Ochrona planetarna: zapobieganie podróży mikrobów w kosmos

Agencja podejmuje starania, aby zapobiec podróży „na gapę” mikroskopijnych form życia na inne planety i księżyce Układu Słonecznego. W tym celu pracownicy regularnie przeczesują pomieszczenia wysokiej czystości, tzw. cleanrooms, i budynki przygotowań sond kosmicznych oraz innego sprzętu do startów, w poszukiwaniu jakichkolwiek mikrobów.

Miejsca używane do przygotowywania niektórych typów urządzeń wykorzystywanych w przestrzeni kosmicznej są jednymi z najczystszych miejsc na Ziemi – czystszych o typowej szpitalnej sali operacyjnej. Jest to możliwe dzięki filtrowanemu powietrzu, stosowaniu rygorystycznych procedur czystości i używaniu przez pracowników pełnych strojów ochronnych. Przy wchodzeniu do takich pomieszczeń o wysokiej czystości, są one dodatkowo poddawane kąpieli powietrznej.

“ESA, jak również NASA, posiada długoterminowy program okresowego monitorowania i oceny skażenia biologicznego pomieszczeń i niektórych rodzajów statków kosmicznych”, wyjaśnia Gerhard Kminek, oficer ESA ds. ochrony planetarnej.

“Obejmuje on pomieszczenia w Kourou ,w Gujanie Francuskiej, w Bajkonurze, w Kazachstanie, a także pomieszczenia wysokiej czystości w ośrodku ESTEC w Holandii i u naszych partnerów przemysłowych”.

“Prace te wykonuje Grupa Badań Astrobiologicznych (Astrobiology Research Group) niemieckiej agencji kosmicznej DLR, w ramach kontraktu z ESA. Swój udział ma także Instytut Mikrobiologii Uniwersytetu Regensburg, i Niemiecki Zbiór Mikroorganizmów i Kultur Komórkowych (DSMZ)”.

“Ich celem jest wyznaczenie stopnia skażenia biologicznego i określenie jego różnorodności, co pozwala, poprzez analizę sekwencjonowania genów, na ustalenie z czym grupa ma do czynienia oraz  zapewnienie długoterminowego składowania na zimno wybranych próbek”.

Próbki uzyskiwane są różnymi metodami: próbniki powietrza zbierają pewne jego ilość przy filtrach, a za pomocą materiału nasączonego ultraczystą wodą przeciera się powierzchnie sprzętów i pomieszczeń. Próbki z mniejszych przedmiotów, jak elektronika czy ładunki, zbiera się za pomocą wacików.

Aby wyznaczyć stopień zanieczyszczenia biologicznego, próbki są rozdzielane na szalki. Inkubacja trwa przez okres od 7 godzin do 3 dni, zależnie od użytej metody, po czym sprawdzane jest jak wiele mikrobów się pojawiło. Za pomocą analizy statystycznej ocenia się ogólne biozanieczyszczenie pomieszczeń wysokiej czystości lub sprzętu, i sprawdza czy mieści się on w wymaganym standardzie czy też wymagane są dalsze kroki w celu jego redukcji.

Każda forma życia zdolna przeżyć we wrogim, niemal pozbawionym wartości odżywczych środowisku pomieszczeń wysokiej czystości, jest na swój sposób interesująca dla nauki, dlatego też podejmuje się dalsze badania takich organizmów.

“Na koniec mamy setki wyizolowanych organizmów, ale nie jesteśmy w stanie wszystkich przebadać wystarczająco dokładnie”, dodaje Gerhard. „Dlatego sami zajmujemy się tymi krytycznymi, a pozostałe zostawiamy społeczności naukowej. Dzięki stronie internetowej każdy zainteresowany naukowiec może je obejrzeć i zamówić próbki do dokładniejszych badań”.

W listopadzie 2013 o działaniach zespołu zrobiło się głośno po opublikowaniu artykułu w piśmie International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology.

