火星上的美国队长:人类只有通过基因改造才能确保在火星上存活

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科学、工程和生物技术的进步将在不久的将来产生一个超人。在我的《追逐美国队长》一书中,我探讨了一个主题,即将生物医学作为一种直接而有针对性地促进进化的方式。美国队长象征着在特定目的下对人体的终极和有目的的重组,而其中一个可应用的特定目的就是创造可以在另一个星球上生活的生命。

在地球上,我们更为熟悉的进化方式是环境压力推动生物变化。自然选择的缓慢适应过程意味着一个物种需要数千年才能看到有意义的进化变化。那些适应环境的物种能够生存下来,而那些不能适应的物种则无法生存,这就是所谓的“适者生存”(survival of the fittest)法则,长久以来被归功于达尔文(Charles Darwin)和华莱士(Alfred Russell Wallace),并被认为是进化论的核心。生物为了生存,必须对环境进行适应,这条规则不仅适用于地球,也适用于太空。

火星被认为是人类太空探索的下一步。这对人类来说将会很困难;我们面临着安全到达火星,和在火星着陆后生存下来的两个重大挑战。火星是一个严酷的地方,在那里我们将不得不应对重力的变化和辐射的影响。我们需要进化并迅速适应新的环境,而我们应对这些适应的策略必须考虑长期繁荣和立即生存的需求。

我们在未来的一段时间里都不会穿着人字拖和工装短裤在火星表面上昂首阔步,在仿地球大气中自由呼吸,甚至可能永远都不会。那些在火星上的人,将生活在一个减少重力的场所,并将暴露在高水平的辐射中,还将要进行优化的氧气提取。为了实现这一切,我们需要在人们到达火星并开始建立一个新世界之前对他们进行“预先进化”。

在1941年3月1日,美国队长的处女作《美国队长》中,我们看到史蒂夫·罗杰斯(Steve Rogers),“一个虚弱的年轻人”,他被雷士丹(Reinstein)教授“接种了奇怪的沸腾液体”。这种“超级战士血清”和随后的“维塔-射线治疗”使这个虚弱的军队弃兵以美国队长的名义成为了人类体能表现的巅峰。虽然现代科学和基因工程让我们每天都更接近于创造美国队长,但我们不能像《美国队长》在他的原作中那样被瞬间改变。说真的,这种变化究竟需要多长时间?

为了评估这种有意义的改变能以多快的速度实现,密歇根大学医学院的劳伦·科赫( Lauren Koch)和同事们选择性地培育了老鼠,并测试了它们的功能能力。动物——包括我们人类——对运动训练有不同的适应性反应。基于运动训练的功能反应成对饲养大鼠使研究人员创造了一组低反应和高反应的大鼠。

经过15代的选择性育种,高反应大鼠的奔跑距离增加到约220米,而低反应大鼠的奔跑距离则下降到约65米。“控制组”的老鼠平均在140米左右。研究结果很清楚地表明,基因选择可以在相对较短的时间内改变功能特征,但在人类身上仍需要300年左右的时间。

我们的物种显然在向其他世界的进行殖民,而这就是当代科学和美国队长在太空的生命新前沿。太空旅行者在太空中会体验到微重力,在火星上会体验到大概是地球三分之一的重力,这些变化会引起严重的健康问题,就算是我们细胞,它们的物理形状也会在不同的引力场中发生变化。这让人联想到DC的塑料人或漫威的“神奇先生”里德·理查兹,细胞从轻微不规则的边缘转变为平滑的圆形。我们的细胞内部有生物支架,它们能检测和制造细胞形状的变化,细胞还有由蛋白质构成的离子进出口通道;重力的变化也会导致它们的功能也发生变化。

听觉、平衡感、视觉、血液分布、肾脏、泌尿和肌肉的功能以及骨密度都会受到负面影响。NASA和其他太空机构面临的大难题是3年的太空飞行时间(即火星来回旅行花费的时间,也将是目前最长太空任务时间的3倍)对人类生理产生的影响。

太空中的环境与人类的生理状况完全不相容——这一点让华盛顿州立大学的天体生物学家德克·舒尔茨-马库奇(Dirk Schulze-Makuch)非常着迷。舒尔茨-马库奇在科学文献和大众写作中都发表了大量关于外空生物学和外星生命的文章;同时他还是四本畅销书和两本小说的作者。

