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人类能在太空中繁衍后代吗?

2020-02-26 08:45:38 《奥秘》 2020年1期

志兰

有一件事是人人都擅长的,那就是制造更多的人。我们是如此多产的婴儿制造者,以至于现在已有70亿人住在这个星球上。但我们的生殖能力可能很快就会受到考验。

无论是由于人口过剩、环境破坏还是仅仅为了探索,人类都会将目光投向太空,希望完成地外殖民。但鉴于整个太空普遍存在的严酷辐射,再加之低重力环境带来的挑战,在太空繁衍后代这件事,说起来容易做起来难。为此,科学家正努力解答人类能否在太空中完成正常生殖过程这一问题。

从20世纪60年代美国宇航局的双子座计划中,研究人员已经了解到太空旅行可能对人体健康有害。科学家注意到,宇航员在进入太空不到两周后,他们脚上的骨密度减少了6%,肌肉萎缩的速度也变得更快。从那以后,我们了解到宇宙射线在太空和空间站内无处不在,宇宙射线的危害巨大,会导致癌症和组织疾病,还被证明会对DNA和神经系统造成损害。

太空是一个充满危险的地方,即使对训练有素的宇航员来说也是如此。那么,恶劣的环境会对脆弱的胚胎、胎儿和新生儿造成什么影响?首先,我们应该考虑的是:它是如何影响我们的生殖系统的?答案在很大程度上仍然未知。科学家们甚至不知道女性是否能在太空中受孕,更不用说孕育。

虽然在生理学上困难重重,但研究人员仍在试图回答这个关键的问题:如何在太空中创造健康的婴儿?

小鼠的太空受精实验

要在太空中繁殖,每一步都不容易。

据我们所知,从来没有人在太空发生过性行为,因为太空中几乎没有地心引力,想要抓着你的伴侣都很困难,更别说让功能完善的精子和卵细胞相遇,然后擦出怀孕的火花了,这需要大量细胞完美配合行动。

几十年来,科学家们一直致力于解开太空生殖之谜。“太空竞赛”结束后,宇航员们开始把鱼、蛔虫、青蛙和蝾螈带进太空轨道,以测试它们在地球之外的繁殖能力。令人震惊的是,它们都成功地生出了健康的后代。但在这个过程中,仍然有障碍横在科学家面前。1979年,在一颗俄罗斯的卫星上,雄性和雌性小鼠在18.5天的“太空旅行”中发生了令人惊讶的事情:它们要么未能成功受精,要么选择不交配——这是地球上闻所未闻的啮齿动物禁欲的现象。随后,小鼠试验的结果引起了广泛的关注。

啮齿类动物是哺乳动物,它们的解剖学、生理学和基因与我们人类相似。西北大学妇产科研究副主任特蕾莎·伍德拉夫说,小鼠与人类非常相似,在它们怀孕早期发生的任何问题都可能与人类在妊娠中出现的问题一样。其他研究人员也表示同意。

日本山梨大学高级生物技术中心主任、遗传学家若山照彦说:“因为只有哺乳动物才有胎盘,因此要了解胎盘发育在太空中的影响,我们只有通过哺乳动物试验。”在过去的十年中,他一直在研究哺乳动物(主要是小鼠)如何在太空中繁殖后代。由于引力对受精和胎儿的生长都至关重要,因此若山照彦想要探究小鼠是否可以在微重力(类似于空间站中重力水平)环境中受精。

2009年,若山照彦从小鼠身上提取出卵子和精子,然后将它们放到一个模拟微重力的装置中。他观察到精子会游向卵子,几天后,胚胎从微重力环境被移植进标准重力下的小鼠母体中。若山照彦和同事们发现,实验的结果喜忧参半:虽然有很多发育正常的幼崽诞生,但也有大量胚胎在移植后出现了发育不良的情况。与正常情况相比,微重力环境下的小鼠胚胎更难成功繁育后代。

为了验证这些情况是否会在微重力与高辐射环境下重演,若山照彦向日本宇宙航空研究开发机构提出申请,希望在国际空间站(ISS)重复上述研究。但这一次,宇航员将从活小鼠体内提取精子和卵子,然后将体外受精的胚胎移植回小鼠体内,这一切都是在微重力的条件下进行的。这个计划的难度相当大,因为小鼠从未在太空成功繁殖过。但是,它们的精子却做到了。

若山照彦现在是美国国家航空航天局(NASA)“太空幼崽”项目的首席研究员,他将小鼠精子冷冻干燥并保存在室温下。2013年,三组冻干样本被送往國际空间站,他将研究在空间站上呆了不同时间后的样本的生存能力。与研究微重力作用下的受精和妊娠不同,这项工作将帮助分析空间辐射对雄性生殖细胞的影响。

若山照彦说,由于国际空间站暴露于强辐射下,这可能会导致精子 DNA 分解,改变后代的遗传物质。虽然没有太多的研究关注DNA受损的小鼠的健康状况,但是他的研究逐渐给出了答案。