Opisywał on nowy gatunek bakterii, który pierwszy raz w historii znaleziony został w budynku obsługi ładunków i materiałów niebezpiecznych (Payload/Hazardous Servicing Facility) w porcie kosmicznym Kennedy Space Center agencji NASA, gdy w 2007 roku przygotowywano do lotu sondę Mars Phoenix Lander. Drugi raz ten nowy gatunek bakterii wykryto w Centrum Kosmicznym Kourou w Budynku Montażu Końcowego (Final Assembly Building), podczas przygotowań do kampanii startowej misji Herschel i Planck.

Bakteria nazwana Tersicoccus phoenicis okazała się być bardzo odmienna od znanych gatunków, nie tylko dlatego, że była nowym gatunkiem, ale że miała nowe geny – utworzyła nową grupę taksonomiczną – i że jak dotąd wyizolowano ją jedynie z próbek z pomieszczeń o wysokiej czystości.

Z punktu widzenia Agencji, najważniejsza jest znajomość ilości zanieczyszczeń biologicznych, niż dokładna identyfikacja poszczególnych mikrobów tworzących to zanieczyszczenie.

“Jednak co kilka lat, lub przy okazji krytycznych operacji, musimy sprawdzić czy nasze procedury, i działania zmniejszające zanieczyszczenie biologiczne, rzeczywiście działają”, wyjaśnia Gerhard.             

“Jeśli, na przykład, okaże się, że jakieś zanieczyszczenie jest bardzo odporne na ciepło, może zaistnieć potrzeba zmiany procedury dotyczące kontroli pomieszczeń wysokiej czystości, albo zmiany procesu sterylizacji cieplnej, zwiększając czas i temperaturę jej trwania”.

Mimo wszystkich podejmowanych środków zaradczych, jakieś mikroby z pewnością zdołają się „przedrzeć”. Oprócz ludzi, głównymi „wektorami zakażenia”  są powietrze i samo wyposażenie, pochodzące ze środowiska zewnętrznego.

Na szczęście redukcja biozanieczyszczeń jest zdumiewająca. Jak mówi Gerhard: „Dla typowego statku kosmicznego montowanego w warunkach kontrolowanych biozanieczyszczeń, skażenie biologiczne jest około 10 000 razy mniejsze od typowych warunków środowiska, w których budowany jest sprzęt. Wykazuje też drastycznie obniżoną bioróżnorodność. Niektóre krytyczne elementy statku są nawet czystsze i praktycznie ze wszech miar sterylne”.

Ramy prawne ochrony planetarnej

Przeglądy mikrobiologiczne to tylko jeden z elementów wielotorowej polityki Ochrony Planetarnej (Planetary Protection), podejmowanej przez ESA już od dekady, gdy Agencja zajęła się misjami międzyplanetarnymi do obiektów zapewniających warunki do utrzymywania życia.

“W praktyce przeglądy stosujemy do każdej misji opuszczającej orbitę Ziemi – lub na nią powracającą”, mówi Gerhard.

Stosowanie ochrony planetarnej opiera się na prawnych zobowiązaniach państw-członków będących sygnatariuszami Traktatu o Przestrzeni Kosmicznej. W oparciu o Politykę Ochrony Planetarnej Europejskiej Agencji Kosmicznej, ESA działa w imieniu swoich członków w celu zapewnienia wykonywania postanowień traktatu wobec wszystkich misji przygotowywanych przez Agencję lub w których bierze udział.

Polityka ustala limity skażenia biologicznego i prawdopodobieństwa uderzenia w planetę lub księżyc dla wszystkich lądowników, orbiterów i innych statków kosmicznych wykonujących manewr asysty grawitacyjnej.

“Aktywny monitoring zanieczyszczeń biologicznych i ich redukcja są zwykle niezbędne, aby osiągnąć limit skażenia biologicznego”, dodaje Gerhard. „Dodatkowo trzeba także szczegółowo prześledzić proces produkcji sprzętu i wyposażenia”.

