【科技.未來】抗宇宙輻射 自製氨基酸 要咩基因先可以住火星?

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太空探索技術公司(Space X)創辦人馬斯克(Elon Musk)多次宣揚其殖民火星的美夢,揚言最快2024年可載人到火星。

但上月底他卻遭數名科學家「打臉」,指以現時技術無法將火星改造成地球般適合人住。與此同時,卻有另一些科學家持相反觀點:可否改造人類基因來適應外太空?

(視覺中國)

馬斯克認為人類的未來只有兩條路:一是永遠留守地球,等待着某日歷史重演,發生大規模品種滅絕;二是擴展文明至太空,成為他所謂的「跨星球物種」(multi-planetary species)。今年3月,他在美國南方音樂節(SXSW)上說:「在火星建立自給自足的基地很重要,因為(當地球發生戰爭時)距離地球夠遠,比起月球基地有更大存活機會。若發生第三次世界大戰,我們希望確保在別處留有足夠的人類文明種子可以在日後復興,縮短黑暗時代。」

而人類可選擇的行星不多,金星既高壓又炎熱,水星過於接近太陽,土星和木星又太遠、難以到達。雖然馬斯克不反對人類去月球,但他認為月球實在太小,沒有大氣層,資源也不多。最終,只剩火星可作為人類住所的下一站選擇。Space X目標先在2022年以其BFR火箭運載兩艘載貨太空船往火星,2024年再載人登陸。

SpaceX創辦人馬斯克(Elon Musk)目標在2024年,以其公司的BFR火箭送人到火星。(視覺中國)

馬斯克不是唯一有此想法的人。美國太空總署(NASA)以2030年代可以派人登陸火星為長遠目標,美國總統特朗普則希望NASA在他第二任期完結前派人登陸火星。去年12月,他簽署「頭號太空政策指令」(Space Policy Directive 1)時就表明,NASA重返月球的目的是「為日後到達火星甚至更遠的世界建立基礎」。阿聯酋去年也宣布了「火星2117」計劃,目標在100年內建造「火星迷你城市和社區」。

火星地球化言之過早?

問題是,火星也不是那麼理想的居住環境,它缺少生命的必要元素:水。雖然現時火星的大氣層主要由二氧化碳組成,但實在太過薄弱和寒冷,表面平均氣溫只有攝氏零下62度(地球表面平均溫度則為攝氏14度),大氣壓力也僅是地球的0.6%,火星表面任何液態水都會迅速凝固。

不過,馬斯克認為火星可以「地球化」(terraforming),即把環境改造成像地球般適合人類居住。推動火星地球化的人認為,可用不同方法釋放火星上的溫室氣體,加厚其大氣層,讓火星升溫至某一個地步,令液態水可以穩定存在於火星表面。

數年前,馬斯克在美國人氣清談節目《The Late Show with Stephen Colbert》上就提過他的想法:「你可以改造火星成為類似地球的行星,需要讓它變暖。快捷的方法是在火星兩極投放熱核武器。」原理是藉此釋放二氧化碳和水氣到火星大氣層,然後靜待溫室效應把火星變暖,足以讓水以液態存在,作為所有生命的基礎。

火星如何地球化

但上月底,一項由NASA支持、刊於《自然·天文》(Nature Astronomy)期刊上的研究卻對馬斯克的想法潑了冷水。研究人員以NASA的火星偵察軌道衛星(Mars Reconnaissance Orbiter)、2001火星奧德賽號太空船(Mars Odyssey)和火星大氣與揮發物演化任務(MAVEN)提供的數據分析火星上含碳礦物質的數量和火星大氣消失情況。作者之一的科羅拉多大學波德分校(UC Boulder)教授賈高斯基(Bruce Jakosky)也是NASA MAVEN任務的主要調查員。他在一份聲明中如此總結是次研究:「我們的研究結果表明,火星上沒有足夠的二氧化碳可提供明顯的溫室暖化;再者,絕大部分的二氧化碳氣體都難以取得,所以以今時今日的技術,火星不可能地球化。」

他們估算火星的二氧化碳壓力需達到地球的總的大氣壓力,才有望足夠升溫讓液態水穩定存在。最容易取得二氧化碳的來源是火星兩極的冰帽,可利用塵土增加吸收太陽輻射,或像馬斯克建議般以爆炸來釋放它們,但即使成功氣化這些二氧化碳,只能讓火星大氣壓力僅升至地球的1.2%。另一個方法是加熱火星泥土,釋放那些附於塵粒上的二氧化碳,但該研究估算這只可提供4%所需的壓力。第三種二氧化碳的來源是火星的礦物,研究團隊以NASA的觀測數據估算,現時頂多只能提供不足5%所需壓力,視乎那些礦物藏得離火星表面有多深。還有人想過引導彗星或小行星撞向火星來產生氣體,也遭研究團隊反駁,因為這需要數以千計的彗星或小行星才有望達成,毫不實際。

馬斯克卻對研究甚為保留,迅速在社交平台Twitter上引用NASA埃姆斯研究中心(Ames Research Center)行星科學家Christopher P. McKay與太空工程師Robert M. Zubrin聯合撰寫的研究反駁,堅稱火星有足夠二氧化碳導致地球化。孰真孰假,只能由更多的火星任務和數據來回答。

太空不是人住的?

