[论文解读] 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 5

一句话总结

本文介绍了Mini-LISA的设计与运行，这是一种紧凑、低功耗的实验室模拟器，用于模拟火星表面条件，支持在低压、极端低温和强紫外辐射环境下长期进行细菌存活实验。该模拟器可连续测试地球微生物在类火星环境中的表现，为潜在地外生命研究和行星保护的界限提供关键数据。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可持续的实验室模拟器，用于模拟火星表面条件，以研究地球微生物的存活能力。
• 通过每周补充液氮，克服以往模拟器（如LISA）的时间限制，实现长达一周或更久的实验。
• 评估细菌菌株在类火星条件下的存活能力，包括低压（0.6–0.9 kPa）、温度极端变化（−120 °C至20 °C）以及强紫外-C辐射。
• 通过识别地球微生物在火星环境中存活的极限，支持行星保护工作。
• 将Mini-LISA设施作为共享实验平台，供外部研究团队开展天体生物学过程研究。

提出的方法

• Mini-LISA模拟器采用牛津仪器公司生产的商用杜瓦瓶，经改造后将中心反应腔室与外部热交换隔离。
• 通过真空涡轮泵抽出反应腔室与杜瓦瓶壁之间的空间，实现低至4–5×10⁻³ Pa的压力，以最大限度减少热传导。
• 通过多次用富含CO₂的气体混合物冲洗反应腔室内部，将大气压力维持在0.7 kPa，以去除残留的地球空气。
• 500 L的液氮储罐可将温度稳定维持在150 K（−123 °C），通过每周补充液氮，可支持超过10天的实验。
• 生物样品置于铝制培养皿中，堆叠放置于反应腔室内，上层培养皿通过熔融石英（Suprasil）窗口暴露于紫外光下，下层则受到遮蔽。
• 机械过滤装置可防止样品逸出，石英窗口可加盖以控制辐照时间，确保精确的暴露条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 地球细菌菌株能否在模拟火星表面条件下长期存活，包括低压、极端低温和紫外-C辐射？
• RQ2 在火星模拟腔室中，采用低功耗液氮系统的实验最长可持续多长时间？
• RQ3 堆叠式铝制培养皿的配置如何实现在同一腔室内对紫外照射与紫外屏蔽的微生物样品进行对比测试？
• RQ4 Mini-LISA模拟器在多大程度上能够复现火星的关键环境参数，如大气成分与压力，以支持生物实验？
• RQ5 在模拟火星条件下微生物存活的实验结果，对寻找火星现存生命以及行星保护规程有何启示？

主要发现

• 通过500 L液氮储罐，Mini-LISA模拟器可实现长达10天的连续实验，通过每周补充液氮，理论上可实现无限期运行。
• 系统通过多次用富含CO₂的气体混合物冲洗，成功实现并维持0.7 kPa的类火星大气压力，有效去除了地球空气残留污染物。
• 通过在反应腔室与杜瓦瓶壁之间抽真空，实现热隔离，显著降低热传导，使系统可在150 K（−123 °C）的低温下稳定运行。
• 堆叠式铝制培养皿的结构设计，使在同一反应腔室内可同时对紫外照射与紫外屏蔽的微生物样品进行测试，确保在相同环境条件下实现直接对比。
• 该设计成功克服了大型LISA模拟器的时间与资源限制，后者因液氮消耗过高，实验时间被限制在30小时以内。
• 该设施已投入运行，并作为共享实验平台向外部研究团队开放，包括德国航空航天中心和摩德纳大学的研究团队。