する検疫手順も必要になります。

太陽系の大部分は、私たちが知る生命にとって危険な場所のようです。地球外生命はこれまで発見されていません。しかし、地球外生命が存在する場合、外来微生物による惑星間汚染の影響を受ける可能性があります。一部の極限環境生物は、他の惑星への宇宙旅行で生き残ることができる可能性があり、地球からの宇宙船によって外来生命が持ち込まれる可能性もあります。もし可能であれば、これは科学的および倫理的な懸念を引き起こすと考える人もいます。

太陽系内で現在生命が存在する可能性がある場所には、エウロパ、エンケラドゥス、タイタンの氷の表面下の液体の水の海が含まれます（表面には液体のエタン/メタンの海がありますが、表面下にも液体の水と氷の火山がある可能性があります）。^{[3] [4]}

前方汚染と後方汚染の両方に複数の結果があります。惑星が地球生命で汚染された場合、発見された生命体がその惑星起源か地球から来たものかを判断することが困難になる可能性があります。^[5]さらに、導入された生命によって生成された有機化学物質は、現生または古代の在来生命の生物学的特徴の繊細な調査を混乱させるでしょう。同じことは、他のより複雑な生物学的特徴にも当てはまります。初期の太陽系では惑星間で多くの物質の交換が行われており、それによって生命が移動した可能性があるため、他の惑星の生命は地球生命と共通の起源を持つ可能性があります。もしそうなら、核酸（RNAまたはDNA）に基づいている可能性もあります。

分離された種の大部分は、十分に理解または特徴付けられておらず、研究室で培養することができず、綿棒で採取したDNA断片からのみ知られている。^[6]汚染された惑星では、地球外生命のDNAと、探検家によって惑星に持ち込まれた生命のDNAを区別することが困難である可能性がある。地球上の微生物のほとんどの種はまだ十分に理解されておらず、DNA配列も決定されていない。これは特に培養不可能な古細菌に当てはまり、研究が困難である。これは、他の微生物の存在に依存しているか、成長が遅いか、またはまだ理解されていない他の条件に依存しているためである可能性がある。典型的な生息地では、微生物の99％は培養できない。^[7] 導入された地球生命は、水など、将来の人間のミッションにとって価値のある資源を汚染する可能性がある。^[8]

地球上に生命が存在する場合、外来種は在来生物と競争してそれを食い尽くす可能性があります。 ^[9]しかし、地球上の経験では、ある大陸から別の大陸に移動した種は、その大陸に適応した在来生物と競争して勝つことができる可能性があります。^{[9]さらに、地球上の進化のプロセスは、地球外生物とは異なる生物学的経路を発達させている可能性があり、そのため、それを競争して勝つことができる可能性があります。地球の}生物圏に持ち込まれた汚染物質についても、逆のことが起こり得ます。

科学研究上の懸念に加えて、意図的あるいは意図的でない生命の惑星間輸送に関して倫理的、道徳的な懸念を提起する試みもある。^{[10] [11] [12] [13]}

エンケラドゥスとエウロパは、主に液体の水と有機化合物が存在する可能性があることから、現在の生息地の最良の証拠を示しています。

火星にはかつて微生物が生息できる環境があったことを示す証拠が数多くある。^{[14] [15]}そのため、証拠は見つかっていないものの、火星に微生物が存在していた可能性はある。^{[16] [17] [18] [19] [20] [21] [22]}

地球からの多くの細菌胞子（胞子）が火星探査機で運ばれたと考えられています。 ^{[23] [24]}一部は火星の浅い表面にある火星探査車や着陸機内で保護されている可能性があります。^{[25] [26]}その意味では、火星はすでに汚染されている可能性があります。

北極の永久凍土に生息する特定の地衣類は、大気中の湿気を利用するだけで、液体の水がなくても光合成して成長することができます。また、メラニンやその他の特殊な化学物質を使用して細胞を保護するため、紫外線に対する耐性も非常に高いです。 ^{[27] [28]}

数多くの研究が火星のいくつかの環境に対する耐性を指摘しているが、それらは個別に行われており、温度、圧力、大気の組成、放射線、湿度、酸化レゴリスなど、火星の表面環境のすべてを同時に、そして組み合わせて考慮した研究はない。^[29]実験室でのシミュレーションでは、複数の致死要因が組み合わさると、生存率が急激に低下することがわかっている。^[30]

