环球科学 2019-05-13
繁衍，是人类统治地球的途径。但当人类将目光投向太空、希望完成地外殖民，情况就有所不同了。
绘图：David Curtis
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，下面这些科学家正努力解答，人类能否在太空中完成正常的生殖过程。
撰文 | Amber Jorgenson
翻译 | 董依明
审校 | 吴非
从美国航空航天局（NASA）50多年前的双子星计划中，我们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，骨密度减小了6%左右，并出现了肌肉萎缩的情况。这或许是太空中无处不在的宇宙射线导致的。宇宙射线的危害巨大，不仅会诱发癌症等疾病，还被证明会损伤DNA和神经系统。
太空，一个危机四伏的地方，即使是训练有素的宇航员，也会面临各种危险。那么胚胎、胎儿和新生儿，这些脆弱的幼小生命又该怎么办呢？首先，我们应该考虑的是：太空会如何影响我们的生殖系统？答案是未知的，科学家们甚至都不知道女性是否可以在太空受孕。
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？
小鼠的太空受精危机
要在太空中繁殖，每一步都不容易。
据我们所知，没有人在太空发生过性行为。因为几乎没有引力，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的行动。
几十年来，科学家一直致力于破解在太空中生殖的奥秘。“太空竞赛”之后，为测试生物在地球之外的繁殖能力，鱼类、线虫、青蛙和蝾螈纷纷被带进太空轨道。令人惊讶的是，它们都能繁殖健康的后代。但是，仍然有障碍横在科学家面前。1979年，在一颗俄罗斯卫星上，雄性和雌性大鼠在18.5天的任务期内发生了令人惊讶的事情：它们要么未能成功受精，要么选择性地拒绝发生性行为，这种啮齿动物的禁欲行为在地球上几乎是闻所未闻的。随后，小鼠试验的结果同样引起了广泛的关注。
啮齿动物属哺乳动物，其解剖学、生理学和基因都与我们人类相似。西北大学生殖科学中心主任Teresa Woodruff说，小鼠与我们非常像，我们可以从它们的早期孕期中看到与人类相似的问题。对此，其他研究者也表示同意。
“因为只有哺乳动物才有胎盘，所以只有通过哺乳动物试验，我们才能了解太空环境对胎盘的影响。”日本山梨大学高级生物技术中心主任若山照彦说。多年来，他一直致力于研究哺乳动物如何在太空中繁殖。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（类似于空间站中宇航员的环境）环境中受精。
2009年，若山照彦从小鼠中提取出卵子和精子，放在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，实验的结果并非单一的：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成功繁育的后代更加困难。
为了解这一幕会不会在高辐射与微重力并存的太空重演，若山照彦向日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）提出申请，希望在国际空间站（ISS）重复上述研究。但是这一次，宇航员会从活体小鼠身上提取精子和卵子，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，他们的精子却做到了。
若山照彦现在是NASA的“太空幼崽”任务的课题组长，他将小鼠精子冷冻干燥，在室温下保存。三组冻干样品于2013年进入国际空间站，Wakayama得以在空间站中研究它们的生存能力与时间的关系。这将帮助分析宇宙辐射对雄性生殖细胞的影响。
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，若山照彦说。许多研究都没有重视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，一些精子显示出细微的DNA受损迹象，但它们仍能产生健康的幼崽。若山照彦的团队刚刚分析了在国际空间站上保存了3年的样本; 最后一批在太空6年的样本将于今年返回地球。
产生这些小鼠崽的精子经过冷冻，并且在太空中停留了288天。
图片来源：Teruhiko Wakayama/PNAS/June 6, 2017 Vol. 114 No. 23
如果冷冻技术生效，若山照彦计划将冷冻的小鼠胚胎运到国际空间站，然后研究下一部分问题：为什么它们不能在太空完全发育。
从小鼠到人类
尽管诸多相似之处让小鼠成为模拟人类在太空中繁殖的最佳模型之一，但小鼠试验的结论终究不能等同于人类。
堪萨斯大学医学中心的生殖学家Joseph Tash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，他的研究主要集中太空飞行对小鼠和其他动物的影响。但是在2018年4月，Tash更进一步。他使用了类似于若山照彦的方法，将冷冻精子送入太空——但这一次，他使用的是人类的精子。
这项名为Micro-11的实验收集了来自12名健康、精力旺盛的男性的精子。在国际空间站的一个实验室里，宇航员解冻了冷冻样本，并将其与一种混合试剂混合，混合物的化学信号模拟了卵子，从而诱使精子游动。宇航员用高倍显微镜拍摄了精子的运动，试图捕捉在太空中，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。”Tash说。
“当你在显微镜下观察时，精子的外观会出现各种变化，”Tash说， “你能看到精子头部出现特征性的变化，那是为卵子受精所准备的。”精子在接近目标时需要获得速度，头部的细胞也需要合并，从而拥有足以突破卵子的强度。如果它们不这样做，受精是不可能完成的。
现在这些样本已经回到了地球，但Tash说，还需要一年的时间来梳理观察结果，并确定太空的精子能否让卵子受精。然而，当Micro-11计划完成，他又立马开始面对下一个宇宙难题：太空中女性的生育能力。
他已经找到了一些担心的理由。 Tash研究了在2010年和2011年随NASA航天飞机旅行的雌性小鼠，发现它们的黄体（卵巢中的短命腺体，负责产生性激素和培育新生胚胎）出了问题。 …
