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微生物科普：微生物對人類航天領(lǐng)域的影響以及人類的應(yīng)對之策
微生物科普：微生物對人類航天領(lǐng)域的影響以及人類的應(yīng)對之策
病毒是地球上最古老的“活化石”，病毒本身并不是完整的生命體，自身不具備傳遞遺傳物質(zhì)的能力，需要通過寄生在宿主細(xì)胞內(nèi)完成自我復(fù)制才能繁衍。所以，單純的病毒，在哪里都不能長久的生存。但到了太空，人體的免疫功能下降之后，一些潛伏在人體內(nèi)的病毒也會重新被激活，那么此時(shí)的病毒或?qū)⒆兊酶邭Α?/span>本文中主要細(xì)述微生物對人類航天領(lǐng)域的影響以及人類的應(yīng)對之策。（注：我們通常把細(xì)菌、真菌、原生生物及病毒統(tǒng)稱為微生物）
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廣闊且肥沃的美洲大陸上，曾經(jīng)孕育著和舊大陸與世隔絕的印第安人文明。印第安人在這里創(chuàng)造了神秘的瑪雅文明，阿茲特克文明和印加文明。15-16世紀(jì)，隨著歐洲人大航海時(shí)代的到來，他們把天花等疾病帶到了這片新大陸。由于當(dāng)時(shí)的印第安人體內(nèi)沒有任何抗體，天花、流感等疾病在新大陸就像死神一樣肆虐。印第安人的部落開始大片消亡，阿茲特克帝國和印加帝國也在疾病和戰(zhàn)火掠奪中走向了毀滅。短時(shí)間內(nèi)，這片大陸上的原住民幾乎損失了90%。
死于天花的印第安人
今天，現(xiàn)代人類依舊面臨著這種威脅。隨著氣候變暖導(dǎo)致的冰川和凍土融化，一些古老的細(xì)菌和病毒也在漸漸復(fù)蘇。于此同時(shí)，隨著人口激增，人與自然的交織也在變得愈發(fā)頻繁，人類被微生物感染的風(fēng)險(xiǎn)也在隨之增長。進(jìn)入20世紀(jì)60年代末，隨著人類的腳步邁出地球，人類與微生物的戰(zhàn)爭也延伸到了地球以外的太空。這些可能潛在的未知微生物，很可能威脅到地球上絕大多數(shù)生物的免疫系統(tǒng)，而人類會首當(dāng)其沖被第一個(gè)傷害。為此，人類為了防止外星病毒與地球生物之間的交互感染，一方面為返回地球的太空艙做了各種巧妙設(shè)計(jì)和隔離回收方案。另一方面，為了防止地球微生物入侵太空或其它星球，在發(fā)射前，地面探測器會做一次徹底的消毒，然后保存在生物屏蔽室中。
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1969年7月16日，搭載阿波羅11號的土星五號火箭從美國佛羅里達(dá)州的肯尼迪航天中心發(fā)射。過去，人類所發(fā)射的航天器都是一次性不再回收的。而阿波羅11的任務(wù)則需要人類登上月球，然后搭載月球土壤樣本返回地球。考慮到微生物容易對原有生物造成毀滅性打擊，發(fā)射前，美國國家宇航局（NASA）的科學(xué)家們就已經(jīng)認(rèn)識到了太空中的微生物可能會威脅到人類這一問題。那么登月宇航員是否會夾帶著一些神秘的微生物來到地球？如果有一場月球瘟疫，那么人類或許就要遭殃了。NASA的科學(xué)家們對任務(wù)做了謹(jǐn)慎的安排，當(dāng)返回艙回到地球降落海面時(shí)，潛水員打開艙門的同時(shí)迅速讓三名宇航員換上隔離防護(hù)服，并隔離三周觀察以確保他們沒有感染任何未知疾病。月球上帶回來的土壤樣本也被封存起來，同時(shí)NASA的科學(xué)家用試驗(yàn)小鼠在暴露的土壤樣本上反復(fù)實(shí)驗(yàn)以確保月壤中不含任何對地球生物致命的微生物。除此之外，每一次載人發(fā)射任務(wù)時(shí)，執(zhí)行任務(wù)的宇航員在發(fā)射前也要進(jìn)行一段時(shí)間的隔離。
隔離艙中三位阿波羅11號的宇航員
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2018年5月5日，搭載“洞察號”火星探測器的“宇宙神”V－401型火箭從位于加州中部的范登堡空軍基地3號發(fā)射臺發(fā)射升空，執(zhí)行人類首個(gè)探究火星“內(nèi)心”的探測任務(wù)。發(fā)射前，“洞察號”火星探測器在經(jīng)過一系列測試后被停放在一個(gè)生物屏蔽室中，而進(jìn)入這個(gè)存放室則需要經(jīng)過復(fù)雜的清潔程序，這個(gè)過程甚至不亞于進(jìn)入生物實(shí)驗(yàn)室。首先，進(jìn)入的人員必須在含有粘性的地?cái)偵闲凶咭哉车裟_下的灰塵，隨后在不接觸被污染地面的情況下從上到下穿戴工作服以及靴子。之后佩戴口罩、帽子等防護(hù)用品。最后通過強(qiáng)風(fēng)清潔區(qū)清理身上的微塵和細(xì)菌。