他の研究では、潮解性塩を利用して生命が生き延びる可能性があることが示唆されている。潮解性塩は、地衣類と同様に、大気の湿気を利用する。塩の混合が適切であれば、生物は大気の湿度が高いときに液体の水を得ることができ、塩は生命を維持できるだけの水分を捕らえることができる。

2017年7月に発表された研究によると、火星の紫外線を模擬した放射線を照射すると、過塩素酸塩は細菌に対してさらに致命的になる（殺菌効果）。休眠中の胞子でさえ、数分以内に生存能力を失った。^[31]さらに、火星表面の他の2つの化合物、酸化鉄と過酸化水素は、照射された過塩素酸塩と相乗的に作用し、60秒間の照射後、紫外線にさらされた細胞と比較して、細胞死を10.8倍増加させる。^{[31] [32]また、摩耗したケイ酸塩（石英と玄武岩）が有毒な}活性酸素種 の形成につながることも判明した。^[33]研究者らは、「火星の表面は栄養細胞にとって致命的であり、表面と表面近くの領域の大部分を居住不可能にする」と結論付けた。^[34]この研究は、現在の地表はこれまで考えられていたよりも居住不可能であることを証明しており、^{[31] [35]}放射線レベルが比較的低いことを確認するために少なくとも地中数メートルを調査するという考えを補強している。^{[35] [36]}

カッシーニ宇宙船はエンケラドゥス から噴出する噴煙を直接採取した。測定データによると、これらの間欠泉は主に塩分を多く含んだ「海のような」組成の粒子でできており、衛星の氷の表面ではなく、地下の海水が液体になっていることから発生していると考えられている。 ^[37]間欠泉の飛行データも、噴煙に有機化学物質が含まれていることを示している。エンケラドゥスの表面の熱スキャンでは、間欠泉が発生する亀裂の周囲で温度が高く、−93 °C (−135 °F) に達し、周囲の表面領域よりも 115 °C (207 °F) 高いことが示された。^[38]

エウロパには、地下海が存在するという間接的な証拠が数多くある。エウロパが潮汐加熱の影響を受けるモデルでは、表面の線状断裂を正確に再現するために、地下に液体の水の層が必要である。実際、ガリレオ宇宙船によるエウロパの磁場が木星の磁場とどのように相互作用するかの観測は、固体層ではなく液体層の存在を裏付けるものである。エウロパ深部の導電性流体がこれらの結果を説明するだろう。^{[39] 2012年12月の}ハッブル宇宙望遠鏡の観測では、エウロパの表面から氷の柱が噴出しているのが見られ、^[40]これは、地下に液体の海が存在するという主張を大いに裏付けるものである。エンケラドゥスの場合と同様に、蒸気の間欠泉があれば、液体層のサンプルを簡単に採取できる。^[41]残念ながら、エウロパ付近の空間に水が不足しているため、エウロパで間欠泉が頻繁に発生するという証拠はほとんどないようだ。^[42]

太陽系の敏感な領域に送られる宇宙探査機を滅菌することで、前方汚染が防止されます。ミッションは、その目的地が生命の探索にとって興味深いものであるかどうか、そして地球の生命がそこで繁殖する可能性があるかどうかによって分類されます。

NASAは、1963年9月9日に管理マニュアルNMI-4-4-1、 NASA無人宇宙船除染ポリシーを発行し、これらのポリシーを公式にしました。 ^[43] NMI-4-4-1以前は、ターゲットに関係なく、すべての出発宇宙船に同じ滅菌要件が必要でした。月に送られたレンジャー探査機の滅菌の困難さが、NASAが前方汚染の可能性を評価する際にターゲットごとに変更した主な理由です。

水星などの目的地では、予防措置はまったく必要ありません。月などの目的地では、書類提出のみが必要ですが、火星などの目的地では、そこに送られる探査車の消毒が必要です。

逆汚染は封じ込めや検疫によって防ぐことができます。しかし、アポロ計画以来、逆汚染のリスクがあると考えられるサンプル返却は行われていません。アポロの規制は撤回され、新しい規制はまだ策定されていません。サンプル返却に関する推奨予防措置を参照してください。

有人宇宙船は、ロボット宇宙船と同じレベルで人間を滅菌することが不可能であるため、惑星間汚染について特に懸念される。したがって、ロボットミッションよりも汚染を転送する可能性が高くなります。^[44]人間は通常、人間のマイクロバイオームに1万種、100兆個の微生物を宿しており、人間の生命を維持しながらそれらを除去することはできない。封じ込めが唯一の選択肢のように思われるが、ロボットローバーと同じ基準で効果的な封じ込めを現在の技術で達成することは困難であると思われる。特に、ハードランディングの場合の適切な封じ込めは大きな課題である。

