徐侃彥，馬玲玲，印紅，張秦，鄒樂(lè)洋

（1.航天神舟生物科技集團(tuán)有限公司，北京 100190；2.北京市空間生物工程技術(shù)研究中心，北京 100190；3.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司空間生物工程研究中心，北京100190；4.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100086）

1 背景介紹

1.1 火星探索的歷史和計(jì)劃

人類向深空探索的步伐永無(wú)停歇，火星作為距離地球最近的兩個(gè)行星之一，是最有可能存在地外生命的星球之一，長(zhǎng)期以來(lái)一直是國(guó)際航天界和宇宙生物學(xué)界的重點(diǎn)研究對(duì)象。無(wú)人火星探索起始于20世紀(jì)60年代，美國(guó)的“海盜號(hào)”（Viking）在1975年首次實(shí)現(xiàn)了在火星表面的著陸和地外生命探索，成為火星探索的第一個(gè)高峰[1]。從20世紀(jì)90年代開始，美國(guó)陸續(xù)發(fā)射了“火星探路者號(hào)”（Mars Pathfinder）、“勇氣號(hào)”（Spirit）、“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）、“鳳凰號(hào)”（Phoenix）以及“好奇號(hào)”（Curiosity）著陸器，對(duì)火星環(huán)境進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，無(wú)人火星探索進(jìn)入了第二個(gè)高峰期。

大量的無(wú)人探索研究使人類對(duì)火星的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，載人航天技術(shù)的進(jìn)步也為載人火星探索創(chuàng)造了條件。2004年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）開始制定載人火星探索計(jì)劃，根據(jù)NASA深空探索發(fā)展路線圖，如果進(jìn)展順利，2033年將開展首次載人火星探索任務(wù)[2]。而歐洲空間局（European Space Agency，ESA）也計(jì)劃在2033年左右實(shí)施載人火星探索[3]。

1.2 行星保護(hù)的定義和法理依據(jù)

“行星保護(hù)”是指在深空探測(cè)過(guò)程中，為避免地球生物污染其它星球，以及保護(hù)地球免遭其它星球的生物侵襲所采取的行為[4]。行星保護(hù)包括正向污染防護(hù)和逆向污染防護(hù)，其中正向污染防護(hù)指的是避免地球物質(zhì)通過(guò)航天器被帶到地外天體上，從而干擾地外天體生命探索的進(jìn)行，甚至污染地外天體的生物進(jìn)化或生物圈的行為。逆向污染防護(hù)指的是避免探測(cè)地外天體的航天器返回后帶回其它天體物質(zhì)，對(duì)地球生物圈帶來(lái)未知的生物風(fēng)險(xiǎn)的行為。

行星保護(hù)是國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的行為準(zhǔn)則，1967年生效的《外太空條約》的第九條中寫道：“開展包括對(duì)月球和其它行星在內(nèi)的外太空研究和探索時(shí)，要避免對(duì)這些星球產(chǎn)生有害的污染，也要避免地球外的物質(zhì)導(dǎo)致地球環(huán)境產(chǎn)生有害變化，在必要時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┻_(dá)到上述目的”[5]。1967年成立的空間研究委員會(huì)（Committee for Space Research，COSPAR）是行星保護(hù)的主要管理機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)制定行星保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，世界各航天大國(guó)在以往開展深空探索的過(guò)程中，均嚴(yán)格遵照COSPAR的要求執(zhí)行了行星保護(hù)。

2 載人深空探索的行星保護(hù)

2.1 載人深空探索對(duì)行星保護(hù)的挑戰(zhàn)

載人深空探索對(duì)行星保護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)，載人深空探索的行星保護(hù)所面臨的主要問(wèn)題是：①航天員是大量微生物的攜帶者，因此會(huì)對(duì)正向污染防護(hù)造成遠(yuǎn)大于無(wú)人深空探索的壓力；②航天員及其所在飛船作為地球生物圈的延伸，不可避免的會(huì)與地外星球物質(zhì)接觸，從而使逆向污染防護(hù)的難度大大增加；③逆向污染防護(hù)與航天員健康的關(guān)系密切，航天員健康防護(hù)成為載人深空探索行星保護(hù)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象[6]；④載人探索任務(wù)周期長(zhǎng)，行星保護(hù)技術(shù)需要減少對(duì)地面支持的依賴。盡管面對(duì)這些問(wèn)題，COSPAR認(rèn)為不能放松載人深空探索任務(wù)中對(duì)行星保護(hù)的要求，載人深空探索擁有無(wú)人深空探索所無(wú)法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但這一優(yōu)勢(shì)發(fā)揮的前提是必須控制所有和人類相關(guān)的污染[7]。

