發(fā)布日期：2017-06-13
在環(huán)繞著地球飛行了288天，將近九個月后，保存在國際空間站里小鼠的精子還是成功的生產(chǎn)出了健康的小鼠[1]。這聽上去并不是什么重大的新聞，但是想像一下，當(dāng)宇宙時代真的到來的時候，人類長時間的太空旅行成為一種日常的時候，我們能否在太空環(huán)境中生下健康的寶寶就是一個非常關(guān)鍵的問題了。
在太空環(huán)境中保存了九個月的老鼠精子誕生出的健康的老鼠寶寶 。圖片來源參考文獻(xiàn)1
想“啪啪”，不容易
在太空里面啪啪啪本身就是一件非常困難的事情。牛頓的第三定律告訴我們“當(dāng)兩個物體相互作用時，彼此施加于對方的力，其大小相等，方向相反”。所以在宇宙失重的環(huán)境中，當(dāng)兩個人碰撞時，碰撞會使兩個人朝著相反的方向分開，很難使兩個人在不借助外力的情況下保持在一起。
你想多了，真實(shí)的畫面恐怕……并沒有這么美好喲。圖片來源：《太空旅客》你想多了，真實(shí)的畫面恐怕……并沒有這么美好喲。圖片來源：《太空旅客》
更重要的是，在地球環(huán)境中，啪啪啪過程中產(chǎn)生的汗液會依附在人體的表面，不會離開我們身體的表面。但是在失重的環(huán)境下，這些小水滴會由于運(yùn)動離開人體表面，漂浮在周圍的環(huán)境中，可以想像這并不是什么另人愉悅的場景。
最后，在太空環(huán)境中，啪啪啪這樣的過程對人們的體力，尤其是心血管系統(tǒng)，是一個不小的考驗(yàn)，弄不好，很有可能導(dǎo)致心腦血管的問題。所以人類如果真的進(jìn)入了太空時代，運(yùn)用試管技術(shù)是一個更加明智的選擇[2]。
多種嘗試
在宇宙的環(huán)境中運(yùn)用試管技術(shù)，失重和高輻射是我們不得不面對的兩個挑戰(zhàn)。而這樣的環(huán)境，對于生殖細(xì)胞，尤其是哺乳動物生殖細(xì)胞的影響，我們還沒有確定的結(jié)論。日本山梨大學(xué)若山照彥（Teruhiko Wakayama）教授最新的一項(xiàng)研究[1]對于我們回答這個問題提供了一個方向。
生命從誕生到衰亡的整個過程中的很多機(jī)理到現(xiàn)在我們還沒有弄明白，更不用說在太空環(huán)境中會有什么改變了。在地球上，所有的生命都生活在重力的影響下，而且由于地球磁場的存在，宇宙射線中的很多高能粒子已經(jīng)被大氣層過濾掉，生命本身并沒有直接暴露于這些粒子。但是在宇宙中，月球上，甚至火星上，引力不僅小很多，而且生命體會被直接的暴露于這些高輻射的環(huán)境中。在這樣的環(huán)境下，對于動物的生殖繁育到底有什么樣的影響，我們并不是特別的清楚。
在這之前，科學(xué)家就已經(jīng)研究過宇宙環(huán)境對于生物體生殖的影響，各種動物在不同的實(shí)驗(yàn)中被測試過了，包括大鼠，魚類，蠑螈，甚至海膽。但是研究結(jié)果并沒有得到一致的結(jié)論。比如1979年的一個實(shí)驗(yàn)中，活體大鼠被放置在一個被俄羅斯送上太空的衛(wèi)星中，在飛行周期中 ，大鼠并沒有成功地在太空繁育活體寶寶。在另外一些將生殖細(xì)胞帶入太空的實(shí)驗(yàn)中，海膽的精子被防在試管內(nèi)，在宇宙飛行的過程中受到了損害。然而相似的實(shí)驗(yàn)在其它生物上得到了比較積極的結(jié)果：在試管中被送上太空的魚類，果蠅和線蟲的生殖細(xì)胞在返回地球后都成功的在宇宙的環(huán)境下繁育了下一代?？墒怯钪姝h(huán)境對于哺乳動物生殖細(xì)胞的影響的研究卻少之又少 [3]。
凍干精子初獲成功
出于對這個問題的好奇，若山照彥教授的團(tuán)隊(duì)從不同品系的小鼠個體中取得精子，對樣品進(jìn)行了凍干處理。凍干技術(shù)就是將生物樣品快速的放到零度以下的低溫，將樣品進(jìn)行降溫凍結(jié)成固體，然后在真空的條件下使固體水直接升華出來，這樣的技術(shù)可以快速的保存樣品，同時保持大分子物質(zhì)，比如DNA和蛋白質(zhì)的活性。該團(tuán)隊(duì)之前的研究表明[4]，經(jīng)過凍干處理的小鼠精子雖然細(xì)胞本身不再存活，但是凍干處理的樣品加入到水中，然后直接注射到卵子中的時候，仍然可以產(chǎn)生后代，因?yàn)樵谡麄€過程中DNA仍然保持其完整性和生物活性。更重要的是，經(jīng)過凍干處理的樣品在室溫的環(huán)境下可以保存兩年之久，在冷凍的環(huán)境下可以無限的保存下去。而且，經(jīng)過處理的樣品非常輕便，便于攜帶，還不占什么體積。同樣的技術(shù)也可能在不久的將來，應(yīng)用到人的身上。
被帶到國際空間站的“速凍”樣品：A） 小瓶中的白色液體是小鼠精液的凍干樣品，然后每小瓶被裝在一個袋子中；B）四瓶來自同一小鼠的樣品被裝載了一個袋子里，一共有12只實(shí)驗(yàn)用小鼠；C）所有的樣品被裝在了同一個盒子里，這個小盒子就是最后帶上空間站的盒子。圖片來源：參考文獻(xiàn)1