火星に微生物が存在する場合、人間の探検家は火星で採取された微生物を地球に持ち帰る可能性がある。^[45]もう1つの問題は、人間の便、皮膚、呼気から排出される地球の微生物による水源の汚染であり、これは火星における長期的な人類の植民地化に直接影響を与える可能性がある。^[8]

アポロ11号のミッションは、月面に微生物が存在する可能性について国民の懸念を引き起こし、^[46]宇宙飛行士が帰還した際に疫病が地球に持ち込まれるのではないかという恐怖を生み出した。^[47] NASAは、逆汚染の可能性を懸念するアメリカ人から何千通もの手紙を受け取った。^[48]

月は、太陽系の場所や宇宙飛行士を前方および後方からの汚染から保護するための新しい技術のテストベッドとして提案されている。現在、月は前生物化学や生命の起源にとって「興味の対象ではない」と考えられているため、汚染制限はない。アポロ計画の宇宙飛行士が残した汚染の分析は、惑星保護モデルにとって有用な真実をもたらす可能性がある。^{[49] [50]}

地球外天体訪問中に前方および後方汚染のリスクを減らす最も確実な方法の一つは、ロボット宇宙船のみを使用することです。^[44]対象惑星の周回軌道上にいる人間は、テレプレゼンスを介して表面の機器をリアルタイムで制御できるため、前方および後方汚染のリスクを増大させることなく、表面ミッションの多くの利点を得ることができます。^{[51] [52] [53]}

月には生命が存在しないと現在一般的に考えられているため、最も可能性の高い汚染源は、火星サンプルリターンミッション中、または火星への有人ミッションの結果として火星からもたらされるものであると考えられます。新たなヒト病原体や逆汚染による環境破壊の可能性は極めて低いと考えられていますが、まだ排除することはできません。

NASAとESAは、パーサヴィアランス探査機が採取したサンプルを地球に持ち帰る火星サンプルリターン計画を積極的に進めている。欧州宇宙財団の報告書は、火星サンプルリターンの多くの利点を挙げている。特に、探査機に搭載された機器のサイズや重量の制約を受けることなく、地球上で広範囲な分析が可能になる。また、これらの分析は、火星探査機による実験の通信遅延なしに実行できる。また、複数の研究室で異なる機器を使用して実験を繰り返し、重要な結果を確認することも可能になる。^[54]

カール・セーガンは、火星のサンプルリターンによって生じる可能性のある汚染問題を初めて公表した人物である。彼は『Cosmic Connection』（1973年）の中で次のように書いている。

火星は生物学的に非常に興味深い環境であるからこそ、火星には病原体や生物が存在し、それが地球環境に運ばれれば甚大な生物学的被害をもたらす可能性がある。^[55]

後にカール・セーガンはコスモス（1980年）の中でこう書いている。

おそらく火星のサンプルは安全に地球に持ち帰ることができるだろう。しかし、サンプル持ち帰りミッションを検討する前に、私は十分な確信を持ちたい。^[56]

NASAとESAの見解は似ており、現在の技術では適切な予防措置を講じれば火星のサンプルを安全に地球に持ち帰ることができるという結論に達した。^[57]

NASAは、アポロ11号で初めてサンプルを持ち帰った際、汚染リスクが低いと考えられていたサンプルを持ち帰った経験がある。当時は月面に生命が存在する可能性は低いと考えられていたため、要件はそれほど厳しくなかった。しかし、当時取られた予防措置は現在の基準からすると不十分だった。当時の規制は撤回されており、サンプル持ち帰りには新たな規制とアプローチが必要になるだろう。^[58]

サンプルリターンミッションは、例えば、地球に帰還する前に宇宙空間の真空中で帰還した容器を別の大きな容器の中に密封するなどして、火星とサンプル容器の外部との接触の連鎖を断ち切るように設計される。^{[59] [60]}パラシュートが故障するリスクを排除するために、カプセルは終端速度で落下し、衝撃はカプセルの熱保護システムによって緩和される。サンプル容器は衝撃の力に耐えられるように設計される。^[60]