2.2 載人深空探索行星保護(hù)的實(shí)例——“阿波羅計(jì)劃”

目前人類唯一的載人深空探索實(shí)例是美國(guó)的“阿波羅登月計(jì)劃”，因此可以“阿波羅計(jì)劃”中采取的行星保護(hù)措施為參考，探討未來(lái)載人火星探索所應(yīng)該采取的行星保護(hù)技術(shù)和實(shí)施方法。

美國(guó)在“阿波羅登月計(jì)劃”啟動(dòng)之初，就開展了行星保護(hù)方面的論證工作。NASA對(duì)返回地球的航天員和樣品制定了極為嚴(yán)格的行星保護(hù)逆向防護(hù)措施，其中既包括對(duì)月球樣品的防護(hù)，也包括對(duì)接觸月球環(huán)境的航天員的防護(hù)。為此，美國(guó)建造了一座8 000 m2的月球樣品回收實(shí)驗(yàn)室（Lunar Receiving Laboratory，LRL），負(fù)責(zé)對(duì)航天員和月球樣品進(jìn)行隔離和分析處理[8]?！鞍⒉_計(jì)劃”行星保護(hù)的主要措施包括：

1）由航天員在返回地球途中對(duì)艙內(nèi)沾染的月球灰塵進(jìn)行清潔和過(guò)濾。

2）著陸回收后航天員第一時(shí)間穿上生物隔離服，并和月球樣品儲(chǔ)存容器一起進(jìn)入移動(dòng)隔離艙。

3）月球樣品儲(chǔ)存容器在滅菌處理后空運(yùn)到LRL，并在真空分析室中進(jìn)行分析處理，直到確定不具有生物風(fēng)險(xiǎn)才被解除隔離。

4）航天員隨移動(dòng)隔離艙一起運(yùn)往LRL，并在LRL的隔離室進(jìn)行觀察和醫(yī)護(hù)，直至21天的隔離期結(jié)束。

5）對(duì)返回艙以及所有在回收過(guò)程中可能接觸月球物質(zhì)的設(shè)備和表面，均作了消毒滅菌處理。

美國(guó)在“阿波羅登月計(jì)劃”實(shí)施過(guò)程中所采用的行星保護(hù)措施，為載人深空探索的行星保護(hù)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。然而，由于月球和火星的環(huán)境差異較大，且地月之間距離遠(yuǎn)比地火距離近，因此“阿波羅計(jì)劃”所采用的許多行星保護(hù)技術(shù)并不完全適用于載人火星探索的行星保護(hù)。

2.3 載人火星探索行星保護(hù)的原則和政策文件

國(guó)際宇航界在啟動(dòng)載人火星探索論證的同時(shí)，就開始討論載人火星探索中的行星保護(hù)，COSPAR于21世紀(jì)初在載人深空探索行星保護(hù)的原則和指導(dǎo)方面達(dá)成了國(guó)際共識(shí)[4,7,9]，主要的行星保護(hù)原則包括：

1）保護(hù)地球不被逆向污染是火星探索行星保護(hù)的最優(yōu)先目標(biāo)。

2）只有在與人相關(guān)的污染能被控制和理解的前提下，人類的能力才能在火星宇宙生物學(xué)的探索中發(fā)揮正面作用。

3）對(duì)于一個(gè)涉及火星表面操作的著陸任務(wù)，將所有與人相關(guān)的任務(wù)操作行為限制在完全閉合系統(tǒng)是不可能實(shí)現(xiàn)的。

4）探索火星的航天員和他們的支持系統(tǒng)將不可避免的暴露于火星物質(zhì)與環(huán)境中。

根據(jù)這些原則，COSPAR提出了載人火星任務(wù)的行星保護(hù)指導(dǎo)意見，這些意見進(jìn)一步成為COSPAR以及NASA等機(jī)構(gòu)后續(xù)制定載人深空探索行星保護(hù)政策、需求和實(shí)施文件的基礎(chǔ)[4]。

