火星での人類の生存には微生物が不可欠

人類がついに火星の砂埃の舞う大地に足を踏み入れるとき、彼らは単独で旅するわけではない。将来のミッションに参加する宇宙飛行士の中には、肉眼では見えないほど小さい者もいるだろう。しかし、だからといって彼らが重要な役割を担わないというわけではない。

火星への有人ミッションには、避難所、呼吸可能な空気、衣類、食料、医薬品、エネルギー、廃棄物の除去などのサービスが必要です。これらのニーズの多くは、生物によって満たすことができます。

「私たちは文字通り何千年もの間、生物学をテクノロジーとして利用し、衣服や家を造ってきました」と、カリフォルニア州モフェットフィールドにあるNASAエイムズ研究センターの宇宙生物学者で合成生物学者のリン・ロスチャイルド氏は言う。「火星でこれを別の方法でやろうと考えるのは、ちょっとおかしいことです。」

地球から輸入した物資だけに頼るのではなく、宇宙飛行士は微生物を使ってその一部を作り出せるかもしれない。ある種のバクテリアは火星の限られた資源を利用してコロニー内の単純な生態系を支え、小さな植物の成長を助けることもできる。酸素を作ったり、廃棄物を分解したりすることもできる。有用な材料を生産したり、金属の採掘を手伝ったりするように仕向けることもできるだろう。

「火星で見つけたものを利用しなければなりません。そのためには生物学が必要だと思います」と、ローマ・トル・ヴェルガータ大学でロスチャイルド氏の指導を受ける博士課程の学生、シプリアン・ヴェルスー氏は言う。

火星に生命は存在するのか？

火星は居住可能な限界点にある。つまり、微生物を持ち込むことは、土着の生命を探索する科学者にとって懸念材料となる。「もしそこに生命体がいて、それを汚染したり完全に絶滅させたりしたら、それはとてつもない悲劇となるでしょう」とロスチャイルド氏は言う。

そして、地球上の微生物が後に宇宙飛行士によって「発見」されれば、混乱を招く恐れがある。「それが火星の生命であるかどうか、断言できないリスクがある」とヴェルセウ氏は言う。「だから、生命維持のために使用する微生物で火星を汚染しないように、本当に注意する必要がある」

責任を持って宇宙探査を確実に行うことは、NASA の惑星保護局 (モットー: 「すべての惑星、いつでも」) と国際宇宙研究委員会 (COSPAR) の最大の関心事です。

火星探査ミッションに関する規制は、月や小惑星に向かう宇宙船に適用される規制よりも厳しい。これらの天体に生命が存在する可能性は低い。しかし、「居住可能な環境があるかもしれない火星に行くには、そうでないことがわかるまでは非常に慎重にならなければなりません」と、カリフォルニア州マウンテンビューの SETI 研究所で惑星保護に取り組んでいる上級科学者マーガレット・レース氏は言う。

火星への有人ミッションを統制する政策はまだ決まっていない。「確固たる答えはない」とレース氏は言う。「もし誰かが今、意図的に[微生物]を持ち込もうとしても、それはできないだろう。」

いずれにせよ、宇宙飛行士が火星に到着すると、彼らは微生物を持ち込むことになる。「私たちはみなヒトの微生物叢を持っています。人間を送る場合、まず彼らを殺菌することはできません」とレース氏は言う。

汚染を制限する方法の一つは、土着の生物が最も繁栄する可能性が高い地域に特別な保護策を講じることだ。もう一つの方法は、火星の微生物がそれを「読み取って」取り込むことができないように、微生物の DNA を修正することだ。

国際社会は、人類や他の生命を意図的に火星にもたらすミッションをどう計画するのが最善か、まだ検討中だ。「誰もこれを阻止しようとはしていない」とレース氏は言う。「しかし、明らかに未知の領域に踏み出すにあたり、責任を持ってそれを確実に行うにはどうしたらよいか、と私たちは言っているのです」

地球の生命は火星で生き残ることができるでしょうか？

技術的には、私たちはすでに火星に生命をもたらしている。探査機を打ち上げる際、地球の軌道を離れる前にそれを殺菌するための最善の努力はまだ100％効果的ではないと、ベルリン工科大学の宇宙生物学者ディルク・シュルツェ・マクフ氏は言う。「問題は、生命が火星で生き残るチャンスがあるかどうかだけだ。」

しかしロスチャイルド氏は、それらの微生物が繁殖して赤い惑星を汚染した可能性は低いと指摘する。それは、エディンバラ大学の宇宙生物学者チャールズ・コッケル氏が2002年に書いたように、火星は住むにはひどい場所だからだ。