NASAは、地球外土壌サンプルの受取り、分析、保管のために、暫定的に火星サンプルリターン受入施設（MSRRF）と呼ばれるバイオハザード封じ込め施設の建設を提案している。^{[61]この将来の施設は、}バイオハザードレベル4（BSL-4 ）に格付けされる必要がある。^[61]既存のBSL-4施設は主にかなりよく知られている生物を扱っているが、地球外サンプルに焦点を当てたBSL-4施設では、サンプルの評価と保管中に予期しない問題が発生し、独自の思考と解決策が必要になることを念頭に置きながら、システムを慎重に計画する必要がある。^[62]

火星の微生物の大きさは不明であるため、施設のシステムは未知のバイオハザードを封じ込めることができなければならない。これを考慮して、追加の要件が提案された。理想的には0.01μm以上の粒子をろ過する必要があり、0.05μm以上の粒子の放出はいかなる状況でも許容されない。^[59]

この0.01μmという極めて小さいサイズ制限の理由は、遺伝子転移因子（GTA）を考慮するためである。GTAは、一部の微生物によって生成されるウイルスのような粒子で、遺伝子の水平転移が可能なDNAのランダムな断片をパッケージ化する。^[59]これらは宿主ゲノムの断片をランダムに組み込み、進化的に遠い他の宿主に転移させることができ、新しい宿主を殺さずにこれを実行する。このようにして、多くの古細菌と細菌は互いにDNAを交換できる。このことから、火星生命が遠い過去に地球生命と共通の起源を持っている場合、同じように地球の微生物とDNAを交換できる可能性がある。^[59] 2010年に報告されたある実験では、研究者がGTA（抗生物質耐性を付与するDNA）と海洋細菌を自然条件で一晩放置したところ、翌日までに細菌の最大47％がGTAから遺伝物質を組み込んでいたことがわかった。^{[63] [64]} 0.05μmの制限のもう一つの理由は、直径0.2μmほどの超微小細菌が発見されたためです。 ^[59]

BSL-4 封じ込め施設は、サンプルの科学的価値を保つためにクリーンルームとしても機能する必要があります。課題は、サンプルを地球に持ち帰った後、単に封じ込めるのは比較的簡単ですが、研究者はサンプルの一部を取り出して分析を行うことも望んでいることです。これらのすべての取り扱い手順の間、サンプルは地球の汚染から保護される必要があります。クリーンルームは通常、汚染物質を寄せ付けないために外部環境よりも高い圧力に保たれますが、バイオハザード研究室はバイオハザードを閉じ込めるために低い圧力に保たれます。これには、専門の部屋を区画化して 1 つの建物にまとめる必要があります。提案されている解決策には、3 重壁の封じ込め施設と、サンプルの広範なロボット処理が含まれます。^{[65] [66] [67] [68]}

施設の設計から完成までには7年から10年かかると予想されており^{[69] [70]}、スタッフが施設に慣れるまでにさらに2年かかることが推奨されている^{[69] [59] 。}

火星協会のロバート・ズブリンは、逆汚染のリスクは無視できると主張している。彼は、隕石によって地球から火星に生命が移った可能性に基づいた議論でこれを支持している。^{[71] [72]}

マーガレット・レースは、MSRの承認に関する法的手続きを詳細に調査した。^[58]彼女は、国家環境政策法（NEPA）（アポロ時代には存在しなかった）の下では、正式な環境影響評価書と、すべての問題が公に議論される公聴会が必要になる可能性が高いことを発見した。このプロセスは完了するまでに数年かかる可能性がある。

このプロセスでは、最悪の事故シナリオ、影響、プロジェクトの代替案がすべて公の場で議論されることになると彼女は気づいた。環境保護庁、労働安全衛生局などの他の機関も意思決定プロセスに関与する可能性がある。

アポロ計画の規制が撤回されたため、検疫に関する法律も明確にする必要があった。アポロ時代、NASA は公の議論を必要とせず、アポロ打ち上げ当日まで検疫規制の発表を遅らせたが、これは今日ではおそらく許されないことだろう。

また、大統領指令NSC-25が適用され、他の国内レビューに続いて長いプロセスを経て環境への大規模な影響の疑いに関するレビューを実施し、最終的に大統領による打ち上げ承認を得ることが求められる可能性もある。

こうした国内の法的ハードルとは別に、火星サンプルリターンの場合には、特に環境保護と健康に関する数多くの国際規制や条約について交渉する必要がある。レイス氏は、火星サンプルリターンを統制する政策の策定には、必然的に国民が重要な役割を果たすと結論付けた。