NASA根據(jù)COSPAR的指導(dǎo)意見，于2012年開始制定有關(guān)載人深空探索的行星保護(hù)政策，最終在2014年5月發(fā)布了關(guān)于載人深空探索行星保護(hù)的政策文件——NPI8020.7。該文件對(duì)進(jìn)一步制定載人深空探索行星保護(hù)具體執(zhí)行文件所必須開展的理論研究和技術(shù)開發(fā)提出了建議[10]。

3 載人火星探索的行星保護(hù)策略

針對(duì)載人火星探索的行星保護(hù)策略，國(guó)際宇航界從21世紀(jì)初開始召開了多次研討會(huì)，對(duì)載人火星探索產(chǎn)生的主要污染物、污染途徑、相應(yīng)的污染防護(hù)策略以及需要開展的技術(shù)研發(fā)工作進(jìn)行了深入的探討[11-15]。載人火星探索行星保護(hù)的主要關(guān)注領(lǐng)域包括3個(gè)方面：①保護(hù)火星和火星樣品不受正向污染影響，即“保護(hù)火星和科學(xué)”；②保護(hù)航天員健康免遭火星環(huán)境的威脅，即“保護(hù)人類健康”；③保護(hù)地球免遭火星有害污染的逆向污染防護(hù)，即“保護(hù)地球”[11]。

3.1 主要污染物

3.1.1 正向污染物

載人火星探測(cè)的正向污染物主要來(lái)自發(fā)射后，航天員在地火轉(zhuǎn)移和火星表面活動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生的可能對(duì)火星生態(tài)環(huán)境造成污染的物質(zhì)，包括：

1）航天員

人類是大量微生物的載體，航天員的活動(dòng)會(huì)對(duì)艙內(nèi)表面和設(shè)備造成污染，呼吸排出的微生物會(huì)污染居住艙的空氣，代謝活動(dòng)和日常生活會(huì)產(chǎn)生含有大量微生物的廢物。因此，航天員是載人火星探索絕大多數(shù)正向污染物的來(lái)源[16-19]。

2）人類生命保障系統(tǒng)廢物

生命保障系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生各種類型的廢物，包括：人類固體廢物、食物殘?jiān)?、種植物的不可食部分、包裝物、醫(yī)學(xué)廢物、布和紙張、濾膜以及各種氣體等；此外，生命保障系統(tǒng)更換下來(lái)的組件也是廢物的重要來(lái)源[20]。這些廢物如果不能有效處理，將成為火星表面主要的微生物和有機(jī)物污染的來(lái)源。

3）科學(xué)應(yīng)用載荷和廢物

在火星表面開展包括地外生命探索在內(nèi)的各種科學(xué)研究所使用的裝置和產(chǎn)生的廢棄物也會(huì)對(duì)火星造成污染。尤其是從事火星樣品采集和原位資源利用的裝置和工具，由于接觸火星特殊區(qū)域[21]（“地球生命有可能繁殖或火星生命存在可能很高的區(qū)域”）的可能性較大，因此是火星探索行星保護(hù)的重要污染源之一。

4）熱/動(dòng)力系統(tǒng)的廢物

火星基地和巡游車的熱控/動(dòng)力系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生不同類型的廢物，包括散熱器、熱交換液體、太陽(yáng)能陣列和核廢物等。一些系統(tǒng)會(huì)釋放大量的廢熱，會(huì)破壞當(dāng)?shù)氐木植凯h(huán)境/生態(tài)（例如：融化表面冰層），從而人為創(chuàng)造一個(gè)局部的特殊區(qū)域，為地球微生物的生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了條件[22]。

5）其它

載人火星探索任務(wù)結(jié)束后會(huì)在火星表面遺留大量的廢棄裝置和設(shè)備。廢棄不用的巡游車和火星艙外活動(dòng)用的航天服，甚至使用完畢的火星基地，都可能成為正向污染物的來(lái)源。

3.1.2 逆向污染物

載人火星探索的逆向污染物是指火星上的生命體以及可作為潛在的火星生命載體的任何火星固體或液體物質(zhì)。這類污染物一旦在不受控制的條件下進(jìn)入地球環(huán)境，將具有危害人類健康和安全，甚至危害地球生態(tài)系統(tǒng)的潛力[23-24]。

