Návrh a předletová příprava přístrojů určených pro meziplanetární mise z hlediska ochrany možného života na těchto planetách Ivana Kolmašová

O čem to dnes bude?  trochu historie a kategorizace misí  trochu biologie a pár obrázků bacilů  jeden zajímavý astrobiologický experiment  zcela aktuální informace o biologické čistotě roveru Curiosity  nakonec jedna norma a doporučení pro návrh přístrojů

Trochu historie.... Tvorba pravidel pro ochranu možného života na jiných planetách Sluneční soustavy před biologickou kontaminací a pro ochranu Země před zavlečením mimozemských mikroorganismů spadá pod pravomoce COSPARu (Committee on Space Research). První rezoluce vznikla již v roce 1964, v roce 1983 byla formulována základní doposud platná koncepce, že jakákoliv forma mimozemského života v Sluneční soustavě, jakkoli je jeho existence nepravděpodobná, nesmí být ohrožena našimi vědeckými výzkumy. Zároveň nesmí být život na Zemi ohrožen vzorky mimozemského materiálu, který na svých palubách přivážejí rakety vracející se z meziplanetárních misí.

Kategorizace Podle typu mise a podle složení tělesa Sluneční soustavy se jednotlivé mise dělí do 5 kategorií. Typy misí: družice prolétá okolo planety (flyby)‏ krouží okolo planety (orbiter)‏ přistává na planetě (lander)‏ odebírá a analyzuje vzorky odebírá vzorky a vrací se s nimi na Zem U těles Sluneční soustavy je pro určení kategorie podstatná přítomnost povrchových vod, případně existence podpovrchových oceánů a pravděpodobnost, že se podpovrchové vody dostanou na povrch tělesa.

Kategorie I - jakákoliv mise k tělesům, kde nejsou podmínky pro vznik života - nejsou předepisována žádná opatření, jen standardní osazení letového hardwaru v čistých prostorech - všechny typy misí k asteroidům

Kategorie II - mise k tělesům, kde nás zajímají podmínky pro vznik života, ale kde je velmi malá pravděpodobnost, že by možný život nebo jeho další výzkum byl misí ohrožen - předepsána je pouze pasivní kontrola biologické čistoty, t.j. standardní osazení letového hardwaru v čistých prostorech, čištění isopropylalkoholem, odběr biologických vzorků, dokumentace a převoz letového hardwaru v čistých boxech -Venuše, Měsíc, komety, asteroidy, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun, Ganymed,Titan,Triton, Pluto/Charon, Ceres, (všechny typy misí)‏

Kategorie III -mise (flyby nebo orbiter) k tělesům, kde je vznik života možný a kde by kontaminace v případě neúspěchu mise významným způsobem znehodnotila další biologické experimenty -je nutná analýza nárazu do tělesa v případě ztráty orientace, osazení hardwaru v čistých prostorech, IPA, aktivní redukce biologického znečištění např. aplikace suchého tepla (125 °C), odběr vzorků a převoz v čistém boxu - mise typu flyby, orbiter : Mars, Europa, Enceladus

Kategorie IV -sondy a přistávací moduly k tělesům, kde je vznik života možný a kde by kontaminace významným způsobem ohrozila možný život a znehodnotila další biologické experimenty - analýza pravděpodobnosti kontaminace, osazení letového hardwaru v čistých prostorech, aktivní redukce biologického znečištění sterilizací suchým teplem, případně chemickou sterilizací, odběr vzorků, dokumentace o zacházení s hardwarem po sterilizaci, aby se předešlo rekontaminaci, převoz v čistých boxech - mise typu lander: Mars; Europa

Kategorie V -sondy, které se vracejí se vzorky mimozemského materiálu, jde jednak o ochranu možného života na dané planetě a jednak o ochranu Země před zavlečením mimozemských mikroorganismů - analýza pravděpodobnosti kontaminace, osazení letového hardwaru v čistých prostorech, aktivní redukce biologického znečištění sterilizací suchým teplem, případně chemickou či radiační sterilizací, odběr vzorků, dokumentace o zacházení s hardwarem po sterilizaci, aby se předešlo rekontaminaci, převoz v čistých boxech - jakákoliv mise s návratem vzorků na Zemi

Sterilizace peroxidovými parami  Proces bežně užívaný ve farmaceutickém průmyslu  Pro účely planetární ochrany se přepokládá použití běžného zařízení s opakování sterilizačních cyklů  Vyčerpání sterilizační komory  Vstřikování peroxidových par a dosažení potřebné koncentrace  Byly testovány různé druhy kovů, plastů, lepících pásek, pájecích past, podložek, lepidel, kompozitních materiálů a lubrikantů  Předpokládá se schválení tohoto procesu jako oficiální metody PP příští rok

