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想在太空造人?只解决啪啪啪的问题可能还不够...

当这颗小小的星球已经逐渐承载不了人类的体量和野心的时候,越来越多的人将心思转向了地球以外,那个神秘多变,广袤无尽,没有重力却充满辐射的宇宙。
 
很多科幻小说和电影——远的有《沙丘》和《星际迷航》,近的有《星际穿越》和《三体》——都兴致勃勃地描绘了人类生活在太空中的百样图景。层出不穷的作品中,许多作者约定俗成般地认为人类航行宇宙或移居其它行星的掣肘因素是物理学,当下人类还没有足够的理论和技术来支持人类进行漫长的宇宙旅行

图片来源:www.astronomy.com.cn 

其实,即便我们突破了这些物理瓶颈,造出了超光速飞船,学会了使用虫洞和睡眠系统,解决了哪些人该上飞船、哪些人要被留在地上的问题,满心欢喜准备启航的时候,等待我们的,­也许仍然是当头一盆冷水——老鼠或者其它什么的造物主会嘲弄我们:

脆弱的人类,谁说你们离开地球,还能繁衍了?

短暂的航天史告诉我们,太空并不是地球人类的乐土。历经微重力环境的宇航员,会遇到各样生理指标的改变——肌肉萎缩,骨骼退化,体液流动重置(fluid redistribution,即重力减少引发的体液由下半身向上半身的重新分布),乃至颅压增高引发的视力扰乱。太空辐射还会损伤人体免疫系统,同时增加癌症和阿兹海默症的发生几率[1-2]。由此看来, 长期的星际旅行将会对人类产生更加深远的负面影响。
 
那么,人类的胚胎,能否在太空中正常发育呢?实验研究表明,微重力会显著影响人体多种组织的发育或者干细胞的分化[3-5]。因此,太空中的造人行动能否成功,并不是一件可以轻易预测的事情。作为太空生育的探索,美国和俄罗斯先后开展过以小鼠为模型的动物实验;但在漫长的进化中,人类的胚胎发育也出现了很多不同于其他动物的特性。例如,相较于小鼠,在胚胎发育的早期,人类胚胎的缺陷率极高。
 
在体外受精(试管婴儿)的过程中,50-80%的人类胚胎存在严重缺陷,继而在受精后的几天内停止发育[6]。因此,试管婴儿技术总是需要在众多受精卵中精挑细选,才能保证成功受孕。 在健康人群中, 早期胚胎也可能存在较高的缺陷率——由于有缺陷的胚胎大多会在一周内停止发育,这样的自发流产常常无人察觉[6-7]。与此相比,绝大多数小鼠的受精卵则不会在前几次细胞分裂中就显露明显缺陷。人类与其它实验动物胚胎在早期发育时的这种巨大差异,就可能限制动物实验的结果在人类身上的可移植性。
人类能否在太空中生生不息,只能用人类的细胞来检验

因此,不久前进入太空的天舟一号上,就搭载着一批人类胚胎干细胞(human embryonic stem cells)。科学家将通过它们,初步检验人类在太空中的生育能力。
 
人类胚胎干细胞来源于人类胚胎发育早期的部分细胞。通过增殖和分化,这些细胞最终会发育成为整个胎儿。在体外环境中,胚胎干细胞可以在特定的培养条件下近乎无限增殖,同时保持自身的特性不变(即干细胞的自我更新性质)。在特定细胞因子的刺激下­,胚胎干细胞可以沿着类似于体内发育的轨迹,一步一步分化发育成为各种类型的人体细胞[8]

人体胚胎干细胞的分化,图片来源:Murry, et al. | [8]

在这一次天舟一号的实验中,人类胚胎干细胞将会接受特定信号因子的诱导,分化成为原始生殖细胞(Primordial germ cells),即人类生殖细胞的前体细胞。人类胚胎在发育的早期会产生极少量的原始生殖细胞,这些细胞随后会增殖并且迁移进入生殖腺,在生殖腺的环境下进一步发育成为精/卵原细胞,再进一步进行减数分裂发育为成熟的生殖细胞。作为这一系列过程中的第一步,原始生殖细胞的产生,在胚胎发育的早期就会完成。只有这一步能够完成,在太空中发育的人类婴儿才能拥有生育能力,才可以进一步繁育后代,子子孙孙无穷尽也。
 
不过,天舟一号没有返回舱,所有的实验样品都会在返回时在大气层烧毁。那么,该怎样检验胚胎干细胞是否分化出了原始生殖细胞呢?
 
最便宜的办法大概是发送一个生物博士上去。然而……
 
负责实验的纪家葵课题组选择了一种更人道主义的方法:他们开发了一套荧光报告系统,将2008年获得诺贝尔奖的绿色荧光蛋白GFP,嵌入到了一个名叫VASA的基因之中——当细胞表达VASA基因的时候,荧光蛋白也同时会被激活表达,细胞就会发出绿色的荧光。由于VASA基因只会在生殖细胞谱系(即从原始生殖细胞发育到成熟生殖细胞的各个类型的细胞)中表达[9],而不会在胚胎干细胞等其他细胞类型中表达,因此,实验中出现的第一批绿色细胞就是原始生殖细胞了。与同期在地面培养的细胞对比,绿色细胞的比例差异就会告诉我们原始生殖细胞的发育是否会受到太空微重力环境的影响。
 
下面这幅图就来自于这个荧光报告系统的验证实验,图中细胞的DNA被染为蓝色,VASA荧光为绿色。在天舟一号的实验中,最初的胚胎干细胞都是没有绿色荧光的细胞(类似图中第一行)。随后的几天, 含有特定信号因子的培养液将会逐步诱导胚胎干细胞的分化——如果分化诱导成功,我们就会期望见到一些发出绿色荧光的原始生殖细胞(类似图中后三行所示)。

图片来源:修改自Kee, et al. [9]

如果人类胚胎干细胞可以在太空中成功分化为原始生殖细胞,我们还可以利用这个荧光报告系统,进一步探索是否可以在太空零重力条件下获得更加成熟的生殖细胞,例如精/卵原细胞,乃至精子和卵子。生命始于精卵结合,人类只有能够在太空中产生成熟的生殖细胞,才会具有在太空中延续种族的能力。对于太空生育的探索, 也是人类迈向深空的重要一步。(编辑:明天)

题图来源:123RF

参考文献:

  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, W. E., & McDonald, J. M. (2004). Modeled microgravity inhibits osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells and increases adipogenesis. Endocrinology.
  6. Wong, C. C., Loewke, K. E., Bossert, N. L., & Behr, B. (2010). Non-invasive imaging of human embryos before embryonic genome activation predicts development to the blastocyst stage. Nature.
  7. Chavez, S. L., Loewke, K. E., 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, C. E., & Keller, G. (2008). Differentiation of embryonic stem cells to clinically relevant populations: lessons from embryonic development. Cell.
  9. Kee, K., Angeles, V. T., Flores, M., Nguyen, H. N., & Pera, R. (2009). Human DAZL, DAZ and BOULE genes modulate primordial germ-cell and haploid gamete formation. Nature.
The End

发布于2017-05-19, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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氪罗钡路斯

生物博士在读,线粒体

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