返回地球的飛船的設(shè)備、內(nèi)表面、攜帶火星返回樣品的容器以及接觸過(guò)火星環(huán)境的航天員，都可能是逆向污染物的載體，其中航天員或其它生物系統(tǒng)（例如：受控生保系統(tǒng)中的植物、生物處理廢物系統(tǒng)中的活性污泥等）還可能作為火星生命體的食物來(lái)源，從而使污染放大。

3.2 污染途徑

3.2.1 正向污染途徑

1）火星表面的廢物處理

雖然將廢棄物儲(chǔ)存或丟棄在火星表面時(shí)都會(huì)采取隔離措施，但任何隔離容器最終都會(huì)失效，一旦隔離容器失效，廢棄物就會(huì)被釋放并污染火星環(huán)境，火星大氣的流動(dòng)可以進(jìn)一步擴(kuò)大污染的范圍。地下掩埋的方法雖然可以限制空氣傳播，但同時(shí)也產(chǎn)生了兩個(gè)不利因素：①屏蔽了火星表面強(qiáng)輻射的滅菌效應(yīng)；②增加了廢棄物接觸火星亞表面生態(tài)系統(tǒng)的可能。由此可見，對(duì)于火星上的廢物處理必須設(shè)立嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和操作準(zhǔn)則，包括：是否允許在火星表面儲(chǔ)存/丟棄廢物，需要采取什么級(jí)別的隔離措施，隔離措施的有效時(shí)間，對(duì)需要儲(chǔ)存/丟棄的廢棄物狀態(tài)的要求等[20]。

2）居住地和其它艙室容器的氣體泄漏

火星基地、巡游車等工具內(nèi)部和火星環(huán)境之間存在壓力差，由于艙室的氣密性技術(shù)的限制，會(huì)存在氣體泄漏的問(wèn)題；此外，在人員或設(shè)備進(jìn)/出艙室的過(guò)程中，以及出于安全原因所進(jìn)行的壓力釋放操作，或發(fā)生氣體或液體管道破裂或其它事故時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生氣體泄漏。氣體泄漏會(huì)導(dǎo)致大量艙內(nèi)污染物直接釋放到火星大氣，對(duì)火星環(huán)境造成污染，因此在設(shè)計(jì)和建造火星居住基地和巡游車時(shí)需要盡量減少氣體的泄漏[25]。

3）艙外活動(dòng)

航天員在火星表面的艙外活動(dòng)行為是正向污染的又一個(gè)重要途徑，艙外活動(dòng)所使用的設(shè)備可能會(huì)攜帶污染物，加壓的航天服和居住艙一樣也會(huì)有氣體泄漏，而航天員在艙外活動(dòng)期間會(huì)污染航天服的內(nèi)部空間，這些污染物會(huì)隨著航天服氣體的泄漏排放到火星環(huán)境中[26-27]。

3.2.2 逆向污染途徑

任何與火星特殊區(qū)域接觸的操作都可能導(dǎo)致逆向污染，其中航天員所參與的活動(dòng)、火星樣品采集和原位資源利用造成的污染風(fēng)險(xiǎn)最大。主要的逆向污染途徑包括：人員進(jìn)出火星基地過(guò)程，火星樣品采集和進(jìn)/出基地的過(guò)程，火星資源（例如火星土壤中的水）獲取和利用的過(guò)程，以及火星上升器和返回飛船對(duì)接過(guò)程等。進(jìn)入居住地的逆向污染物根據(jù)狀態(tài)的不同可以通過(guò)諸如空氣粒子傳播、接觸轉(zhuǎn)移（例如樣品處理、多表面接觸）以及基地內(nèi)部運(yùn)輸系統(tǒng)（例如水管、過(guò)濾膜）等不同方式傳播，火星基地和返回地球的飛船內(nèi)部的生命保障系統(tǒng)也有助于逆向污染物在艙內(nèi)的擴(kuò)散[25]。

3.3 主要防護(hù)策略

載人深空探索的行星保護(hù)包括3個(gè)要點(diǎn)：①正向污染防護(hù)；②逆向污染防護(hù)；③航天員健康和安全的防護(hù)。載人火星探索的行星保護(hù)和航天員的健康和安全是密切相關(guān)的。

