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想在太空「造人」?只解決啪啪啪的問題可能還不夠······

文/氪罗钡路斯什么云销雨霁被抢注了|果殼網科普作者

電影《地心引力》劇照。圖/Yahoo電影

當這顆小小的星球已經逐漸承載不了人類的體量和野心的時候,越來越多的人將心思轉向了地球以外,那個神秘多變,廣袤無盡,沒有重力卻充滿輻射的宇宙。

很多科幻小說和電影——遠的有《沙丘》和《星際迷航》,近的有《星際效應》和《三體》——都興致勃勃地描繪了人類生活在太空中的百樣圖景。層出不窮的作品中,許多作者約定俗成般地認為人類航行宇宙或移居其它行星的掣肘因素是物理學,當下人類還沒有足夠的理論和技術來支持人類進行漫長的宇宙旅行

《星際效應》劇照。圖/天文論壇

其實,即便我們突破了這些物理瓶頸,造出了超光速飛船,學會了使用蟲洞和睡眠系統,解決了哪些人該上飛船、哪些人要被留在地上的問題,滿心歡喜準備啟航的時候,等待我們的,也許仍然是當頭一盆冷水——老鼠或者其它什麼的造物主會嘲弄我們:

脆弱的人類,誰說你們離開地球,還能繁衍了?

短暫的航空太空史告訴我們,太空並不是地球人類的樂土。歷經微重力環境的宇航員,會遇到各樣生理指標的改變——肌肉萎縮,骨骼退化,體液流動重置(fluid redistribution,即重力減少引發的體液由下半身向上半身的重新分佈),乃至顱壓增高引發的視力擾亂。太空輻射還會損傷人體免疫系統,同時增加癌症和阿茲海默症的發生機率[1-2]。由此看來,長期的星際旅行將會對人類產生更加深遠的負面影響。

那麼,人類的胚胎,能否在太空中正常發育呢?實驗研究表明,微重力會顯著影響人體多種組織的發育或者幹細胞的分化[3-5]。因此,太空中的造人行動能否成功,並不是一件可以輕易預測的事情。作為太空生育的探索,美國和俄羅斯先後開展過以小鼠為模型的動物實驗;但在漫長的進化中,人類的胚胎發育也出現了很多不同於其他動物的特性。例如,相較於小鼠,在胚胎發育的早期,人類胚胎的缺陷率極高。

在體外受精(試管嬰兒)的過程中,50-80%的人類胚胎存在嚴重缺陷,繼而在受精後的幾天內停止發育[6]。因此,試管嬰兒技術總是需要在眾多受精卵中精挑細選,才能保證成功受孕。在健康人群中,早期胚胎也可能存在較高的缺陷率——由於有缺陷的胚胎大多會在一周內停止發育,這樣的自發流產常常無人察覺[6-7]。與此相比,絕大多數小鼠的受精卵則不會在前幾次細胞分裂中就顯露明顯缺陷。人類與其它實驗動物胚胎在早期發育時的這種巨大差異,就可能限制動物實驗的結果在人類身上的可移植性。

人類能否在太空中生生不息,只能用人類的細胞來檢驗。

因此,不久前進入太空的天舟一號上,就搭載著一批人類胚胎幹細胞(human embryonic stem cells)。科學家將通過它們,初步檢驗人類在太空中的生育能力。

人類胚胎幹細胞源自人類胚胎發育早期的部分細胞。通過增殖和分化,這些細胞最終會發育成為整個胎兒。在體外環境中,胚胎幹細胞可以在特定的培養條件下近乎無限增殖,同時保持自身的特性不變(即幹細胞的自我更新性質)。在特定細胞因子的刺激下,胚胎幹細胞可以沿著類似於體內發育的軌跡,一步一步分化發育成為各種類型的人體細胞[8]

人體胚胎幹細胞的分化。圖片來源:Murry et al.[8]

在這次天舟一號的實驗中,人類胚胎幹細胞將會接受特定信號因子的誘導,分化成為原始生殖細胞(Primordial germ cells),即人類生殖細胞的前體細胞。人類胚胎在發育的早期會產生極少量的原始生殖細胞,這些細胞隨後會增殖並且遷移進入生殖腺,在生殖腺的環境下進一步發育成為精/卵原細胞,再進一步進行減數分裂發育為成熟的生殖細胞。

作為這一系列過程中的第一步,原始生殖細胞的產生,在胚胎發育的早期就會完成。只有這一步能夠完成,在太空中發育的人類嬰兒才能擁有生育能力,才可以進一步繁育後代,子子孫孫無窮盡也。

不過,天舟一號沒有返回艙,所有的實驗樣品都會在返回時在大氣層燒毀。那麼,該怎樣檢驗胚胎幹細胞是否分化出了原始生殖細胞呢?

