Hur Mars-utforskning kan leda till nya mänskliga arter
Den kommande Hollywood-filmen The Space Between Us berättar historien om en pojke som är född till en amerikansk astronaut på Mars. Hans mor dör i förlossningen, men barnet överlever och växer upp under vård av en liten koloni av astronauter på Röda planeten. I filmtrailern ger en mörk voiceover premisset för filmen:”Hans hjärta klarar bara inte allvar; hans ben är för svaga. Med andra ord finns det ingen återvändande. Denna fråga är värd att fundera över: om vi väljer att lämna jorden, kommer våra ättlingar någonsin att kunna återvända?
Varje år närmar vi oss Mars. NASA hoppas att mänskliga fötter kommer att sätta sin fot på den röda planeten om 30 år, och Elon Musk kallar siffran för 10 år: till en början kommer det att bli en testflyg, under tiden är det ultimata målet att skapa självförsörjande marsstäder. I ett tal i september 2016 nämnde Musk "två huvudvägar" som mänskligheten kan ta: "En väg är att stanna på jorden för alltid, och då kommer vi att möta den slutliga utrotningen. Alternativet är att bli en rymdsövervinnande civilisation och en mångplanetart.
Om vi någonsin når Mars kommer levnadsförhållandena att skilja sig från dem på jorden i alla avseenden. Anpassning till de svagare effekterna av gravitation, intensiv strålning och den fullständiga frånvaron av bakterieflora kommer att tvinga flera generationer av Martiska kolonister att uppleva en serie dramatiska evolutionära förändringar i mänskliga förfäder, jämförbara med uppkomsten av upprätt gång och en ökning av hjärnvolym.
De första evolutionära förändringarna kan vara snabba och subtila. Eftersom gruppen av de första människorna på Mars oundvikligen kommer att vara begränsad i antal - Musk har föreslagit att skicka cirka hundra personer ombord på rymdskeppet - kommer de första Martiska kolonisterna att uppleva ett fenomen som kallas grundareeffekten. Detta fenomen observeras varje gång en ny plats, som en vulkanö som stiger upp från havsbotten, koloniseras av nykomlingar. De få individer som bosätter sig på en ny plats, oavsett hur de kom dit, kommer troligtvis inte att representera majoriteten som de ursprungligen tillhörde. Ju mindre provet är, desto mindre troligt är det att representera den större gruppen det kom från.
Om vi skickar hundra kolonister till Mars, är sannolikheten för att de exakt representerar alla människor som lever på jorden med avseende på höjd, hårfärg, benägenhet att utveckla diabetes eller bröstcancer, förmågan att flytta öron eller andra genetiska faktorer extremt låg. … Oavsett vilka egenskaper de tidiga kolonisterna hade, skulle de vidarebefordras till sina barn, och därmed skulle den växande Martiska kolonin, även i frånvaro av naturligt urval, bli något annorlunda än jordens invånare. Till exempel, om alla astronauter som vi skickade till Mars var röda, skulle det finnas en annan anledning att kalla Mars den röda planeten.
Grundareffekten är naturligtvis inte begränsad till Mars-upptäcktsresande eller interplanetära resenärer. Det kan förekomma i någon isolerad eller vald population. Men när ett antal generationer förändras kan förändringar få en mer uttalad och specifik karaktär. Under förhållanden där tyngdkraften endast är en tredjedel av jordens tyngdkraft, kan graviditet och förlossning vara mycket svårare på Mars. Forskare av embryonal utveckling hos möss har funnit att fertilitetsgraden hos möss, vars embryon bildades under konstgjorda skapade mikrogravitationsförhållanden, är lägre än med normal tyngdkraft. Intressant nog tycks befruktningen - genomförd in vitro - påverkas inte av tyngdkraften, men några av de erhållna embryona utvecklades inte lika bra som embryona.uppträder under normal tyngdkraft. Orsakerna till detta är ännu inte tydliga, men resultaten tyder på att däggdjur, inklusive människor, kan uppleva fler svårigheter under graviditeten på Mars än på jorden. Och detta i sin tur kan utöva ett nytt tryck på evolutionärt urval, som inte observeras på jorden.
Otillräcklig tyngdkraft kommer också att resultera i benförlust med en hastighet av cirka 1% till 2% per månad. Efter två eller tre år på Mars riskerar nybyggarna att förlora hälften av benmassan, vilket sannolikt kommer att påverka gravida kvinnor ännu mer, eftersom kroppen kräver mycket kalcium under graviditeten. Förlust av bentäthet gör att människor är mer benägna att skada, särskilt frakturer i höften och ryggraden. Eftersom sådana skador kan ha oåterkalleliga konsekvenser på Mars, är människor med naturligtvis högre bentäthet - som var mer karakteristiska för våra förfäder än moderna människor - mer benägna att överleva och vidarebefordra sina gener. Därför, på grund av förändringarna i många generationer, kommer människor på Mars naturligtvis att ha tätare ben än sina föregångare, vilket innebär att de kommer att vara starkare i utseende.