載人火星探索行星保護(hù)的主要工作從發(fā)射后才開始，覆蓋地火轉(zhuǎn)移過(guò)程、火星表面活動(dòng)、返回地球過(guò)程，直至著陸后的隔離檢疫結(jié)束，是一個(gè)長(zhǎng)期、復(fù)雜的過(guò)程。其中主要的防控策略包括如下幾點(diǎn)。

3.3.1 對(duì)火星表面的分區(qū)

根據(jù)火星環(huán)境的不同，對(duì)火星表面進(jìn)行分區(qū)，即將載人火星探索可能接觸到的火星環(huán)境劃分為“安全區(qū)”“未知區(qū)”和“風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”，并將人類活動(dòng)的區(qū)域限制在“安全區(qū)”。對(duì)于后兩個(gè)區(qū)域的探索，可通過(guò)自動(dòng)化或可遠(yuǎn)程遙控的無(wú)人工具進(jìn)行，這樣既可以降低對(duì)火星環(huán)境的正向污染，又最大程度的避免了航天員與火星環(huán)境或樣品的直接接觸[28-30]。

為了對(duì)火星表面進(jìn)行正確分區(qū)，首先需要加深對(duì)火星環(huán)境的認(rèn)識(shí)，NASA自20世紀(jì)90年代重啟火星探索計(jì)劃以來(lái)，就利用大量的軌道探索器和著陸器，對(duì)火星大氣和表面環(huán)境進(jìn)行了深入的研究，其中“鳳凰號(hào)”“好奇號(hào)”等著陸器對(duì)火星表面水冰和液態(tài)水存在證據(jù)的研究結(jié)果，為未來(lái)載人火星探索的選址和火星特殊區(qū)域的劃分奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[31-32]。此外，對(duì)地球生物生存環(huán)境極限的研究也有助于火星區(qū)域的劃分，研究發(fā)現(xiàn)：一些嗜極生物可以在地球上任何類似火星環(huán)境的地區(qū)生長(zhǎng)[33]，也能夠在實(shí)驗(yàn)室模擬火星環(huán)境條件下存活[34-35]，甚至能在一定的防護(hù)下存活于空間暴露環(huán)境[36-37]。上述研究加深了宇宙生物學(xué)對(duì)生命生存極限的認(rèn)識(shí)，同時(shí)為火星表面和亞表面特殊區(qū)域的劃分提供了理論依據(jù)。

3.3.2 微生物原位檢測(cè)

對(duì)“未知區(qū)”和“風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”中具有特殊科學(xué)價(jià)值位點(diǎn)的探索需要由無(wú)人探索器進(jìn)行，包括在火星表面/亞表面進(jìn)行采樣的采樣機(jī)器人。由于需要接觸火星的“特殊區(qū)域”，這些無(wú)人探索器需要滿足無(wú)人探索IVc類任務(wù)的行星保護(hù)要求，即探索工具所包含的微生物總量不能超過(guò)30個(gè)芽孢[38]。為此，需要開發(fā)可在火星表面操作的原位檢測(cè)技術(shù)，其中拉曼光譜技術(shù)[39-40]、生物檢測(cè)芯片[41]以及納米孔測(cè)序技術(shù)[42]等先進(jìn)的快速生物檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在阿卡塔馬沙漠等地球表面類似火星環(huán)境的生命探索中得到了使用，未來(lái)可以利用月球進(jìn)行原位生物檢測(cè)技術(shù)的技術(shù)驗(yàn)證，為載人火星探索創(chuàng)造條件[43-44]。

3.3.3 生物風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)和預(yù)警技術(shù)

載人火星探索器和火星基地由于距離地球較遠(yuǎn)，難以靠地面專家的協(xié)助進(jìn)行艙內(nèi)微生物的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，因此需要建立一套能獨(dú)立對(duì)艙內(nèi)微生物風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行快速檢測(cè)和評(píng)估，并具備區(qū)分地球微生物和潛在火星生物能力的檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，以滿足實(shí)時(shí)、實(shí)地監(jiān)測(cè)和預(yù)警需求。為此，國(guó)外航天強(qiáng)國(guó)利用地面模擬火星基地[45]和國(guó)際空間站[46-48]試驗(yàn)了一系列微生物快速檢測(cè)技術(shù)和裝置，同時(shí)還加強(qiáng)了對(duì)火星生命探索技術(shù)的研究[49-50]。

3.3.4 降低微生物和有機(jī)物負(fù)荷的技術(shù)