重力が低い（地球の約 38 パーセント）ので、おそらくこれらの微小な生物は困らないだろう。そして、光合成に十分な太陽光があることは間違いない。しかし、火星は極寒で、表面の平均温度は華氏マイナス 80 度である。そして、空気は薄く、大気圧は地球の海面の約 1 パーセントしかない。地球には放射線から私たちを守る磁気シールドがあるが、火星にはそれがない。さらに、火星は地球のどの場所よりも乾燥している。「表面のほとんどの場所では、液体の水が存在する可能性はありません」とコッケルは言う。「乾燥した、放射線で焼かれた環境なのです」と彼は言う。

多くの微生物は休眠状態で潜伏することができ、地球の微生物が保護された地域に吹き飛ばされたり、埋もれたりする可能性がある。岩の下に潜り込めば、最悪の寒さや放射線から守られるかもしれない。しかし、空気中の水分を吸収するか、季節的な塩水浸出で水を見つけなければならない。はるか昔に溶岩流によって形成された火星の洞窟にも、水とより厚い大気があるかもしれない。火星の極地の氷の中にある液体の水滴も、別の聖域となる可能性がある。

「一般的には、おそらくこれは起こっておらず、地球の微生物は死滅していると考えられています」とシュルツェ・マクフ氏は言う。「しかし、確信は持てません。確かに火星の表面は過酷ですが、地球の微生物も過小評価すべきではありません。」

ロスチャイルド氏も同意見だ。「私たちの微生物が地球を乗っ取る可能性は低いでしょう」と彼女は言う。「しかし、少なくとも短期間はそこに生息できると思います。」

火星の動物園

数十億年前、シアノバクテリアと呼ばれる微小な生物が地球上の生命の道を切り開きました。植物が存在するずっと前から、シアノバクテリアは光合成の副産物として酸素を排出していました。

ロスチャイルドにとって、酸素が豊富な地球の大気は、生命がテクノロジーとしていかに素晴らしいか、そしてそれが地球外でも私たちに役立つ可能性をどれだけ秘めているかを示す完璧な例です。

宇宙飛行士は火星のシアノバクテリアを利用して、有用な材料を作ったり、他の貴重な微生物や植物を育てたりすることもできる。私たちはすでに、ワイン、チーズ、ヨーグルトなどの珍味や生活に欠かせないサービスの提供に微生物を頼っている。「微生物は私たちが食物や薬を作るのを助け、廃棄物をリサイクルするのにも役立ちます」とコッケル氏は言う。「こうした有益な恩恵は、地球上と同じように火星でも同じように得られるでしょう」

火星で微生物を使って製品を製造すると、地球から運ぶ必要のある質量が減ります。地球の重力から逃れるには莫大な費用がかかります。コカコーラの缶を1本打ち上げるだけでも1万ドルかかります。しかも、これは軌道上の費用だけで、「まだ火星には到達していない」とロスチャイルドは言います。

しかし、微生物は重量が非常に軽いため、火星に持ち込むのが簡単です。「その後、微生物は地球上の植物や藻類と同じように、太陽エネルギーを使って土地で生きながら増殖します」とロスチャイルド氏は言います。微生物は火星にすでに存在する水、鉱物、大気ガスを利用できます。「そこから、シアノバクテリアが作り出す材料を取り出して、プラスチックから住居まであらゆるものを作り始めることができます。」

特定の微生物は、食物、酸素、燃料を作ったり、廃棄物をリサイクルして植物や人間のための栄養分を作ったりするのに利用することができます。微生物は岩石を分解して有用な金属を取り出すのにも役立ちます (地球では、金や銅を採取するために「バイオマイニング」がすでに使用されています)。適切な材料と混ぜると、他の微生物は火星の塵の粒子を接着して住宅用のレンガを作ることができます。

微生物は、宇宙飛行士が火星の土壌をガーデニングのために保存する必要がある場合に特に役立ちます。囲いの中では、植物を放射線から保護し、水と水耕液または肥沃な土壌を提供する必要があります。「微生物は、火星にある元素を植物が利用できる形に変換できます」とヴェルセウ氏は言います。

宇宙飛行士は、食料や酸素を得るために、そして果てしなく続く赤い景色からの休息として、植物を育てることができる。「例えば国際宇宙ステーションに植物があることは、心理的に大きなメリットがあります」とコッケル氏は言う。「人々に世話をする対象を与えてくれるのです。」

動物は多くのスペースと資源を消費するため、初期のミッションで宇宙飛行士が動物を持ち込む可能性は低いだろう。しかし、カイコ、魚、貝類などの小動物は最終的には送られるかもしれない。

より優れた微生物の構築

私たちが持ち込む植物や微生物は、過酷な火星の表面で生き続ける必要はありません。宇宙飛行士は火星の寒く、乾燥し、放射線にさらされ、低圧の環境から身を守る必要がありますが、微生物や植物も同様に保護されるでしょう。

しかし、宇宙飛行士が頼りにする微生物を遺伝子操作して、地球上よりも丈夫にすれば、利点もあるだろう。まず、より安全になる。何か問題が起きて微生物を収容する装置が故障しても、微生物は結局、過酷な状況に直面することになるかもしれない。さらに、丈夫な微生物は飼育コストが安い。「火星に近い環境で繁殖するように作られればされるほど、シェルターを用意する必要も、地球のような環境を再現する必要も少なくなる」とヴェルセウ氏は言う。