Kampanjvideo:
Marsbosättare måste också anpassa sig till höga strålningsnivåer. Utan magnetosfär eller atmosfär som skyddar planeten attackeras Mars av kosmiska strålar med hög energi, intensiv ultraviolett strålning och solpartiklar. Under 500 dagar på Mars ytan kommer en person att få en strålningsdos som är sex gånger den maximala årliga dosen som anställda i Förenta staternas energidepartement tillåter. Rymddräkter eller underjordiska bostadsområden kan ge ett visst skydd, men naturligtvis kommer det fortfarande att behövas lite tid på Mars ytan, odla grödor, bygga byggnader och liknande.
Strålning skadar DNA och orsakar en slags mutation som leder till cancer. Även om strålning kan betyda högre cancernivåer för marsbosättare, kan den också påskynda utvecklingen genom att generera slumpmässiga genetiska variationer, inklusive egenskaper som är gynnsamma i marsmiljön.
Dessa genetiska variationer kan vara sätt att skydda våra kroppar från strålningsexponering. På jorden producerar vår hud melanin, ett pigment som fungerar som en naturlig solskyddsmedel. Hudpigmentering har utvecklats i människopopulationer som en balans mellan risken för överskott av strålning, vilket stör DNA-produktionen, och risken för otillräcklig strålning, vilket stör den normala benbildning. Många andra organismer använder melanin för att skydda sig mot strålning, däribland mörkfärgade svampar som växer där kärnan i kärnreaktorn i Tjernobyl smälter. Den typ av melanin som ger människokroppen maximalt skydd mot solstrålning är eumelanin, vilket ger huden en mörkbrun eller svart färg. Människor som har mycket mer eumelanin i hudenkommer att kunna tolerera extrema strålningsnivåer på Mars med resultatet att Martians hud blir mörkare än någon människa.
Rover korsar sanddynerna i Dingo Gap
Å andra sidan kan intensiv strålning på Mars bidra till utvecklingen av nya hudpigment. Karotenoider - de orange pigmenten som ger morötter sin färg - produceras av många växter och mikroorganismer för att skydda dem från solljus. Även om många djur har karotenoider får de flesta dem från sin diet. Ett undantag är ärt bladlus, en liten insekt som vanligtvis är grön i färgen, men i vissa fall blir röd på grund av karotenoider som den producerar själv. Genomanalys visade att ärtbladlössen fick de gener som ansvarade för produktion av karotenoider från en svamp, vilket innebär att djur i sällsynta fall kan låna utrustning för att producera pigment från andra organismer. De svåra förhållandena på Mars kan öka sannolikheten för sådana sällsynta lån om slutresultatet - säger, ljus orange hud - var särskilt fördelaktigt.
Nyare forskning har visat att höga strålningsnivåer också påverkar hjärnan, förändrar rumsligt minne och risktagande beteende hos vissa, men inte alla, möss. Sådana kränkningar kan utgöra ett allvarligt hot mot Martian-koloninens framgång. Men om samma fluktuationer i strålningskänslighet som vi ser i gnagare finns bland människor på Mars, kommer naturligt val att fungera till förmån för dem som är mindre påverkade av strålning. Framtida generationer kommer att kunna utveckla motståndskraft mot de skadliga effekterna av strålning på hjärnan, vilket gör människor bättre anpassade till marsmiljön och ökar deras förmåga att ytterligare utforska rymden, kanske till och med resa till mer avlägsna beboelige planeter som Proxima b.
Sedan finns det mikrobiomet - bakterier och andra små organismer som lever inuti och på ytan av våra kroppar och som har en allvarlig effekt på vår kropp. Dessa mikrober förvärvas av oss hela vårt liv, börjar med de som vi får från våra mödrar när vi passerar genom födelseskanalen. Tidig barndom är en viktig period för utvecklingen av ett hälsosamt mikrobiom eftersom barn får ytterligare mikrober från sina föräldrar, syskon, vänner och miljön. Barn på Mars kommer inte att utsättas för de många olika mikroberna som vi hittar här på jorden, och även om forskare fortfarande hoppas kunna hitta mikrobiellt liv på Mars finns det fortfarande inga avgörande bevis för dess existens.