1）微生物清除

載人火星探索的不同階段所采用的微生物清除手段各不相同，其中在飛船發(fā)射前，通過(guò)在潔凈廠房環(huán)境進(jìn)行裝配和測(cè)試，可以清除環(huán)境中大多數(shù)微生物，從而有效降低飛船的微生物水平，對(duì)于艙內(nèi)的一些通用設(shè)備和科學(xué)載荷，需要開發(fā)不影響材料和設(shè)備功能的微生物清除技術(shù)。在載人火星探索的空間飛行過(guò)程中，微生物清除的對(duì)象主要是人類活動(dòng)所產(chǎn)生的微生物。其中礦化處理是有效的廢棄物處理手段，它一方面能殺滅廢棄物中的微生物，另一方面還可以消除可被生物體利用的營(yíng)養(yǎng)物，同時(shí)還可以有效降低廢物的體積[51]。對(duì)于飛船艙內(nèi)環(huán)境的微生物，可以利用現(xiàn)有的空間站微生物清除技術(shù)，并在空間站對(duì)新技術(shù)進(jìn)行試用和驗(yàn)證。對(duì)于火星表面活動(dòng)期間從事生命探索活動(dòng)或在特殊區(qū)域操作的艙外設(shè)備，由于需要滿足行星保護(hù)IVb和IVc類的要求，需要在建造階段進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌和生物隔離，目前美歐通用的滅菌技術(shù)是干熱滅菌和伽馬射線滅菌。對(duì)于無(wú)法采用上述滅菌技術(shù)的一些緊密設(shè)備，NASA還在積極研究替代性的微生物清除技術(shù)，包括：過(guò)氧化氫蒸汽技術(shù)[52]、低溫等離子體技術(shù)[53-54]、短波長(zhǎng)紫外線滅菌技術(shù)[55]等。此外，還可以利用空間環(huán)境和火星環(huán)境的滅菌效應(yīng)，在空間飛行和火星表面停留期間對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行原位滅菌，這也是NASA火星著陸器所采用的主要滅菌方法之一。地面和空間試驗(yàn)證明，空間和火星環(huán)境能有效殺滅大多數(shù)地球微生物，但對(duì)于芽孢和一些耐輻射微生物的殺滅作用并不能滿足行星保護(hù)的要求[56-58]，因此原位滅菌只能作為行星保護(hù)的輔助滅菌方法[59]。

2）有機(jī)物控制

除了控制微生物，行星保護(hù)正向污染防護(hù)對(duì)于有機(jī)物也有嚴(yán)格的控制要求。有機(jī)物除可以作為生物印記，干擾地外生命探索以外，還是一些地球微生物的食物來(lái)源。對(duì)于載人火星探索任務(wù)的有機(jī)物污染防護(hù)，可以在參考對(duì)火星采樣返回任務(wù)的有機(jī)物污染防護(hù)要求[60]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)提升生命保障系統(tǒng)的物質(zhì)閉合度減少有機(jī)廢物的產(chǎn)生量，同時(shí)利用礦化的處理方法將廢物中的絕大多數(shù)有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物[51]。

3.3.5 廢物處理技術(shù)

1）固體和液體廢物的隔離和處理

對(duì)于從地球到火星的轉(zhuǎn)移期間產(chǎn)生的廢物，可開發(fā)行星際飛行期間的廢物處理技術(shù)，如在地火轉(zhuǎn)移期間向行星際空間拋射廢物。對(duì)于火星表面產(chǎn)生的固體和液體廢物，必須采取嚴(yán)格隔離的措施后才能丟棄到火星環(huán)境，而隔離的標(biāo)準(zhǔn)隨著廢物的狀態(tài)和特性，及丟棄處的火星環(huán)境的不同而有所差異[51]。

2）廢氣的處理和排放

通過(guò)提升火星基地、火星車以及艙外航天服的生命保障系統(tǒng)的氣密性，可以減少向火星環(huán)境排放/泄漏的氣體，如果必須要向火星環(huán)境排放氣體，需要開發(fā)相應(yīng)的處理技術(shù)，例如：通過(guò)先進(jìn)的空氣過(guò)濾處理系統(tǒng)捕獲空氣中的微生物和顆粒物，去除可能干擾地外生命探索的特定氣體成分[13]。相關(guān)技術(shù)的地基試驗(yàn)可以在地球上類似火星環(huán)境的地區(qū)，利用模擬的火星車或航天服進(jìn)行[16,27]。此外，由于航天員出入艙操作是最容易產(chǎn)生氣體泄漏的操作之一，國(guó)外有專家提出利用系統(tǒng)工程的方法，優(yōu)化航天員出入艙的過(guò)程，對(duì)每一個(gè)出入艙相關(guān)的細(xì)節(jié)操作進(jìn)行分解，并制定相應(yīng)的防止氣體泄漏的措施[61]。

