未来150年的科学：150年后的展望
当航天飞机亚特兰蒂斯号于2011年停止运行时，它并没有像一些人担心的那样，标志着人类太空飞行的终结。相反，正如恐龙的灭绝让早期哺乳动物得以蓬勃发展一样，航天飞机的退役预示着太空探索更宏伟机遇的开启。在雄心勃勃的私营公司的领导下，我们正在进入我们物种离开地球并适应全新世界的早期阶段。火星是PayPal巨头埃隆·马斯克提出的目标；极地探险家汤姆和蒂娜·肖格伦正在设计一个私人火星探险项目；以及欧洲私人资助的“火星一号”项目，该项目计划在2023年建立人类殖民地。太空殖民化现在已经开始。
但仅仅依靠技术是不够的。如果太空殖民化要取得长期的成功，我们必须像重视工程学一样认真地考虑生物学和文化。殖民化不能仅仅是火箭和机器人——它必须拥抱身体、人、家庭、社区和文化。我们必须开始构建太空殖民化的人类学，以应对模糊、混乱、动态且常常令人恼怒的人类生物文化适应世界。并且我们必须在规划这项新事业时，记住关于生物最明确的事实：它们会随着时间推移而改变，通过进化。
关于太空殖民化，目前有三个主要概念。首先是火星殖民化。火星协会的直言不讳的太空工程师兼主席罗伯特·祖布林广泛宣传了火星殖民地将是自给自足的，利用当地资源生产水和氧气以及建筑材料。其次是自由漂浮殖民地的概念——用月球或小行星金属建造的巨大栖息地。物理学家杰拉德·K·奥尼尔在1970年代普及了这个概念，这些栖息地可以容纳数千人，可以旋转以提供类似地球的重力（正如1968年的电影《2001太空漫游》中精美地设想的那样），并且可以绕地球轨道运行，也可以静止在所谓的拉格朗日点，这些点是一个物体的轨道运动平衡了太阳、月球和地球的引力的地方。最后，我们还可以考虑太空方舟的概念，这是一艘巨型飞船，载着数千名太空殖民者进行单程、多代人的远离地球的航行。我一直在与非营利基金会伊卡洛斯星际合作，设计这样一个任务。
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这些方法各有优点，我认为它们在技术上都是不可避免的。但我们绝不能将太空殖民化与征服太空混淆。我们之外的世界浩瀚无垠，它将永远是它本来的样子。当人类开始在太空安家时，改变的将是我们自己。
先驱者
谁将成为太空殖民者？在这里，我们必须抛弃旧的船员选拔概念，以及《太空英雄》中描绘的可笑的、极其刁钻的对棱角分明的太空英雄的测试。太空殖民者将是普通的家庭和社区，他们不是在执行任务，而是打算在那里度过一生。我们需要一些皮卡德舰长，尽管大多数早期殖民者很可能将是农民和建筑工人。
尽管如此，早期殖民者必须在基因上是健康的。在小规模人群中，携带遗传疾病的个体可能会以在数十亿人口中不会发生的方式威胁未来。在太空方舟中，殖民地的生物学命运在很大程度上取决于创始人口的基因构成——如果只有少数旅行者携带遗传疾病的基因，这些基因将传播得更加彻底。
我们现在知道数百个导致疾病的基因的详细信息，从癌症到耳聋。（最近，研究人员宣布，他们可以筛查人类胎儿的3500多种此类特征。）基因筛查计划似乎很明确——如果您携带某些基因，您就只能留在地球上——但生活并非如此简单。许多疾病是多基因的——也就是说，是无数基因之间复杂相互作用的结果。即使一个人可能携带某种疾病的基因或多个基因，一生中遇到的环境因素也可能决定这些基因是否以健康或不健康的方式被激活。
例如，人类的ATRX基因有助于调节与氧气运输相关的过程。但是，ATRX的活性会受到各种环境因素的影响，例如营养摄入或个人的精神状态。当ATRX功能发生显著改变时，氧气运输会受到阻碍，导致癫痫发作、精神残疾和发育迟缓。因此，人们不能简单地筛除携带ATRX的人：每个人都有它。然而，在某些人中，基于对环境因素的了解不足，ATRX会失控。我们能否因为可能发生的事情而取消某人进行太空殖民化的资格？