“W niektórych przypadkach przeprowadzamy także analizę zachowania się statku na nagrzewanie się podczas wchodzenia w atmosferę podczas kończenia misji, aby sprawdzić czy proces ten można wykorzystać do zmniejszenia zanieczyszczenia biologicznego”.

Ocena prawdopodobieństwa uderzenia – innymi słowy, szansy zderzenia się – wiąże się z oceną rzetelności operacyjnej misji, bezawaryjności sprzętu, i efektami związanymi z naturalnym środowiskiem kosmicznym, takim jak fluktuacje w atmosferze czy mikrometeoroidy.

Jeśli obliczone prawdopodobieństwo uderzenia będzie nieakceptowalnie wysokie, wtedy może zaistnieć potrzeba wprowadzenia zmian w trajektorię, procedury operacyjne, zapasowy sprzęt lub dodatkowe osłony.

Oficer Ochrony Planetarnej odpowiada za przestrzeganie norm – weryfikuje, bierze udział w przeglądach, przeprowadza audyty i inspekcje w trakcie montażu statku kosmicznego i jego wystrzelenia.

Te mikrobiologiczne polowania są najbardziej widocznym aspektem ochrony planetarnej. Dla przykładu, zespół łazika Mars Science Laboratory, agencji NASA, musiał pobrać 4500 próbek w trakcie montażu, testowania i operacji wystrzelenia MSL. Spodziewana ilość próbek do pobrania przez ESA w trakcie przygotowań do rozpoczęcia misji ExoMars będzie podobnego rzędu, ale dzięki nowym procedurom, zweryfikowanym w ostatnich lata wspólnie przez ESA i NASA, proces ich obróbki, i czas uzyskania wyników będzie wyraźnie krótszy.

Jednakże, kontrola zanieczyszczenia biologicznego statku kosmicznego badającego Układ Słoneczny, to tylko jeden z elementów wchodzących w skład parasola ochrony planetarnej. Innym aspektem jest zapobieżenie skażeniu ziemskiej biosfery przez statek kosmiczny powracający z próbkami z innej planety lub księżyca.

Dla planowej misji Mars Sample Return, ESA już teraz zajmuje się opracowaniem odpowiedniego sprzętu i infrastruktury naziemnej, która pozwoli na odizolowanie próbek obcego pochodzenia i zachowanie ich czystości przy dalszych badaniach naukowych, w tym oceny ich ewentualnej szkodliwości.

Co dwa lata ESA, wraz z innymi agencjami kosmicznymi i społecznością naukową, spotyka się w ramach Komitetu do spraw Badań Przestrzeni Kosmicznej COSPAR, aby przeanalizować istniejące regulacje pod kątem najnowszych badań naukowych dotyczących granicznych warunków podtrzymania życia, i warunków środowiskowych na planetach i księżycach Układu Słonecznego.

“Ochrona planetarna nie dotyczy ekologii w przestrzeni kosmicznej, co jest częstym nieporozumieniem”, podsumowuje Gerhard.

“Regulacje te zostały wdrożone przez naukowców około pół wieku temu, aby zapobiec przypadkowemu i nieodwracalnemu skażeniu jakichkolwiek obcych form życia – lub dowodów ich braku, mogących storpedować szanse wartościowych badań naukowych nad pochodzeniem i rozpowszechnieniem życia, jego prekursorów lub pozostałości. Dodatkowo, regulacje zapewniają ochronę Ziemi przed potencjalnie niebezpieczną ekspozycją na materię pozaziemską przenoszoną przez statki kosmiczne powracające z misji międzyplanetarnych.

“W tym sensie środki ochrony planetarnej chronią nasz wkład w badania i eksplorację przestrzeni kosmicznej”.

“Zaangażowanie się ESA w Ochronę Planetarną odzwierciedlone jest również w temacie Agendy 2015 dotyczącej poznania pochodzenia życia, oraz prowadzenia czystych, odpowiedzialnych i zrównoważonych działań w przestrzeni kosmicznej”.