3.3.6 逆向污染防護(hù)

1）切斷與火星的接觸鏈

逆向污染防護(hù)的關(guān)鍵是切斷地球與火星的接觸鏈[24,62]。盡量避免接觸過(guò)火星環(huán)境的設(shè)備和物品進(jìn)入火星基地和返回地球，可將它們留在火星上，或在進(jìn)入地球之前拋射到行星際空間。

2）艙外活動(dòng)

包括航天服在內(nèi)的所有艙外活動(dòng)所涉及的設(shè)備和工具應(yīng)與居住艙隔離，航天服更換應(yīng)在一個(gè)隔離的空間進(jìn)行，艙外活動(dòng)用的設(shè)備工具可以儲(chǔ)存在居住艙外，同時(shí)對(duì)于艙外活動(dòng)完畢的航天員，在進(jìn)入居住艙前還應(yīng)進(jìn)行必要的清洗消毒[62]。

3）處理火星污染物

鑒于目前火星基地或飛船的隔離技術(shù)難以完全避免火星污染物進(jìn)入，因此生命保障系統(tǒng)應(yīng)具備一定控制和清除火星污染物的能力，其中可利用空氣處理系統(tǒng)去除艙室空氣中的火星塵?；蛄Ｗ?；水回收系統(tǒng)處理水，以防航天員通過(guò)飲水將火星污染物引入體內(nèi)；廢物處理系統(tǒng)可負(fù)責(zé)處理可能被火星物質(zhì)污染的物質(zhì)；同時(shí)，食物生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)負(fù)責(zé)防止人類食物和農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)艙室的污染。此外，還需要開發(fā)針對(duì)潛在火星生物的消毒和滅菌技術(shù)，用于對(duì)接觸過(guò)火星物質(zhì)的設(shè)備、樣品、航天服等的清潔和污染危機(jī)處理[63]。

4）原位資源利用和農(nóng)作物種植

火星原位資源利用（包括利用火星土壤進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植）是航天員在火星表面長(zhǎng)期駐留的前提條件，但也是最容易引發(fā)逆向污染的操作，對(duì)于將要被人類利用的火星資源，以及農(nóng)業(yè)種植所需要的火星物質(zhì)，必須采取嚴(yán)格的檢測(cè)和滅菌措施消除潛在的火星生物威脅，從事原位資源利用和農(nóng)業(yè)種植的艙室也應(yīng)該和人類居住艙隔離[64]。

3.3.7 返回地球途中的隔離技術(shù)

1）對(duì)火星樣品的隔離

開發(fā)可以覆蓋從火星樣品收集、原位分析、儲(chǔ)存到回收全過(guò)程的隔離技術(shù)，對(duì)火星樣品的隔離措施必須要等到確定樣品沒(méi)有生物風(fēng)險(xiǎn)之后才能解除。由于火星返回地球所需的時(shí)間較長(zhǎng)，為確保航天員健康和安全，可以考慮將樣品隔離容器儲(chǔ)存在返回飛船的居住艙以外，儲(chǔ)存容器的設(shè)計(jì)應(yīng)該首先確保樣品的完整性，同時(shí)應(yīng)具備在必要時(shí)將樣品拋離飛船的能力[24,59]。

2）成員的隔離

在任務(wù)執(zhí)行期間，應(yīng)設(shè)置針對(duì)個(gè)別成員的隔離設(shè)備，以應(yīng)對(duì)單個(gè)航天員患病或與火星物質(zhì)接觸而產(chǎn)生健康問(wèn)題的情況，保護(hù)其他成員。飛船返回地面之前，應(yīng)在地面建立人員隔離中心，全體成員在返回地面后必須通過(guò)隔離檢疫程序才能與公眾接觸[65]。