Sterilizace peroxidovými parami parní generátor STERIS

Počet mikrobů typu X [NXS], které by mohly přežít na povrchu tělesa, závisí na počáteční kontaminaci [NX0] a na různých pravděpodobnostech přežití: NXS = NX0 x F1 x F2 x F3 x F4 x F5 x F6 x F7 F1—Celkový počet buněk odhadnutý z počtu buněk ve vzorku [NX0] F2—Pravděpodobnost,že mikroorganismus přežije aktivní redukci biologického znečištění před startem F3—Pravděpodobnost, že mikroorganismus přežije cestu F4—Pravděpodobnost, že mikroorganismus přežije působení radiace po cestě F5—Pravděpodobnost nárazu do tělesa, včetně pravděpodobnosti chybného manévru rakety nebo družice F6—Pravděpodobnost, že mikroorganismus přežije náraz F7—Pravděpodobnost, že mikroorganismus přežije „pohřbení“ po nárazu Analýza pravděpodobnosti přežití

Přehled typů čistých prostor

- jednotlivá bakteriální buňka není viditelná prostým okem - mikroorganismy najdeme všude - jsou schopné adaptace na extrémní podmínky - většina mikroorganismů izolovaných na družicích je lidského původu - velká část těchto mikroorganismů tvoří spory - lidé jsou „špinaví“ - mikroorganismy vydrží horší podmínky než hardware Trochu biologie... Escherichia coli zvětšená x

Louis Pasteur ( ) Zakladatelé mikrobiologie Robert Koch ( ) Zakladatel bakteriologie, nositel Nobelovy ceny za medicínu (1905), jako první prokázal, ze Bacillus Anthraxis je původcem anthraxu, jako první popsal Mycobacterium tuberculosis a objevil Vibrio cholerae. Zakladatel imunologie, objevitel vakcín proti anthraxu a vzteklině, byl prvním lékařem, který vytvořil vakcinu proti nemoci z původce choroby, vypracoval metodu pasterizace.

Limity pro růst a metabolismus Teplota: -20°C to +113°C Salinita: koncentrace soli < 30 % pH:pH = 1-11 Kyslík:Aerobní /Anaerobní růst Radiace:vysoká odolnost (<60 Gy/h) Limity pro přežití Teplota: -263°C to +150°C pH: pH = 0 – 12.5 Salinita: slané krystaly Radiace: vysoká odolnost (<5 kGy)‏ Kyslík: není potřeba Spory přežijí ve vakuu (10 -6 Pa)‏

Deinococcus radiodurans Objevený v roce 1956, detailně popsaný v roce Gy bez ztráty životaschopnosti Gy 37% přežití ( 1mGy - dávka při rentgenu, 5 Gy člověk nepřežije) Rychlá oprava chromozomů hod Adaptuje se i na nízké teploty, dehydrataci, vakuum a kyselé prostředí

Deinococcus radiodurans Experiment (2011) : buňky Deinococcus radiodurans byly v laboratoři vystaveny působení částic, které se vyskytují ve slunečním větru Nízkoenergetické částice 2-4 keV Vysokoenergetické částice 200keV Výsledek experimentu: vliv nízkoenergetických částic se neprojeví ani za 1000 let více než 10% buněk je po 1 roce expozice schopno replikace Při kratších meziplanetárních letech (roky) se nedá počítat s inaktivací Deinococcus radiodurans působením slunečního větru. ozářené neozářené

Příklady adaptace na extrémní podmínky - teplota Černý kuřák – hydrotermální průduch Hyperthermofilní organismy schopné života až do 113°C Permafrost (věčně zmrzlá půda) V hloubce 60m lze najít až 10 milionů buněk na gram aktivních i při -20°C

Bakteriální spora některé druhy bakterií vytváří v nepříznivých podmínkách spory silná vrstva kortexu a bílkovinný plášť umožní bakterii přežít extrémní podmínky (var, radiaci, agresivní chemikálie – alkohol, aceton, kyseliny) nejodolnější známé buňky v přírodě mm Bacillus subtilis 168 (spory) APOLLO 16

Kde najdeme v přírodě spory? ve vzduchu Bacillus stratosphericus (nad 24 km) v půdě Bacillus thermoterrestis ( Egypt, půda má teplotu až 55°C) v seně Bacillus subtilis na poušti Bacillus sonorensis (Sonoranská poušť, Arizona) ve skále Bacillus simplex (500 spor/g skály) hluboko v podzemí Bacillus infernus izolován poprvé v hloubce 2,6km v dole ve Virginii

Kolik bakterií najdeme na lidském prstu? Na 1 cm² kůže najdeme až mikroorganismů Na 1 mm² kůže najdeme až 100 mikroorganismů

Kolik mikroorganismů najdeme? v pitné vodě: ~100 buněk/ml v půdě : až 10 8 buněk/g půdy na lidské kůži : buněk v lidských ústech : buněk v lidském trávicím traktu : buněk Kompletní lidská mikroflora obsahuje větší počet buněk než je počet buněk lidského těla