舒尔茨-马库奇认为,如果我们能在火星上建立一个殖民地,就算考虑到它的重力降低,我们也能像在地球上一样繁殖和生育。随着火星上一代又一代的生命,我们将慢慢地开始适应火星环境,大部分的适应可能与人类可能接触到的强烈电离辐射和紫外线辐射有关。例如,我们会逐渐看到暴露在火星光线下的皮肤黑色素沉淀增加。

然而,色素沉着不一定能使我们免受电离辐射的影响。我们需要一个真正的盾牌。也许不是像《美国队长》那样由神秘的振金构成的盾牌,而是一种可以像他的金属盾牌阻挡子弹一样有效地阻挡辐射的东西。地球上的一些微生物,如放线菌——利用镁和锰等矿物质来保护它们不受辐射的影响,它可以在冷冻、辐射、脱水、真空和酸性环境下存活,它的超级能力就是它的生存能力,它能承受5000多格雷的电离辐射,而12格雷左右的电离辐射就会导致其他生物体的DNA断裂,这对你我都是致命的。

放线菌有快速的DNA修复功能和多份基因组拷贝,因此能够存活并抵抗辐射的影响。它也有甜甜圈状的DNA链,而不是我们通常在地球上大多数有机生命中发现的双螺旋链。为了让你对太空辐射的多少有个概念,可以说,在国际空间站上呆一年受到的辐射相当于在洛杉矶和纽约之间飞行超过5000次的辐射。

修复DNA损伤是我们细胞的重要功能。为了让生命延续,我们的细胞必须进行分裂,并且在每一个新细胞中复制我们的DNA。如果复制被破坏,错误的基因将被传递给下一代细胞。基因中的错误是由于转录过程中的失误造成的,而在这里,紫外线和其他辐射源则是造成这种失误的原因。

当你的DNA复制过程正在进行时,有时候碱基对会混淆。这种情况虽然并不经常发生,但是随着你身体中大量的细胞每7到15年就复制一次,即使是很小的错误也会导致严重的问题。我们需要继续努力,以更好地理解如何优化修复基因,或许我们可以借鉴其他动物的生物机制。

制造杂交体的一种荒诞的方法可能包括使用耐受辐射的水熊DNA。水熊是一种微小的动物,看起来像是熊和鼹鼠的杂交。(提示:它们是2018年上映的电影《蚁人与黄蜂女》中“量子领域”里的小动物。)水熊可以承受任何东西——包括通常会使DNA变形的极端辐射暴露。东京大学的Takekazu Kunieda和他的同事发现,水熊有一种特殊的蛋白质在这种保护中起到重要作用。Kunieda和他的同僚将水熊 DNA植入到培养的人类细胞中,发现这些细胞比普通的人类细胞在承受x射线损伤能力方面高出了40%。

火星是我们唯一的潜在太空殖民地,至少在不久的将来都会是这样。如果我们作为一个物种想要在那里繁衍生息,我们就没有时间等待自然进化完成它缓慢而稳定的过程。舒尔茨-马库奇的大部分研究都是关于如何在其他行星上生存的假设,他承认“要把像我们这样的高度适应原生环境的物种置于原生环境之外并带到一个新的星球上,是一个巨大的挑战。”

《美国队长》本身就是终极科学实验的产物,是一个暗示生物工程生命潜力的隐喻。正如我在《追逐美国队长》(Captain America)一书中所主张的,我们需要考虑对我们的物种进行改变,以增强我们在太空中生存和发展的能力。每天,科学和工程能力的进步使我们对这种改变越来越近,同时也使我们对地球自然进化所提供的功能生物学越来越远。

Konrad Szocik和他同事们分别来自波兰、巴西和美国,他们2018年发表在《未来》杂志上的论文中推测了人类在火星上繁衍的生物和社会挑战。这些科学家得出的结论是,火星上最小的可行目标人群是5000人,达到了这个数字即意味着人类能够在火星上生存和繁殖。Szocik和他的同事们同时也建议,在到达火星之前和之后使用基因工程技术来修改人类人体是确保人类生存能力的唯一途径,对此我持有相同观点。

就像《美国队长》(Captain America)和他的伙伴们聚在一起组成了“复仇者”(Avengers),“复仇者”为他们进行的每一项任务制定一个战略上合理的计划一样,我们也需要从战略上加速人类的进化,并为火星环境做好准备,达到“预先进化”的状态。

——E. Paul Zehr

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答:王宛尘 微博名:王宛尘 重庆人 望采纳

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