更复杂的是，我们还必须确保基因库的广泛遗传多样性。如果一个人口的所有成员在基因上是相同的，那么一场疾病的席卷可能会消灭所有人。（这种考虑摧毁了1997年电影《千钧一发》中描绘的基因工程超级太空旅行者的概念。）
一旦经过筛选，太空殖民地的人口应该有多少？在火星殖民地，人口可以增长并扩展到新的领域。但在太空方舟中，人口将相对较少，近亲繁殖成为一个问题。例如，在对阿米什人、印度人、瑞典人和犹他州人口的研究中，当表亲之间发生交配时，婴儿死亡率大约是不相关人群之间发生交配时的两倍。
为了避免这些问题，我们将不得不考虑维持健康基因库所需的最低人口。我们最低生存人口一直备受争议，但几位人类学家提出了大约500人的数字。由于小规模人口总是面临更大的崩溃风险，我建议从至少是最低人口四倍的人口开始——2000人，或者大约相当于一艘人员配备齐全的航空母舰的一半大小——在一艘为该人口提供充足成长空间的宇宙飞船中。对于远离地球的人类来说，安全确实会在数量中找到。（即使是星际航行也将侧重于到达另一个太阳系并居住在其行星上，在那里人口可以再次增长。）
我们还将不得不仔细考虑船员的人口结构——殖民人口的年龄和性别。我的同事威廉·加德纳-奥基尔尼的模拟表明，在几个世纪的时间里，以某些年轻人与老年人以及男性与女性的比例开始的人口比其他人口持续得更好。
因此，早期的殖民人口应该在个体上是健康的，并且在集体上是多样化的，以便为未来的人口提供最好的机会，使其拥有可能适应新环境的基因。但我们无法控制一切。在某个时候，我们将不得不掷出基因骰子——我们每次选择在地球上生育孩子时都已经这样做了——并从摇篮地球出发。
基于太空的选择
无论我们如何仔细地准备我们的殖民人口，在地球以外的星球上的生活，至少在最初阶段，将比这里的生活更危险，可能更短暂。在远离地球的地方，人们将暴露于我们已从现代生活中消除的自然选择力量。这种选择很少会以我们可能从科幻电影中期望的戏剧性方式发挥作用，科幻电影往往侧重于成年人的生活。相反，它将发生在胚胎和婴儿组织发育的关键时期，那时生命最为脆弱。
这种选择会如何发挥作用？举一个例子，考虑到人体在过去数百万年中，在接近海平面的大约每平方英寸15磅（psi）的大气压下进化，呼吸着大约80%的氮气和20%的氧气的混合物。然而，太空旅行需要加压栖息地，压力越大，建造的成本就越高，工作量也越大。为了减轻工程要求，任何地球外结构的 атмосферное 压力都将低于地球上的压力。
这很合理——阿波罗号宇航员在5 psi的压力下也能很好地生存——但如果你降低大气压，你必须增加氧气在你呼吸的物质中的百分比。（那些宇航员在他们的月球旅行中呼吸了100%的氧气。）
不幸的是，较低的大气压和升高的氧气水平都会干扰脊椎动物胚胎的发育。流产和婴儿死亡率将会上升——至少在一段时间内是这样。不可避免地，选择将保留适合地外条件的基因，并去除那些不太适合的基因。
传染病——小规模、人口稠密的群体（如太空殖民地）特别容易受到传染病的影响——将重新成为一个重大问题，并施加新的选择压力。无论我们多么仔细地进行免疫和隔离，瘟疫最终都会席卷殖民地，导致人们选择更能抵抗疾病的人，并淘汰那些抵抗能力较差的人。
最后，我们必须记住，我们带来了数千种驯养物种——植物和动物，用于食物和材料——选择压力也将作用于它们。我们还带来了数百万种微生物物种，它们寄生在人体内外——这些看不见的基因搭便车者对我们的健康至关重要[参见詹妮弗·阿克曼的《终极社交网络》；《大众科学》，2012年6月]。
基于一些计算，我认为在五个30年世代（约150年）内，这种变化将在地外人体中显现出来是合理的。
究竟会进化出什么样的生物学适应性，很大程度上取决于我们建造的栖息地的大气和化学环境。我们可以在很大程度上控制这些。然而，我们无法轻易控制另外两个将塑造太空人类的重要因素：重力和辐射。
