[論文レビュー] New approaches to the exploration: planet Mars and bacterial life

G. Galletta, Giulio Bertoloni+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2011

Planetary Science and Exploration被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、火星の表面条件を模倣する小型で低消費電力の実験用シミュレータ「Mini-LISA」の設計および運用方法を提示している。このシミュレータを用いることで、低気圧、極寒、強力なUV放射線下における細菌の生存可能性を長期間にわたり実験可能となり、宇宙生命科学および惑星保護の分野における重要な知見が得られる。

ABSTRACT

Planet Mars past environmental conditions were similar to the early Earth, but nowadays they are similar to those of a very cold desert, irradiated by intense solar UV light. However, some terrestrial lifeform showed the capability to adapt to very harsh environments, similar to the extreme condition of the Red Planet. In addition, recent discoveries of water in the Martian permafrost and of methane in the Martian atmosphere, have generated optimism regarding a potentially active subsurface Mars' biosphere. These findings increase the possibility of finding traces of life on a planet like Mars. However, before landing on Mars with dedicated biological experiments, it is necessary to understand the possibilities of finding life in the present Martian conditions. Finding a lifeform able to survive in Martian environment conditions may have a double meaning: increasing the hope of discovering extraterrestrial life and defining the limits for a terrestrial contamination of planet Mars. In this paper we present the Martian environment simulators LISA and mini-LISA, operating at the Astronomical Observatory of Padua, Italy. They have been designed to simulate the conditions on the surface of planet Mars (atmospheric pressure,0.6-0.9 kPa; temperature from -120 to 20 °C, Martian-like atmospheric composition and UV radiation). In particular, we describe the mini-LISA simulator, that allows to perform experiments with no time limits, by weekly refueling the liquid nitrogen reservoir. Various kind of experiments may be performed in the simulators, from inorganic chemistry to biological activity. They are offered as experimental facilities to groups interested in studying the processes that happen on the Martian surface or under its dust cover.

研究の動機と目的

• 火星の表面条件を模倣する持続可能な実験用ラボシミュレータを開発し、地上の微生物の生存可能性を研究すること。
• LISAのような従来のシミュレータが30時間以内に制限されていた時間的制約を克服し、毎週の液体窒素補充により1週間以上にわたる実験を可能にすること。
• 低気圧（0.6–0.9 kPa）、極端な低温（−120 °Cから20 °C）、強力なUV-C放射線を含む火星に類似した環境下での細菌株の生存可能性を評価すること。
• 火星環境下での地上微生物の生存限界を同定することで、惑星保護対策を支援すること。
• 外部研究グループが宇宙生物学的プロセスを研究できる共有実験プラットフォームとして、Mini-LISA施設を提供すること。

提案手法

• Mini-LISAシミュレータは、オックスフォード・インスツルメンツ社の商用ドゥアールを改造し、中心部の反応セルを外部からの熱交換から隔離する。
• 反応セルとドゥアールの壁の間を真空ターボポンプで排気し、熱伝導を最小限に抑えることで、4–5×10⁻³ Paの低圧を達成する。
• 反応セル内部は、地上の大気の残留物を除去するため、CO₂を豊富に含むガス混合物を複数回置き換えることで、0.7 kPaの火星に類似した大気圧を実現する。
• 500 Lの液体窒素貯蔵タンクにより、150 K（−123 °C）までの低温を維持でき、毎週の補充により10日以上にわたる実験が可能となる。
• 生物学的試料は、セル内に積み重ねられたアルミ製ペトリドゥの上に配置され、上部の皿は石英（Suprasil）窓を通じてUV光に露出され、下部の皿は遮光される。
• 機械的フィルターにより試料の漏れを防止し、石英窓をカバーすることで照射タイミングを制御し、正確な露出条件を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上由来の細菌株は、低気圧、極寒、UV-C放射線を含む火星表面に類似した環境に長期間さらされても生存可能か？
• RQ2 低消費電力の液体窒素システムを搭載した火星模擬実験チャンバーで、実験がどの程度の期間持続可能か？
• RQ3 積み重ねられたアルミ製ドゥの構成は、1つのチャンバー内でUV露出とUV遮断の両方の微生物試料を比較テストするためにどのように機能するか？
• RQ4 Mini-LISAシミュレータは、大気の組成や圧力といった火星の主要環境要因を、生物学的試験に適した形でどれほど正確に再現できるか？
• RQ5 火星に類似した環境下での微生物の生存可能性は、火星における現存生命の探索および惑星保護プロトコルにどのような意味を持つのか？

主な発見

• 500 Lの液体窒素貯蔵タンクを用いることで、Mini-LISAシミュレータは10日間の連続実験が可能であり、週次の補充により無制限の期間にわたる実験が可能となる。
• CO₂を豊富に含むガス混合物を複数回置き換えることで、地上の大気汚染物質を除去し、0.7 kPaの火星に類似した大気圧を達成・維持している。
• 反応セルとドゥアールの壁の間に真空をかけたことで熱伝導が低減され、150 K（−123 °C）までの安定した低温運転が可能となった。
• 積み重ねられたアルミ製ドゥの構成により、同一の反応セル内でUV露出とUV遮断の両方の微生物試料を同時にテストでき、同一環境条件下での直接比較が可能となった。
• 大型のLISAシミュレータが液体窒素の消費が高いために30時間以内に制限されていた時間的・資源的制限を、本設計は効果的に克服した。
• 施設は正常に稼働しており、ドイツ航空宇宙センターおよびモデナ大学を含む外部研究グループが利用可能な共有実験プラットフォームとして提供されている。