さらに、微生物は、割り当てられたタスクをより効率的に実行できるように、またはまったく新しい役割を果たすように設計される可能性があります。「自然を巨大な遺伝子ハードウェア ストアとして見ることができます。棚からアイテムを取り出し、それを小さな生産有機体に入れます」とロスチャイルドは言います。彼女は、設計された微生物を火星のバイオプリンターの「インク」として使用する方法を研究しています。これにより、宇宙飛行士は特注のツール、スマート ファブリック、さらには交換用臓器を製造できるようになります。

「綿花畑や木々や羊を火星に持っていくことはできません」と彼女は言う。しかし、それらの能力を、酵母や細菌のようなより持ち運びやすい生物に組み込むことはできる。

この技術の地球上の例の 1 つは、抗マラリア薬のアルテミシニンです。アルテミシニンはニガヨモギという植物から抽出されますが、遺伝子操作された酵母の助けを借りて作ることもできます。タイヤ製造業者やバイオテクノロジー企業も、ゴムを木から採取するのではなく、酵母を使って作ることに取り組んでいます。

現在、ロスチャイルドは羽毛、爪、髪、皮膚に含まれるタンパク質であるケラチンに注目している。微生物を操作してケラチンを生成させ、あらかじめ決められた形状に印刷することができる。「この素材のシートが本当に強くて軽くて柔軟性があるとしたらどうでしょう」と彼女は言う。

宇宙飛行士の生存を助けるために微生物を利用する私たちの試みは、地球上のすべての人々の進歩につながるかもしれない。「これらのものを地球上で使用できない理由はまったくありません」とロスチャイルド氏は言う。

おそらくいつの日か、微生物が酸素を生成し、土壌を変化させることで、火星の表面の地球化に貢献するかもしれません。これが火星表面の生命にとって何を意味するのかは未解決の問題です (特に火星の低重力は、樹木や人間などの大型生物にとって問題となる可能性が高いため)。

「火星にノアの箱舟を送るだけだという印象を人々に持たせたくない」とロスチャイルド氏は言う。大気を液体の水と高温を​​維持できるほど厚くして初めて、動物を無防備に送り出すことについて話すことができる、と同氏は言う。

しかし、それはすべて何年も先の話だ。火星に生命維持装置として微生物を持ち込むことが、最も重要で、より実現可能な目標だ。

どうやってそれを実現するのでしょうか?

それを実現するための第一歩は、砂漠、深海の噴出孔、北極の氷などの極限環境で繁殖する地球上の微生物の調査を続けることです。

宇宙生物学者は、火星に最も似ている地球の生息地で微生物を探し、赤い惑星で固有の生命がどのように生き残るかを探ります。これらの探検により、地球の微生物を火星に持ち込んだときに役立つ可能性のある適応も明らかになります。

「すでに存在する微生物を選び、その限界と、どれだけ役に立つかを見極めるのです」とコッケル氏は言う。「それが分かれば、微生物をより良くするために何をすべきか、よりよいアイデアが得られるでしょう。」

コッケル氏と彼の同僚は、岩石に生息する微生物を低地球軌道に打ち上げ、宇宙船の外で微生物がどのような状態になるかを調べる。地球に戻ったら、特別な部屋を使って温度、圧力、乾燥、放射線などの火星の環境をシミュレートすることもできる。

微生物の耐久性が確認（または強化）されたら、科学者は、できるだけ質量と電力を消費しないツールと囲いを使用して、微生物を働かせる方法を考え出さなければなりません。現在進行中のプロジェクトの 1 つに、欧州宇宙機関の微小生態学的生命維持システム (MELiSSA) があります。このシステムでは、細菌の集団を使用して、人間の排泄物や植物の食べられない部分を分解してリサイクルします。

科学者たちは、宇宙飛行士が実際に火星基地でこれらのツールを使用するとどうなるかについても検討している。ベルセウは最近、他の 5 人の科学者とともに 1 年間隔離生活を送り、ハワイのマウナ ロア火山のドームから出てきた。HI-SEAS 実験は、シアノバクテリアを使って植物を育てる研究をする絶好の機会を彼に与えた。「私に最も大きな洞察をもたらしたのは、電力、水、空間、時間、エネルギーなど、非常に限られた資源を扱うことでした」と彼は言う。

NASA は 2030 年代に火星周回軌道への有人ミッションを計画しており、宇宙生物学者は、赤い惑星に生命が存在する未来のために微生物の仲間を見つけ、準備する準備を進めています。私たちはこれらの微生物を理解し、それらをより良く使用する方法を常に理解しています、とコッケル氏は言います。「人類が最終的に火星に行くときには、それらは人間の探査に準備されていると思います。」