Odběr vzorků mikroorganismů z družic a cleanroomů Odběr sterilní vatičkou na špejli na ploše (5 x 5 cm²) Stírání větších ploch sterilním ubrouskem (1 x 1 m²)‏ Odběr z filtru při filtraci vzduchu

Lidského původu Staphylococcus warneri Staphylococcus aureus Staphylococcus epidermis Microccoccus luteus (kůže, také půda, prach, voda)‏ Lactobacillus lactis (střevní mikroflóra)‏ Z vnějšího prostředí Arthrobacter (půda)‏ Streptomyces flavogriseus (půda)‏ Acinetobacter baumanii (půda, voda)‏ Bakterie tvořící spory Bacillus subtilis Bacillus thurigiensis Bacillus licheniformis Streptomyces Nejčetnější mikroorganismy izolované na družicích a v cleanroomech Staphylococcus aureus Arthrobacter

Je možné provádět astrobiologické experimenty na Zemi? Simulace podmínek na měsíci Europa hydrotermální průduch, kde se uvolňuje H 2 S - sirovodík Prameny bohaté na síru v kanadském ledovci Pro simulaci podmínek na měsících Ganymed a Callisto se používá věčně zmrzlá půda. OMEZENÍ: chybí radiace, přebývá kyslík

ESA Experiment PROTECT (součást zařízení EXPOSE) na palubě ISS Jak přežijí mikroorganismy izolované na raketách podmínky volného meziplanetárního prostoru ? (únor 2008 – září 2009)‏

Experiment Protect Simulace podmínek cesty na Mars a podmínek na planetě Mars na ISS (záření, vakuum, extrémní teploty)‏ Přežilo téměř 100% bakterií, které nebyly přímo vystaveny UV záření a kosmickému galaktickému záření Předletová sterilizace pro mise na Mars je nezbytná

MARS SCIENCE LABORATORY Start 26/11/2011 Kategorie 4 – sběr a analýza vzorků

Rover CURIOSITY Integrace proběhla v JPL (Jet Propulsion Laboratory), CA, a v KSC (Kennedy Space Centre), FL 900kg, 5x větší než předchozí vozítka

10% rozpočtu celé mise JPL: KSC: 2331 vatových tyčinek 803 vatových tyčinek 583 sterilních utěrek 983 sterilních utěrek Petriho misek Petriho misek MARS SCIENCE LABORATORY – nejnáročnější mise z hlediska planetární ochrany

MARS SCIENCE LABORATORY – dosažená biologická čistota 28 spor/ m 2 Celkový počet spor na roveru Celkový počet spor na satelitu Rezerva 44 %

Dvě nové metody pro detekci molekul typicky spojených s přítomností mikrobů Detekce pomocí Limulus Amebocyte Lysatu (LAL) - extraktu z krevních buněk ostrorepa amerického – reaguje s endotoxiny bakterií Detekce Adenosine Triphosphatu (ATP), který produkují bakteriální buňky, použitím bioluminiscenční metody Pro konečnou analýzu byla použita klasická metoda sběru vzorů, 3-denní růst v definovaném prostředí a počítání kolonií

JUICE JUpiter ICy moons Explorer Se startem sondy JUICE se předběžně počítá na rok 2022, k Jupiteru dolétnou sondy v roce 2028 a přinejmenším 3 roky se budou věnovat výzkumu soustavy planety Jupiter. Potom sonda udělá několik otoček okolo měsíce Europa, Pak bude navedena na oběžnou Dráhu kolem Ganymeda. Jeho výzkumem stráví téměř jeden rok, aby nakonec do Ganymeda narazila....

ECSS-Q-ST-70-55C Norma ESA pro sběr vzorků letového hardwaru a sběr vzorků v čistých prostorech pro spory a některé typy bakterií PBS – promývací pufr

Takhle by čištění vypadat nemělo....

 kategorizace, výpočet pravděpodobností  při výběru součástek volit typy, které vydrží teplotu 125°C ve vypnutém stavu  využít výhody vakua a radiace – stínit proti radiaci jen co je nutné  povrchy by měly být co nejhladčí – spory nemají rády hladké povrchy  minimalizovat velikost ploch, ze kterých není možno odebrat vzorky  pro pasivní dekontaminaci je vhodný isopropylalkohol nebo ethanol  montáž a testování letového hardwaru v čistém prostoru  pro odběr vzorků dodržovat standardní ESA procedury ECSS-Q-ST-70-55C ECSS-Q-ST-70-58C  hardware je třeba převážet v čistých boxech kvůli nebezpečí rekontaminace Doporučení pro návrh hardwaru pro meziplanetární mise

Děkuji za pozornost