数人の宇宙生物学者は、現段階では火星のサンプルリターンは必要なく、まずは表面での現地調査に重点を置く方が良いと示唆している。これが彼らの主な動機ではないが、もちろんこのアプローチは逆汚染のリスクも排除する。

これらの宇宙生物学者の中には、近い将来にサンプルリターンを伴う現地調査をさらに進めることを主張する者もいる。また、火星に関する現在の理解の水準では、サンプルリターンではなく現地調査を主張する者もいる。^{[73] [74] [75]}

彼らの論拠は、火星の生命は見つけるのが難しい可能性が高いということだ。現在の生命はまばらで、限られた生息地でのみ生息している可能性が高い。過去の生命は、火星表面の上数メートルで露出している場合、地質学的期間にわたって宇宙放射線によって劣化している可能性が高い。また、火星の特定の特殊な塩類や粘土の堆積物だけが、数十億年にわたって有機物を保存する能力を持っている。したがって、現在の理解の段階で火星サンプルリターンを行った場合、火星の生命の起源や現在の生命について、すでに入手している火星隕石サンプルよりも決定的な証拠にならないサンプルが返される可能性が高いと彼らは主張している。

もうひとつの考慮事項は、帰還の旅の間、そして地球上での取り扱い手順の間、サンプルを地球の生命による汚染から完全に守ることが難しいことです。このため、検出された生物シグネチャーがサンプルの汚染によるものではないことを決定的に示すことが難しくなる可能性があります。

代わりに、彼らは火星表面探査車にもっと感度の高い機器を搭載することを提唱している。これらの機器は、さまざまな種類の岩石や土壌を調査し、表面の生物痕跡を探し、現在の技術では妥当なコストで地球に持ち帰ることができないさまざまな物質を調査することができる。

地球へのサンプルの持ち帰りは、火星の状況について十分に理解し、バイオシグネチャーやその他の現場分析を通じて、火星に現在または過去の生命が存在する可能性がすでに検出された段階で検討されることになるだろう。

• NASAマーシャル宇宙飛行センターは、将来の月面および火星探査ミッションのために小型可変圧力走査型電子顕微鏡（MVP-SEM）を開発する研究を主導しています。^[76]

• ジョナサン・ロスバーグやJ・クレイグ・ベンターを含むいくつかのチームは、火星の表面上で直接エイリアンのDNAを配列決定するためのソリューションを別々に開発している。^{[77] [78] [79] [80]}
• レビンは、バイキングに搭載されたラベル放出装置の最新版の開発に取り組んでいる。例えば、キラリティーの検出に依存するバージョンなどである。これは、標準的な生命化学に基づいていなくても生命の検出を可能にするため、特に興味深い。^[81]
• バイオシグネチャーの検出を目的としたユーリー火星有機酸化物検出器は計画が中止されたが、 2018年にエクソマーズに搭載される予定だった。この検出器は、これまでのどの機器よりもバイオシグネチャーに対する感度がはるかに高いように設計されている。^{[73] [82] [83]}

2012 年の「探査テレロボティクス シンポジウム」では、業界、NASA、学術界からテレロボティクスの専門家が集まり、テレロボティクスと宇宙探査への応用について議論しました。他の問題の中でも、火星ミッションと火星サンプルリターンに特に注目が集まりました。

彼らは、遠隔ロボットによるアプローチにより、火星軌道からの遠隔プレゼンスを介して火星表面のサンプルを直接研究することができ、迅速な探査と人間の認知力を利用して偶然の発見や得られた結果からのフィードバックを活用できるという結論に達した。^[84]

彼らは、火星のテレプレゼンス探査には多くの利点があることを発見した。宇宙飛行士はロボットをほぼリアルタイムで制御でき、発見に即座に対応できる。また、双方向の汚染を防ぎ、移動性にも優れている。^[85]

最後に、サンプルを軌道に戻すことで、帰還の途中で失われる可能性のある揮発性物質を検出するために、サンプルを遅滞なく分析できるという利点がある。^{[84] [86]}

人間が付近に居住できるようになれば、 同様の方法を使って、エウロパ、タイタン、エンケラドゥスなど、生物学的に敏感な他の衛星を直接探査することもできるだろう。

2019年8月、科学者らは、 2019年4月にイスラエルの月面着陸船ベレシートが不時着した後、クリプトバイオティック状態のクマムシ（回復力のある微生物動物）が入ったカプセルが月面でしばらく生き延びていた可能性があると報告した。^{[87] [88]}