火星表面航天器着陆后细菌芽孢的扩散不太可能污染后续生命探测样品

《International Journal of Astrobiology》：Dispersal of bacterial spores away from spacecraft on the Martian surface is unlikely to contaminate subsequent life-detection samples

　　

减轻火星着陆航天器附近的向前污染（forward contamination）是未来生命探测实验的重要关切。研究人员对单个扩散事件中细菌细胞或芽孢（以下称芽孢）的扩散进行了建模，该事件发生在着陆时，将100个可存活芽孢注入100 m高度，随后芽孢羽流在无风或多风情景下沉降。在单个扩散事件之后，假定所有芽孢在扩散期间、在地表驻留期间以及最终采集风化层或岩石样品的全过程中均保持可存活。扩散后回收到一个可存活芽孢的最高风险位于半径为10 m的圆内，无风情景下其概率（P）接近≤ 1 × 10?3。若芽孢以1 m/s的风速被扬起，回收到一个芽孢的P值在20 m处为1 × 10?5，在500 m下风向处为5 × 10?8。当风速增至10 m/s时，扩散锥在下风向延伸超过7000 m，其长宽比显著变窄。在10 m/s风速下，于7000 m处回收到一个可存活芽孢的P接近≤ 1 × 10?9。若探测器着陆且其行进路线与下风向芽孢扩散羽流正交，则P = 0，除非探测器机械臂采样振动可能产生二次扩散事件。结果表明，扩散芽孢导致生命探测实验出现假阳性的风险非常低。

一、研究背景与问题

火星表面生命探测实验中的假阳性（false positive）结果至少受五个条件影响：发射前降低生物载荷的行星保护（planetary protection, PP）规程；行星际空间运输过程中的杀生效应；着陆后火星表面的杀生条件；风成过程（aeolian processes）导致的航天器表面可存活芽孢扩散；以及回收到扩散至局部地形的可存活航天器微生物群的概率。尽管近期关于行星际空间和火星表面着陆后致死性的研究提示常见航天器微生物群的存活率极低，但部分可存活芽孢或细胞仍可能被扩散至着陆航天器紧邻或下风向的地形上。在火星所有致死因素中，UVC辐照仍是最主要的参数。本研究旨在建立一阶概率模型，用于描述火星航天器在进入、下降与着陆（entry, descent and landing, EDL）剖面的无风或风驱动情景下的芽孢扩散。

二、研究方法与技术路线

研究人员构建了两个芽孢扩散模型。第一个情景针对采用主动下降发动机着陆的非移动着陆器在无风条件下的扩散，扩散可能源于航天器振动效应、静电排斥、下降发动机尾气对暴露生物载荷的直接作用或盐跃（saltation）导致的芽孢移除。第二个情景针对巡视器着陆系统，其产生的垂直芽孢羽流达到100 m高度，并在1至10 m/s的单向气流中被携带至下风向。研究未假定航天器上甲板的具体生物载荷（多样性和丰度），但假定每次着陆事件至少扩散100个芽孢；行星保护Category IVb火星航天器的标准规程将发射表面总生物载荷限制在<300芽孢/m²。假定风化层采样装置在任务后期部署，从扩散锥内2.01 cm²区域（相当于好奇号巡视器钻头采样面积）铲取风化层或岩石样品，并假定扩散芽孢在采样事件前保持可存活。研究使用MATLAB（版本R2024，MathWorks，Natick，MA，USA）生成数据。

三、研究结果

1. 1.
   固定着陆器的芽孢扩散

释放的芽孢假定从航天器径向散开，最终静止于具有最小和最大半径的环带内。芽孢浓度及回收到单个芽孢的概率随距离减小，因为距着陆器越远，每个增量距离对应的圆面积越大。最小扩散半径R_MIN假定为1 m，最大扩散半径R_MAX来自火星盐跃模拟（典型颗粒路径延伸20至120 m），保守选取10 m和100 m作为两个模型的最大半径。在10 m半径采样区，最大P约为3.5 × 10^?4（0.035%），位于航天器邻近处，至10 m处降至≤ 3.5 × 10^?5（0.0035%）。在100 m半径采样圆，紧邻航天器处P约为3.0 × 10^?5（0.0030%），至采样区边缘降至P ≤ 3.2 × 10^?7（0.000032%）。概率随采样远离着陆点而快速下降。