3.3.8 火星生物污染疾病的診斷和治療

需要建立能夠在軌判斷航天員是否被火星微生物感染的診斷系統(tǒng)，以迅速確定是否需要對(duì)生病的航天員進(jìn)行隔離。同時(shí)，需要開發(fā)在有限的地面協(xié)助下，在軌對(duì)火星生物感染引起的疾病的治療技術(shù)和設(shè)備[64,66]。

4 未來(lái)技術(shù)研究方向和建議

由于載人火星探索所涉及的行星保護(hù)技術(shù)的復(fù)雜性，國(guó)際航天界經(jīng)過(guò)多次研討會(huì)的交流，在2016年COSPAR關(guān)于載人火星探索行星保護(hù)的技術(shù)需求研討會(huì)上，從微生物和人類健康檢測(cè)、污染控制、以及污染傳播機(jī)制這3個(gè)方面總結(jié)出20多項(xiàng)與載人火星探索行星保護(hù)相關(guān)的知識(shí)和技術(shù)的不足之處，并從中精煉出4項(xiàng)優(yōu)先度最高的未來(lái)研究方向[64]：

1）火星上地球生物污染的自然傳播。

2）無(wú)人和載人飛行系統(tǒng)上微生物組學(xué)的狀態(tài)和演化。

3）火星環(huán)境因素對(duì)地球微生物生存的影響和殺菌作用。

4）可接受的從人類生命保障系統(tǒng)中釋放到火星環(huán)境的生物和有機(jī)污染的等級(jí)。

針對(duì)這4個(gè)研究方向，研討會(huì)進(jìn)一步提出了未來(lái)載人火星探索行星保護(hù)研究的途徑建議：

1）在至少一個(gè)火星年的周期內(nèi)，對(duì)于計(jì)劃開展載人火星探索的火星表面區(qū)域進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，獲取包括空氣溫度、氣壓、濕度和風(fēng)速、灰塵濃度、大氣柱豐度、灰塵的沉積和腐蝕率在內(nèi)的數(shù)據(jù)，建立并驗(yàn)證污染傳播模型。

2）研究開發(fā)針對(duì)無(wú)人火星飛船（在硬件裝配、測(cè)試和發(fā)射期間在地面進(jìn)行）和載人飛船的微生物群體和組學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)性的監(jiān)測(cè)微生物多樣性和時(shí)間演化，并利用空間站或后續(xù)運(yùn)載工具進(jìn)行在軌試驗(yàn)。

3）利用地面自然和模擬環(huán)境，以及空間暴露試驗(yàn)，研究火星環(huán)境因素的協(xié)同殺菌對(duì)飛船所攜帶微生物的生存和生長(zhǎng)的影響。

4）對(duì)人類生命保障系統(tǒng)（包括航天服、飛船、火星基地等）中釋放的微生物和有機(jī)污染的特性進(jìn)行測(cè)量研究。

這些建議為后續(xù)開發(fā)載人火星探索行星保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)相關(guān)技術(shù)鴻溝指明了方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

火星是繼月球之后人類邁向太空的下一個(gè)重要目標(biāo)。然而，人類登陸火星并建立有人駐留的火星基地必然會(huì)對(duì)火星當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成重大的影響，并對(duì)探索地外生命的科學(xué)行為造成嚴(yán)重威脅；另一方面，火星上的未知生物對(duì)航天員健康及地球生物圈的危害也不容忽視。因此，無(wú)論是從科學(xué)探索角度，還是從人類自身安全角度出發(fā)，行星保護(hù)都是每一個(gè)計(jì)劃開展載人火星探索的國(guó)家必須遵守的行為準(zhǔn)則。

我國(guó)雖然尚未制定載人火星登陸的計(jì)劃，但是作為一個(gè)航天大國(guó)，為了緊跟國(guó)際上載人深空探索的技術(shù)前沿，應(yīng)該在載人火星探索方面進(jìn)行必要的技術(shù)積累，而行星保護(hù)正是載人火星探索的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，在現(xiàn)階段開展載人火星探索行星保護(hù)相關(guān)策略和技術(shù)的研究，對(duì)未來(lái)我國(guó)載人火星探索和其它非地星球探索中確保任務(wù)成功，滿足國(guó)際社會(huì)對(duì)行星保護(hù)的要求，維護(hù)我國(guó)負(fù)責(zé)任的航天大國(guó)的形象具有重要的意義。