火星旅行者将感受到地球重力的三分之一。这些条件将选择更轻盈的体型，这种体型可以比我们用来对抗地球重力的笨重、相对肌肉发达的体格更轻松地移动。在太空方舟和其他自由漂浮的情况下，重力可能保持在接近地球正常的水平，因此接近地球正常的体型可能会持续存在。
辐射会导致突变，任何太空殖民地都不太可能提供地球大气层和磁场提供的辐射防护。增加的突变会产生身体缺陷吗——重复的部位，如多余的手指，或畸形的部位，如腭裂？当然，但我们无法知道是哪种缺陷。我们唯一可以有信心地预测的是选择对辐射损伤的抵抗力增强。有些人比其他人拥有更好、更活跃的DNA修复机制，他们更有可能将他们的基因传递下去。
更有效的DNA修复机制是否可能具有任何可见的相关性——例如，某种特定的发色？我们也不知道。但是，当有益的基因没有这种可见的相关性时，它们也可能传播开来。在南达科他州的胡特尔人中，他们在相对较少的小社区中近亲繁殖，人类学家发现，人们在选择配偶时似乎受到体味的强烈影响——令人着迷的是，一个人的免疫系统越好，体味就越好。
因此，在适度的五代人的时间尺度上，人体将因其环境而发生微妙的重塑。我们将看到与安第斯山脉和西藏高地居民的适应性类似的适应性，在那里，更有效的氧气运输生理机能已经进化出来，导致胸部更宽更深。然而，每一种改变都是一种妥协，这些高海拔地区的人口在高海拔地区分娩时，婴儿死亡率也更高。对这种生物学变化的一种文化适应是母亲们下降到富氧海拔地区分娩。我们可以期待地球外也会发生类似的生物文化转变，我们应该为其中最有可能发生的转变做好计划。例如，在火星上，分娩的母亲可能会穿梭到一个轨道站，在那里可以在一个旋转的、1-g设施中，在更接近地球正常大气压的环境中分娩，但我敢打赌，最终她们会懒得这样做，独特的火星人类特征将会进化出来。
基于太空的文化
在150年的时间跨度内，文化变化将比生物变化更加明显。对人类迁徙的研究告诉我们，虽然迁徙的人们倾向于延续一些传统以维持身份认同，但他们也会在新环境中根据需要设计新的传统和习俗。例如，在公元800年之后首次殖民冰岛的斯堪的纳维亚人继续崇拜北欧诸神并说维京语，但很快就发展出独特的饮食——以肉类为主（而在斯堪的纳维亚半岛种植黑麦和燕麦），以及保存食品以度过严酷的冬季——因为他们探索了一个未知土地的资源。
在火星上，这种文化适应将以无数种方式上演。在那里，在低压、富氧的大气中，包含在独特的建筑材料和布置中，声音可能会以不同的方式传播——即使是微妙的——可能影响发音甚至语速，从而产生新的口音和方言。较轻的重力可能会影响肢体语言，肢体语言是人类交流的重要组成部分，并且会影响各种表演艺术。文化差异的产生是由于这种微小、无数的差异积累造成的。
更深刻的文化变革可能发生在太空方舟情景中，在那里，生活与地球的关系将随着星际飞船的加速远离而每时每刻都在减少。在这里，空间和时间的基本概念很可能会迅速转变。例如，太空方舟文化将使用地球计时多久？在没有地球的昼夜和年份的情况下，文明可能会发明十进制计时尺度。或者，他们可能会决定倒计时直到到达遥远的太阳系，而不是从过去的某个事件（例如，离开他们永远不会返回的地球）开始向上计数时间。
长期基因变化
当新的基因在一个群体中变得普遍时，就会发生显著的基因变化。史前时期的一个例子是导致成人乳糖耐受性的基因的传播，这种基因在非洲和欧洲的牛被驯化后不久就独立出现。这种基因设备允许从牛身上获取更多的能量，在这些人群中，它很快变得几乎普遍，或者说“固定”下来。
虽然我们无法预测会出现哪些突变，但群体遗传学使我们能够估计突变在太空探索者的基因组中固定下来需要多长时间。我的计算——基于具有特定年龄和性别结构的2000人火星人口模型——表明，这可能在短短几代人内发生，并且肯定会在300年内发生；我们可以预期在地球外人类群体中，在这种时间尺度上会出现显著的原始地外身体特征。这些变化将与我们今天在人类身上看到的广泛的地理变异处于同一量级——一系列不同的身高、肤色、头发质地和其他特征。