最便宜的辦法大概是發送一個生物博士上去。然而······

負責實驗的紀家葵研究小組選擇了一種更人道主義的方法:他們開發了一套螢光報導告系統,將2008年獲得諾貝爾獎的綠色螢光蛋白 GFP,嵌入到了一個名叫 VASA 的基因之中——當細胞表現 VASA 基因的時候,螢光蛋白的表現也同時會被活化,細胞就會發出綠色的螢光。由於 VASA 基因只會在生殖細胞譜系(即從原始生殖細胞發育到成熟生殖細胞的各個類型的細胞)中表現[9],而不會在胚胎幹細胞等其他細胞類型中表現,因此,實驗中出現的第一批綠色細胞就是原始生殖細胞了。與同期在地面培養的細胞對比,綠色細胞的比例差異就會告訴我們原始生殖細胞的發育是否會受到太空微重力環境的影響。

下面這幅圖就來自於這個螢光報導系統的驗證實驗,圖中細胞的 DNA 被染為藍色,VASA 螢光為綠色。在天舟一號的實驗中,最初的胚胎幹細胞都是沒有綠色熒光的細胞(類似圖中第一行)。隨後的幾天,含有特定訊息因子的培養液將會逐步誘導胚胎幹細胞的分化—— 如果分化誘導成功,我們就會預期見到一些發出綠色螢光的原始生殖細胞(類似圖中後三行所示)。

圖片修改自Kee et al. [9]

如果人類胚胎幹細胞可以在太空中成功分化為原始生殖細胞,我們還可以利用這個螢光報導系統,進一步探索是否可以在太空零重力條件下獲得更加成熟的生殖細胞,例如精/卵原細胞,乃至精子和卵子。生命始於精卵結合,人類只有能夠在太空中產生成熟的生殖細胞,才會具有在太空中延續種族的能力。對於太空生育的探索, 也是人類邁向深空的重要一步。(責任編輯:明天)

參考文獻:

  1. Kanas, Nick, and Dietrich Manzey. “Basic issues of human adaptation to space flight." Space psychology and psychiatry (2008): 15-48.
  2. Baker, Daniel N., et al. “Space radiation hazards and the vision for space exploration: A report on the October 2005 Wintergreen Conference." Space Weather 5.2 (2007).
  3. Bradamante, S., Barenghi, L., & Maier, J. (2014). Stem cells toward the future: the space challenge. Life.
  4. Yuge, L., Kajiume, T., & Tahara, H. (2006). Microgravity potentiates stem cell proliferation while sustaining the capability of differentiation. Stem Cells and Development.
  5. Zayzafoon, M., Gathings, WE, & McDonald, JM (2004). Modeled microgravity inhibits osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells and increases adipogenesis. Endocrinology.
  6. Wong, CC, Loewke, KE, Bossert, NL, & Behr, B. (2010). Non-invasive imaging of human embryos before embryonic genome activation predicts development to the blastocyst stage. Nature.
  7. Chavez, SL, Loewke, KE, Han, J., Moussavi, F., Colls, P., Munne, S., et al. (2012). Dynamic blastomere behaviour reflects human embryo ploidy by the four-cell stage. Nature Communications.
  8. Murry, CE, & Keller, G. (2008). Differentiation of embryonic stem cells to clinically relevant populations: lessons from embryonic development. Cell.
  9. Kee, K., Angeles, VT, Flores, M., Nguyen, HN, & Pera, R. (2009). Human DAZL, DAZ and BOULE genes modulate primordial germ-cell and haploid gamete formation. Nature.

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