超凈室里的“洞察號”
地面探測器在無菌車間組裝，隨后存放于生物屏蔽室中。在生物屏蔽室，能夠有效防止生物污染。
無菌處理流程是一種減少甚至是消除微生物存在的過程。在太空探索計(jì)劃中，無菌技術(shù)是預(yù)防感染的一項(xiàng)基礎(chǔ)而又十分重要的技術(shù)，無菌技術(shù)其目的是保持物品不被污染，以此防止病原微生物傳播。無菌技術(shù)是在操作過程中，保持無菌物品、無菌區(qū)域不被污染、防止病原微生物侵入的一系列操作技術(shù)。
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與地面探測器的命運(yùn)截然不同，軌道探測器或航天器不會得到相同的除菌處理。這就是“伽利略號”和“卡西尼號”探測器自毀的原因，以確保探測器上的微生物無法污染衛(wèi)星，且到達(dá)氣態(tài)行星表面前即被完全焚毀。
美國國家宇航局（NASA）的科學(xué)家們在空間探測任務(wù)中也會盡量確保在太空中的航天器不會觸碰到可能存在生命的星球。2003年，美國“伽利略號”探測器結(jié)束了14年的探索生涯。因燃料即將消耗殆盡，探測器無法逃離木星引力，科學(xué)家計(jì)算軌道后發(fā)現(xiàn)，如果任由航天器在失控狀態(tài)下飛行，將有很大可能撞上木星的衛(wèi)星歐羅巴。根據(jù)“伽利略號”的探測以及哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，木衛(wèi)二歐羅巴是一顆有著廣袤海洋的星球，這顆衛(wèi)星厚厚的冰蓋下，可能孕育著早期的生命形式。因此木衛(wèi)二一直以來被學(xué)界認(rèn)為是太陽系中最有可能孕育生命的地方，甚至在那層厚重的冰蓋下已經(jīng)孕育了外星生物。因此，美國國家宇航局（NASA）的工程師們控制“伽利略號”在用盡最后燃料前調(diào)整了軌道墜入了木星大氣中，從而保留了人類探索地外文明的希望。三年后類似的事件再一次重演，美國國家宇航局（NASA）的工程師們再次控制“卡西尼號”在不污染土星衛(wèi)星的情況下墜入土星的大氣中。同時(shí)這一壯舉為人類揭開了土星環(huán)的神秘面紗提供了寶貴的土星大氣數(shù)據(jù)。
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2018年2月6日，太空科技公司SpaceX借助一枚獵鷹9火箭將特斯拉定制的一輛Roadster超跑送入太空。迄今為止，這輛紅色跑車仍舊在太空遨游。由于Roadster上并未安裝動力設(shè)備，無法通過變軌進(jìn)入地球-火星轉(zhuǎn)移軌道，在越過該軌道后，最終將會繞著太陽，以一個(gè)大橢圓的方式在地球和火星間運(yùn)行。馬斯克表示，Roadster最終撞擊火星的可能性非常小。不幸的是，即便兩年過去了，一些科學(xué)家仍然深信Roadster會有撞擊火星的可能，而且他們擔(dān)心汽車和乘客Starman上的微生物可能會污染火星。
特斯拉Roadster超跑
2019年4月11日，以色列的“創(chuàng)世紀(jì)”月球著陸器在執(zhí)行任務(wù)時(shí)因發(fā)動機(jī)故障墜毀在月球表面。而航天器上剛好攜帶了一批用于實(shí)驗(yàn)的水熊蟲。（它們是已知的唯一一種能在太空真空環(huán)境生存下來的動物。）這群“地表最強(qiáng)生物”就此在月球安了家。不知道它們在極端的月面環(huán)境和宇宙射線中能否殖民月球。
“創(chuàng)世紀(jì)”月球著陸器
地球最強(qiáng)生物水熊蟲