在火星上，可能会出现进一步的内部差异，因为一些人口选择一生中的大部分时间都居住在地下栖息地，而另一些人则更喜欢承担增加的辐射风险，居住在提供更大流动性的地面栖息地中。在人口有限、封闭系统的太空方舟情景中，基因固定可能会更快地发生，或许会比火星上更趋于统一。
虽然会发生一些生物学变化，但长期的文化变化将更加深刻。想想从17世纪早期到20世纪早期这三个世纪，英语发生了如此大的变化，以至于今天理解17世纪的英语文本需要专门的培训。三个世纪后，太空方舟上使用的语言可能会截然不同。
更大规模的文化变革也很有可能发生。究竟是什么将一种文化与另一种文化区分开来，是人类学中一个备受争议的话题，但我认为人类学家罗伊·拉帕波特明确了这种区别。不同的文化有不同的“终极神圣公设”——通常是毋庸置疑和未经质疑的核心概念，通过传统和仪式根深蒂固，塑造了一个人群的基本哲学和道德准则。例如，对于基督教来说，这样一个公设是“起初，上帝创造了天地”。这种基本信仰在地球外发生改变需要多长时间——以及朝着哪个方向改变——这是不可能说的，但几个世纪的时间肯定足以让新的文化产生。
地外智人的崛起
我们什么时候会看到更根本的生物学变化——也就是说，物种形成？小规模种群可以快速变化，例如，在维京船只遗弃普通家鼠1200年后，漫游法罗群岛的异常大的小鼠就证明了这一点。但是，解剖学上的现代人类已经经历了超过10万年的历史——从非洲迁移到沙漠到开阔海洋的各种环境中——显然没有发生生物物种形成。（我们最近的原始人类亲属，例如适应寒冷的尼安德特人和西太平洋弗洛勒斯岛上明显小型化的“霍比特人”人类，与我们的共同祖先的分裂要早得多。）这主要是因为我们使用文化和技术来适应，而不是仅仅依靠生物学。因此，需要显著的自然和文化选择来重塑地外人类，使其达到他们再也不能与地球人有效交配的程度。
除非，当然，人类设计出他们自己的物种形成。似乎不可避免的是，地外人最终将利用DNA的惊人力量，根据许多条件定制自己的身体。也许火星人将在生物学上改造出类似鳃的结构，以从大气中的二氧化碳中分离出氧气，或者改造出坚韧的皮肤和组织，以承受低压。他们可能会通过有意识的选择将自己变成一个新的物种，地外智人。
从哪里开始？
人类太空殖民化将需要大量的工程和技术进步。我们还必须提高我们对人类生物学和文化如何适应新条件的理解，并利用这些知识来帮助太空殖民化取得成功。我建议立即开始采取三项行动。
首先，我们必须抛弃技术官僚对人性的本质厌恶，开始在地球外生育，在那里生育和养育孩子，以了解人类在新辐射、压力、大气和重力环境中繁殖、发育和生长的关键问题。官僚们会对所涉及的风险感到震惊——儿童面临的风险超过了戴着自行车头盔的、第一世界郊区居民！——但随着太空通道的私有化，担忧将会减少。尽管如此，适应太空有时会是痛苦的——但出生也是如此。
其次，我们必须尝试在地球外种植和维持驯养物种的健康。没有我们的微生物、植物和其他动物，我们将一事无成。
为了促进前两个目标，应该为第一个功能齐全、可居住的地球外人类栖息地颁发X大奖：不是无菌的轨道实验室（尽管这些实验室很重要），而是一个人们可以种植植物、饲养动物甚至生育孩子的家园。许多人会对待在这样一个地方感到不寒而栗，但与此同时，志愿者将不会短缺。
最后，我们必须重新启用使人类生存至今的主动方法，并利用这种能力来塑造我们在家园星球之外的进化。我们必须比我们的官僚机构更加大胆。否则，随着时间的推移，我们将会像地球上的其他一切事物一样灭绝。正如H·G·威尔斯在1936年谈到人类未来时所写的那样，它是“整个宇宙或一无所有”。