那么經(jīng)過凍干處理的精子到底能不能經(jīng)受住太空環(huán)境的考驗(yàn)?zāi)兀窟@就是若山照彥教授團(tuán)隊(duì)的新研究所探討的內(nèi)容了[1]。
于是2013年8月，小鼠凍干精子的樣品被帶到了國際空間站上面，在-95?C，輻射比地表強(qiáng)100倍的環(huán)境中，進(jìn)行了9個月的太空旅行，直到2014年5月返回地球。當(dāng)樣品返回地球之后，科學(xué)家們開始了對于精子的各種測試。首先，科學(xué)家們檢測了宇宙環(huán)境對于精子的形態(tài)學(xué)和遺傳物質(zhì)有沒有明顯的損傷?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，在光顯微鏡下面，經(jīng)過太空環(huán)境處理的精子和正常的精子并沒有顯著的外觀上的差別，只是精子的尾巴變的更長一些。
正常的精子（E）和經(jīng)過太空環(huán)境處理過的精子（F）在外觀形態(tài)上并沒有太大的區(qū)別。 圖片來源：參考文獻(xiàn)1
除此之外，科研人員還研究了宇宙輻射環(huán)境對于精子遺傳物質(zhì)是不是造成了顯著的改變，通過對于小鼠精子遺傳物質(zhì)的染色實(shí)驗(yàn)，科研人員發(fā)現(xiàn)盡管在經(jīng)過宇宙輻射環(huán)境處理過的精子有一些遺傳物質(zhì)的改變，但是和健康的精子比起來，并沒有顯著性的差異。即使宇宙環(huán)境讓精子發(fā)生了一些改變，但是這些改變在健康的卵子里面似乎很快就被修復(fù)了。科研人員接著將經(jīng)過輻射處理的精子和正常的卵子結(jié)合，一部分受精卵被放在試管內(nèi)觀察它們的發(fā)育過程，同時將另一部分受精卵移植到小鼠的體內(nèi)，看它們能不能發(fā)育成正常的個體。結(jié)果是：受精卵不僅在試管內(nèi)發(fā)育正常，而且在小鼠體內(nèi)發(fā)育成正常的胎兒。
宇宙射線輻射過的精子和正常的卵子結(jié)合后，受精卵發(fā)育正常。圖片來源：參考文獻(xiàn)1
為了比較輻射對于下一代小鼠的健康的影響，科學(xué)家們還比較了新生小鼠和健康小鼠的遺傳物質(zhì)DNA的變化。通過比較小鼠們的基因組，發(fā)現(xiàn)兩者被沒有明顯的差別。
所以科學(xué)家得出結(jié)論，經(jīng)過輻射小鼠精子產(chǎn)生的后代，同樣是健康的。在經(jīng)過輻射處理的精子產(chǎn)生的后代中，雌雄比例為47%比53%，也在正常雌雄比例范圍內(nèi)。更重要的是，這些小鼠產(chǎn)生的后代，也是健康的小鼠，說明輻射不會影響正常的生育。
這項(xiàng)研究的結(jié)果，間接地告訴我們，在宇宙強(qiáng)輻射的環(huán)境中生育健康的下一代是可能的。而且凍干精子技術(shù)的應(yīng)用，完全的抑制了細(xì)胞的代謝，將代謝過程中產(chǎn)生變異的可能性降低到了最低。論文發(fā)表后，若山照彥教授在一次采訪中[3]還提出了一個瘋狂的假設(shè)，在國際空間站建立一個各個動物的精子庫。這個便攜式的精子庫可以幫助我們在未來的宇宙時代，在一個新發(fā)現(xiàn)的星球上，快速的復(fù)制地球上的生物。如果某一天你發(fā)現(xiàn)了一個新的星球，當(dāng)你到達(dá)你的星球后可以快速復(fù)制你想要的生物的種類，是不是想想就激動呢？
[1] Wakayama， S。， Kamada， Y。， Yamanaka， K。， Kohda， T。， Suzuki， H。， Shimazu， T。， Tada， M。 N。， Osada， I。， Nagamatsu， A。， Kamimura， S。， Nagatomo， H。， Mizutani， E。， Ishino， F。， Yano， S。 & Wakayama， T。 （2017）。 Healthy offspring from freeze-dried mouse spermatozoa held on the International Space Station for 9 months。 Proceedings of the National Academy of Sciences。 doi：10.1073/pnas.1701425114
[2] Sex in space， https：//en.wikipedia.org/wiki/Sex_in_space
[3] Space Sperm Produces Healthy Baby Mice， http://news.nationalgeographic.com/2017/05/space-babies-sperm-mice-radiation-science/
[4] Wakayama， T。 & Yanagimachi， R。 （1998）。 Development of normal mice from oocytes injected with freeze-dried spermatozoa。 Nature biotechnology 16， 639-641
來源：科學(xué)人公眾號