然而，科學(xué)家擔(dān)心的還不單是地球微生物可能污染外星環(huán)境這么簡單。在微重力等太空特殊環(huán)境下，微生物的變異速度可能會加速，從而表現(xiàn)出地球上尚未演變出的特征，最終成為“太空超級細(xì)菌”。而這對于太空中的空間站本身以及執(zhí)行任務(wù)的宇航員來說，則是一個(gè)巨大的威脅。為了解決這一問題，科學(xué)家們在地球上的實(shí)驗(yàn)室中模擬微重力環(huán)境下細(xì)菌特性，從而更好地預(yù)防超級細(xì)菌的出現(xiàn)。2014年，為了更好的與地球上的對照組進(jìn)行比對，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）被送往了國際空間站的實(shí)驗(yàn)室中。
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長時(shí)間在封閉狹小的失重環(huán)境中，人類比在地球更容易出現(xiàn)免疫下降等問題。這會導(dǎo)致宇航員體內(nèi)潛伏的病毒蘇醒對宇航員健康造成傷害，常見的比如皰疹病毒（Herpes Virus）。另一方面，微生物可能會給人類探索太空的工具帶來一系列的麻煩。微生物屬于太空垃圾，且具有破壞性。微生物聚集可能會影響到航天器材的電路板、儀表盤和宇航服。微生物過多會形成生物膜，腐蝕材料，嚴(yán)重威脅航天器的運(yùn)行安全，縮短航天器的服役時(shí)間，不利于人類探索太空。
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目前為止，在中國肆虐的新型冠狀病毒肺炎仍然呈蔓延之勢，并且存在大流行的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)我們把目光放大到宇宙尺度，把時(shí)間放大到千萬年。在人類文明的歷史長河中，我們曾數(shù)次面臨著類似的來自微生物的威脅。天花、梅毒、黑死病、流感、霍亂等流行病曾肆掠人類社會數(shù)千年。每一次大流行后，它們都會突然銷聲匿跡，所發(fā)生的一切都會烙印在我們的基因里。可以說，人類史也是一部與微生物的抗?fàn)幨泛凸餐M(jìn)化史。而人類文明，就是這樣一步一步成長，走向了今天的繁榮昌盛。
北森蒂納爾島面積只有約60平方公里，相當(dāng)于紐約曼哈頓
當(dāng)我們把目光聚焦在位于印度洋孟加拉灣的一個(gè)叫做北森蒂納爾島(North Sentinel Island)的小島上時(shí)，我們似乎看到了我們的過去。生存在這個(gè)小島上的森蒂納爾人(Sentinelese)部落，一直過著與世隔絕的原始生活。他們拒絕與外界接觸，只要有外人接近該島便有喪命的危險(xiǎn)。而他們，也面臨著外界傳染病的潛在威脅。
過去，古人曾望洋興嘆自己的渺小。今天，面對著廣袤未知的宇宙，我們又何嘗不是另一個(gè)印第安人或森蒂納爾人呢？
寄蜉蝣于天地，渺滄海之一粟。哀吾生之須臾，羨長江之無窮。
《前赤壁賦》蘇軾
萬事幾時(shí)足，日月自西東。無窮宇宙，人是一粟太倉中。
《?水調(diào)歌頭·萬事幾時(shí)足》辛棄疾
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病毒是地球上最古老的“活化石”，病毒本身并不是完整的生命體，自身不具備傳遞遺傳物質(zhì)的能力，需要通過寄生在宿主細(xì)胞內(nèi)完成自我復(fù)制才能繁衍。所以，單純的病毒，在哪里都不能長久的生存。但到了太空，人體的免疫功能下降之后，一些潛伏在人體內(nèi)的病毒也會重新被激活，那么此時(shí)的病毒或?qū)⒆兊酶邭Α?/span>本文中主要細(xì)述微生物對人類航天領(lǐng)域的影響以及人類的應(yīng)對之策。（注：我們通常把細(xì)菌、真菌、原生生物及病毒統(tǒng)稱為微生物）
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死于天花的印第安人
今天，現(xiàn)代人類依舊面臨著這種威脅。隨著氣候變暖導(dǎo)致的冰川和凍土融化，一些古老的細(xì)菌和病毒也在漸漸復(fù)蘇。于此同時(shí)，隨著人口激增，人與自然的交織也在變得愈發(fā)頻繁，人類被微生物感染的風(fēng)險(xiǎn)也在隨之增長。進(jìn)入20世紀(jì)60年代末，隨著人類的腳步邁出地球，人類與微生物的戰(zhàn)爭也延伸到了地球以外的太空。這些可能潛在的未知微生物，很可能威脅到地球上絕大多數(shù)生物的免疫系統(tǒng)，而人類會首當(dāng)其沖被第一個(gè)傷害。為此，人類為了防止外星病毒與地球生物之間的交互感染，一方面為返回地球的太空艙做了各種巧妙設(shè)計(jì)和隔離回收方案。另一方面，為了防止地球微生物入侵太空或其它星球，在發(fā)射前，地面探測器會做一次徹底的消毒，然后保存在生物屏蔽室中。