进入国际空间站 9 个月后,其中一些精子显示出轻微的DNA受损迹象,但它们仍能继续产下正常、健康的幼崽。若山照彦的团队现在正在分析在国际空间站上飞行了3年的样本。他们随后将研究最后一批在太空生活了6年的样本。

如果冷冻技术成熟,若山照彦计划将冷冻的小鼠胚胎运送到国际空间站,以研究下一个问题:为什么它们不能在太空中完全发育。

从小鼠到火星人

小鼠可能是人类在太空中繁殖的最佳模型之一,但尽管有相似之处,它们与真正的人类还是相去甚远。

堪萨斯大学医学中心的生殖生物学家约瑟夫·塔什指出,如果没有功能完善的人类精子和卵子,我们在太空中的殖民无法长时间维系。自 1996 年以来,他一直在与 NASA 合作。直到几年前,他的研究也主要集中在太空飞行对小鼠和其他动物的影响上。但在2018年4月,他使用了一种类似若山照彦的方法,将冷冻精子送入太空——但是这次使用的是人类的精子。

这项名为“微11”的实验从12名健康、有生育能力的男性身上收集了精子。在国际空间站的一个实验室里,宇航员将冷冻的样本解冻,并将它们与一种化学混合物混合,从而诱使精子游动。从本质上说,这种混合物的化学信号欺骗了精子,让它们以为自己正朝着子卵游去。然后,宇航员用高倍显微镜拍摄精子的运动,试图了解在太空中精子是否具备让卵子受精的生理能力。

“没有激进的想法,很难在太空生存下去,即使有些想法目前看来会饱受争议。”塔什说,“当你在显微镜下观察时,精子的外观会发生各种变化。你可以看到精子使卵子受精所需要的非常特殊的头部变化。当精子接近目标时需要加快速度,而头部的细胞需要融合在一起,这样它们就有足够的力量冲破卵子。如果它们不这样做,受精就不可能实现。”

这些样本现在已经重返地球,但塔什说,还需要一年的时间来梳理它们微小的生殖活动,并确定太空的精子是否能让卵子受精。一旦“微11”计划完成,他就会直接进入下一个宇宙难题:太空中女性的生育能力。

塔什已经找到了一些担忧的理由。他研究了2010年和2011年随美国宇航局航天飞机飞行的雌性小鼠,发现它们的黄体——卵巢中负责产生性激素和培育初生胚胎的短命腺体——出现了问题。

“我们发现,在所有暴露于太空飞行12至15天的雌性小鼠体内,黄体要么完全缺失,要么仅剩余极少部分。”塔什说。这意味着进入轨道仅仅两周,就会导致潜在的生殖问题出现。

他计划2020年将活的雌性小鼠送往国际空间站,这些已经受孕的小鼠将进行一次30到37天的太空旅行。这将覆盖它们的生殖周期(从受孕到出生只需要几周时间),塔什的目标是最终找出小鼠在太空中繁殖有困难的原因。

伍德拉夫是西北地区生殖科学中心的主任,他的计划更进一步,他计划将冷冻的人类卵子和精子送入太空,看看它们是否会成功受精。

伍德拉夫和一组研究人员最近发现了“锌火花”——在受精的那一刻,锌元素的流动使得卵子出现一道闪光。作为受精的标志,锌火花可以使科学家真正看到太空中人类生命的最初阶段。

火星上繁殖的现实问题

伍德拉夫和塔什将着手研究人类生殖细胞。但他们也认为,全面的太空人体试验,包括怀孕和分娩,不会在近期出现。

波兰信息技术与管理大学的哲学助理教授康拉德·斯佐西克认为,即使还要再经历几十年的发展,但我们也应该开始为太空繁殖的严酷现实做好准备。在2018年发表于《期货》杂志的一篇论文中,他从科学之外的层面阐述了婴儿定居火星的影响。

“我们可能会将火星人口计划当成冷冰冰的任务、目标,”斯佐西克说,“这样,个人就会消融在集体之中。而个体的自由与决定很可能不复存在,性与生殖也是一样,这似乎违背了伦理标准和道德直觉。”

斯佐西克表示,为了在一个低重力、充斥着辐射的世界里创造健康的后代,基因编辑、通过基因选择性伴侣和组织性的生殖政策都不应被考虑进去——这种政策在地球上被称为优生学。当然,即使有这些预防措施,婴儿出生时仍可能有残疾,而且由于资源非常有限,火星社会可能无法照顾他们。

斯佐西克說:“要在太空中成功生存,可能需要采取激进的、目前无法接受的或有争议的决定和行动。”

无论是否争论不休,在地球之外建立定居点都将标志着人类的革命性一步。成为星际物种是一条危险的道路,我们应该谨慎地移步而不是鲁莽地奔跑。我们已经朝着创新而又渐进的实验迈进了一步,但我们的火星梦想之路还很遥远。

地球和火星

地球和火星也许是邻居,但这两个星球的情况却截然不同。人类已经习惯了地球充足的阳光、沉重的重力和它所带来的保护,也习惯了地球的大气层和磁场。

另一方面,火星这颗红色星球的温度极低,引力小,而且对有害辐射没有进行处理。当到达火星真的成为现实的时候,可能会让你重新思考成为宇航员的梦想。