1. 2.
   巡视器着陆情景的芽孢扩散

风成羽流情景下，正交于风向采样时概率基本为零。沿风向，1 m/s风速下P在10 m处≤ 7.2 × 10^?6，100 m处≤ 3.2 × 10^?7，200 m处≤ 1.0 × 10^?7，900 m处≤ 3.0 × 10^?10。10 m/s风速下高概率区域更窄但更长，100 m下风向P ≤ 1.1 × 10^?6，200 m处≤ 3.5 × 10^?7，500 m处≤ 8.1 × 10^?8，1000 m处≤ 2.8 × 10^?8。1.0 m/s风速下扩散锥仅延伸900 m长、200 m宽；10 m/s风速下扩散锥可延伸至7000 m下风向且宽度相同，主要沉降不发生在着陆航天器紧邻处，而约始于下风向20 m处。若采样面积大于2.01 cm²，概率按新采样器面积与2.01 cm²之比线性增加；好奇号采样铲横截面积为31.5 cm²（4.5 cm × 7 cm），会使P增加15.7倍，但前提是100%风化层被送入生命探测实验。

四、讨论与结论

研究考虑了两个着陆火星航天器的芽孢扩散情景：无风情景下具有2 m机械臂采集风化层样品的固定着陆器，以及1和10 m/s两种风情景下具有2 m机械臂采样的移动巡视器；风被假定为单向且无波动。若新模型显示扩散芽孢载荷低于或高于本文模拟的100个，P值将按新假定线性变化。最大风险出现在着陆后立即、距飞行器10 m以内；若2 m机械臂在最初几个火星日内快速部署，风险可高达千分之一（P ≤ 1 × 10^?3），与Mars 2020巡视器周围污染的生物载荷传输模型（P ≤ 4.2 × 10^?3）接近。所有巡视器情景中，最大风险是行进路线起始并持续处于芽孢扩散圆或锥内；无风情景下距着陆点仅数十米后P即快速接近≤1 × 10^?6；即使行进路线完全处于扩散锥内，数百米后P也迅速降至≤1 × 10^?7。正交于下风向扩散锥的采样基本P = 0，除非采样事件中又有新芽孢被扬起。本研究模型假设非常宽松，假定全部100个可存活芽孢在EDL、扩散、地表驻留和样品采集全过程保持可存活；若与近期发表的火星微生物存活（Mars Microbial Survival, MMS）模型结合，可构建更现实的情景，提示存活率可能低数个数量级。MMS模型预测，晴朗天空条件下火星上1个火星日内，着陆航天器上甲板或风化层表面无屏蔽区域可能出现大于12个数量级的杀生活性，其杀生因素包括UVC辐照（190至280 nm）、温度、低压和火星风化层的杀生性质。砂粒盐跃冲刷着陆支架、车轮等下侧硬件的情景值得进一步研究，盐跃砂粒可有效喷砂着陆器下部结构，导致航天器表面芽孢的移除和失活。综上，若假定EDL活动中100个芽孢被扬起并扩散远离着陆器、且所有芽孢在扩散和采样过程中保持可存活，则回收到一个可存活芽孢的P预测值在固定着陆器或巡视器数米范围内最高；考虑下风向扩散时，最高P值出现在航天器邻近地形，并向下风向快速下降；高风速情景下扩散锥内数百至数千米之外P值最低，下风向500 m以外接近≤10^?7至10^?8，5000 m以外10 m/s风速下接近≤10^?9。结果表明，即使在乐观的芽孢扩散和存活情景下并考虑更大采样铲尺寸，生命探测实验出现假阳性的风险也非常低，若将火星表面杀生因素与本文扩散P值结合，风险可能接近零。