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隔離艙中三位阿波羅11號的宇航員
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地面探測器在無菌車間組裝，隨后存放于生物屏蔽室中。在生物屏蔽室，能夠有效防止生物污染。
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美國國家宇航局（NASA）的科學(xué)家們在空間探測任務(wù)中也會盡量確保在太空中的航天器不會觸碰到可能存在生命的星球。2003年，美國“伽利略號”探測器結(jié)束了14年的探索生涯。因燃料即將消耗殆盡，探測器無法逃離木星引力，科學(xué)家計(jì)算軌道后發(fā)現(xiàn)，如果任由航天器在失控狀態(tài)下飛行，將有很大可能撞上木星的衛(wèi)星歐羅巴。根據(jù)“伽利略號”的探測以及哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，木衛(wèi)二歐羅巴是一顆有著廣袤海洋的星球，這顆衛(wèi)星厚厚的冰蓋下，可能孕育著早期的生命形式。因此木衛(wèi)二一直以來被學(xué)界認(rèn)為是太陽系中最有可能孕育生命的地方，甚至在那層厚重的冰蓋下已經(jīng)孕育了外星生物。因此，美國國家宇航局（NASA）的工程師們控制“伽利略號”在用盡最后燃料前調(diào)整了軌道墜入了木星大氣中，從而保留了人類探索地外文明的希望。三年后類似的事件再一次重演，美國國家宇航局（NASA）的工程師們再次控制“卡西尼號”在不污染土星衛(wèi)星的情況下墜入土星的大氣中。同時(shí)這一壯舉為人類揭開了土星環(huán)的神秘面紗提供了寶貴的土星大氣數(shù)據(jù)。
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2019年4月11日，以色列的“創(chuàng)世紀(jì)”月球著陸器在執(zhí)行任務(wù)時(shí)因發(fā)動機(jī)故障墜毀在月球表面。而航天器上剛好攜帶了一批用于實(shí)驗(yàn)的水熊蟲。（它們是已知的唯一一種能在太空真空環(huán)境生存下來的動物。）這群“地表最強(qiáng)生物”就此在月球安了家。不知道它們在極端的月面環(huán)境和宇宙射線中能否殖民月球。
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地球最強(qiáng)生物水熊蟲
然而，科學(xué)家擔(dān)心的還不單是地球微生物可能污染外星環(huán)境這么簡單。在微重力等太空特殊環(huán)境下，微生物的變異速度可能會加速，從而表現(xiàn)出地球上尚未演變出的特征，最終成為“太空超級細(xì)菌”。而這對于太空中的空間站本身以及執(zhí)行任務(wù)的宇航員來說，則是一個(gè)巨大的威脅。為了解決這一問題，科學(xué)家們在地球上的實(shí)驗(yàn)室中模擬微重力環(huán)境下細(xì)菌特性，從而更好地預(yù)防超級細(xì)菌的出現(xiàn)。2014年，為了更好的與地球上的對照組進(jìn)行比對，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）被送往了國際空間站的實(shí)驗(yàn)室中。
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北森蒂納爾島面積只有約60平方公里，相當(dāng)于紐約曼哈頓
當(dāng)我們把目光聚焦在位于印度洋孟加拉灣的一個(gè)叫做北森蒂納爾島(North Sentinel Island)的小島上時(shí)，我們似乎看到了我們的過去。生存在這個(gè)小島上的森蒂納爾人(Sentinelese)部落，一直過著與世隔絕的原始生活。他們拒絕與外界接觸，只要有外人接近該島便有喪命的危險(xiǎn)。而他們，也面臨著外界傳染病的潛在威脅。
過去，古人曾望洋興嘆自己的渺小。今天，面對著廣袤未知的宇宙，我們又何嘗不是另一個(gè)印第安人或森蒂納爾人呢？
寄蜉蝣于天地，渺滄海之一粟。哀吾生之須臾，羨長江之無窮。
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