演化中所謂「適應力」(fitness)是天擇的一種衡量:某物種在特定環境中存活或繁殖的可能性。我們可能早至二、三十萬年前已居住於非洲,自此向全世界出發,可見人類的地球適應力甚強。

在太空則相反,人類只能依靠保護力有限的太空衣和太空船來「適應」。輻射是我們無法適應的惡劣條件之一。Biogerontology Research Foundation的研究員Franco Cortese估計,太空人比一般人多遭受40至100倍輻射。NASA太空人凱利(Scott Kelly)曾多次到國際太空站(ISS)執勤,逗留共520日,至今已受到約240毫希沃特(mSv)輻射,而我們在牙醫檢查時照一次X光的量才是8毫希沃特。

NASA太空人凱利(Scott Kelly)曾多次到國際太空站(ISS)執勤,逗留共520日,至今已受到約240毫希沃特(mSv)輻射(視覺中國)

去火星的話就更為危險。NASA建議太空人一生最多只能暴露於800至1200毫希沃特輻射,但單是從火星返回地球的一趟旅途,估計約遭受600毫希沃特輻射,已佔了一生限額一大半。何況太空中的輻射量還可能仍在增加。新罕布什爾大學(UNH)物理學家團隊今年2月發表的一項研究,從NASA的Lunar Reconnaissance Orbiter的輻射監測數據發現,過去4年間,太空的輻射增加了30%。未來上太空或有更高的輻射風險。

在地球,我們有磁場和大氣層來抵擋輻射,但在火星表面或太空船上卻近乎無遮無掩。長期暴露於宇宙輻射或突如其來的太陽質子事件中,我們的細胞會死亡或失靈,可引致心臟病、認知下降等疾病;也會破壞我們的DNA,在DNA自行修復過程中或出現基因突變,造成癌症和遺傳病。從原子彈或切爾諾貝爾(Chernobyl)輻射事故的生還者中,也發現他們更容易患上輻射白內障(Radiation cataracts)。除了輻射以外,太空重力較低甚至沒有重力,也會導致我們體內液體流動發生變化,改變眼球壓力造成視力模糊;骨密度減低,肌肉也會萎縮。

基因編輯「抗輻射人」

一些科學家正從不同途徑尋找抵抗輻射的對策。康乃爾大學威爾醫學院(Weill Cornell Medicine)遺傳學家美臣(Christopher Mason)曾提出人類殖民太空的「500年計劃」,認為需要增加基因組學知識,如哪些基因科學家不該觸碰,以及微生物工程進步後,最終可編輯人類基因改造後代:「基因編輯可為太空人建立與生俱來的生物防禦系統以應付太空任務。」

2014年誕生的基因編輯CRISPR Cas9,是基於細菌抵禦外敵的辨認機制CRISPR,配合Cas9蛋白作為分子剪刀,可達到前所未有的準確、方便和便宜,像文字軟件裏的尋找、剪下、貼上功能一樣,來改變生物的基因。美國哈佛大學遺傳學權威卓治(George Church)也是同道中人,他聲稱已辨認出逾40個有利於長途太空航程的基因,如增強抗輻射力的CTNNB1、造出特強骨骼的LRP5、讓藏族人適應低氧環境的EPAS1等。波士頓一間基因檢測公司Veritas Genetics正提供收費999美元的方案,可告訴你有什麼「太空基因」。

水熊(water bears)不但可以在真空中生存,還可抑制DNA遭受輻射時斷開或促進DNA修復。(視覺中國)

此外,這些有助於我們在太空生存的基因很可能是來自其他生物。美臣研究的第一步就是把名為Dsup的基因結合至人類細胞,這種基因是俗稱「水熊」(Water Bear)的緩步動物(tardigrades)特有,他們不但可以在真空中生存,還可抑制DNA遭受輻射時斷開或促進DNA修復。國枝武和領導的東京大學團隊,就曾把緩步動物的此類保護基因,加插到實驗室培養的人體細胞,發現比起一般人體細胞,改良過的細胞抵抗X光傷害的能力強40%。

抗輻射奇異球菌(Deinococcus radiodurans)能在寒冷、乾旱、酸性或高輻射的環境中生存,或有助人類未來適應外太空環境。(Wikimedia Commons)

美臣的實驗室也正人工製造p53基因——一種常見於大象的基因,希望未來可加到人類細胞,因為擁有多組p53基因的大象很少死於癌症。他另一個研究則是針對抗輻射奇異球菌(Deinococcus radiodurans),一種能在寒冷、乾旱、酸性或高輻射的環境中也能生存的細菌。

有科學家更考慮到,若要成功殖民或真正適應火星,人類必須有能力在火星上自給自足。美國麻省理工研究員Lisa Nip指出,要編輯基因的生物隨時不止於人類:「基因編輯用在植物和細菌等生物,讓它們更能於非原生環境中生存,這絕對有助太空人建造熟悉的居所,提供可持續的糧食和藥物資源。」

基因編輯技術發明者之一杜德納(Jennifer Doudna)曾向英國《衛報》稱深受電影《火星任務》(The Martian)啟發:「我會思考基因編輯如何在火星幫助人類。例如片中麥迪文(Matt Damon)飾演的角色要種薯仔,若使用基因編輯,就可以改變薯仔(的組織),使其在少水的情況下可以生存,更適應那個環境。」

更極端的想法可見於哥倫比亞大學(University of Columbia)的Harris H Wang。他正研究改變人的腎臟細胞,以合成9種本來無法自行製造的氨基酸。要達到這種能力,將需要大約250種新的基因,一旦成功,太空人可能只需要飲糖水就能維生,太空任務也不需再運送又多又重的糧食。不過,他堅稱並非想製造「改造人」:「我只想指出,如果你要展開銀河旅途,你需要解決完全自給自足的問題。我們正計劃把人放到十分極端的環境,從那個考量方向來說,這似乎是長遠方案之一。」

 

若技術問題解決,又是否人人都有機會到太空延續生命?請見另文:《【科技.未來】改造基因適應太空 你有無資格生存?》

上文節錄自第126期《香港01》周報(2018年8月27日)《改變人類基因可以殖民火星?》

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