Människor på Mars
Förlusten av gynnsamma mikrober kan leda till negativa fysiska och psykiska hälsokonsekvenser för marsbosättarna. Här på jorden ser vi redan en minskning av mikrobiell mångfald i mikrobiomerna hos människor som bor i stadsmiljöer, där vi gör vårt bästa för att desinficera våra kroppar och omgivande föremål för att förhindra utbyte av sjukdomar. På många sätt är denna process onekligen fördelaktig - när väl genomgripande sjukdomar som smittkoppor har besegrats genom vaccinutveckling, och förbättrad sanitet och tillgången på antibiotika har begränsat spridningen av andra sjukdomar till specifika regioner. En oförutsedd konsekvens av vårt krig mot mikrober var dock jakten på mikroorganismer som gynnade vår hälsa, inklusive desom har samexisterat med oss i årtusenden och för närvarande hotas av utrotning.
Att flytta till Mars kan vara för mycket ett test för dessa mikrober, och deras fullständiga förlust kommer nästan säkert att vara skadligt för människor. Människor med ett dåligt varierat mikrobiom är mer benägna att utveckla fetma, typ 1-diabetes och eventuellt andra sjukdomar, inklusive allergier, astma, celiaki och vissa typer av cancer. Experiment där möss och kaniner odlas under sterila förhållanden utan att tillåta dem att utveckla något mikrobiom överhuvudtaget tyder på en ganska dyster möjlighet. Deras immun- och nervsystem utvecklas inte ordentligt och deras förmåga att få näringsämnen från mat äventyras.
Mikroberna som lever i tarmen spelar en viktig roll i matsmältningen, så inför den totala förlusten av mikrobiomet måste dieterna hos de Martiska bosättarna genomgå förändringar. Forskare kan designa speciellt formulerade livsmedel som endast innehåller enkla sockerarter, proteiner och fetter som lätt smälts utan hjälp av mikroorganismer. Å andra sidan, om vissa gynnsamma mikrober följer med en person till Mars, kan de själva utvecklas med honom. På grund av den korta produktionsperioden - vissa typer av bakterier multiplicerar var 30: e minut - utvecklas mikrober mycket snabbare än människor, vilket gör att de snabbt kan anpassa sig till förändrade förhållanden. De kommer också att påverkas av strålning, öka deras mutationsfrekvens och ytterligare påskynda deras utveckling.
Samma processer kommer att inträffa med alla växter eller djur som vi tar med oss, liksom med mikroberna som lever inuti och på ytan av dessa arter. Med andra ord, genom att skapa en Martian-koloni, kommer vi att lägga grunden för en ny typ av ekosystem. Att arrangera Mars - medvetet förändra den Martiska miljön för att föra dess förhållanden närmare de på jorden - kan leda till utveckling av ekosystem som är till skillnad från någon som finns på planeten Jorden.
Den goda nyheten är att Mars förmodligen inte kommer att ha ett problem med smittsam sjukdom. Liksom med det mänskliga mikrobiomet är det troligt att de enda virusen, patogena bakterierna och andra patogener på Mars är de vi tar med oss. Långa interplanetära resor kan bli en karantän som begränsar risken för oavsiktligt utseende av infektionssjukdomar på Mars. De flesta smittsamma sjukdomar som drabbar människor är resultatet av infektioner som vi har drabbats av djur, särskilt fåglar och däggdjur. Många av dessa, såsom mjältbrand och rabies, transporteras av husdjur som får, nötkreatur och hundar. Andra, såsom Lyme-sjukdomen, kommer huvudsakligen från vilda djur. På jorden står vi ständigt inför nya sjukdomar,till exempel Ebola och Zika, delvis eftersom dessa mikrober infekterar djur och människor regelbundet. På Mars kan vi undvika detta problem om vi inte tar med fåglar eller däggdjur dit, istället väljer vi ett urval av insekter som är mindre benägna att ha infektioner som kan smitta människor (och kräver mindre mat).
Å andra sidan kan det att leva utanför hotet om infektionssjukdom leda till immunsystematrofi, som riskerar att bli en bilaga-liknande relik, eller kanske försvinner helt. Denna atrofi kan orsakas inte bara av avsaknad av sjukdom: astronauter lider ofta under rymdflygningar av immunsuppression, vilket till stor del beror på stressen i samband med start, landning och i ett trångt utrymme, men enligt vissa rapporter spelar mikrogravitet också en roll här.
Immunocompromised Martians kommer att möta livshotande sjukdomar om de återvänder till Jorden, och människor som kommer från jorden riskerar att förstöra hela Martian kolonin om de tar med sig någon sjukdom. Särskilt är riskerna förknippade med sjukdomar som inte visar uppenbara symtom, som vanligtvis är fallet med sexuellt överförda infektioner som HIV eller klamydia. Nära personlig kontakt - som sex - mellan Earthlings och Martians skulle vara mycket riskabelt.
Sammansätt allt: förbudet mot sexuellt samlag mellan jordgubbar och martians, grundareffekten, förändringar i mikrobiomet, naturligt urval under de svåra förhållandena i marsmiljön, plus svag tyngdkraft - och det blir klart för dig: bosättningen av Mars kommer till slut att leda till utvecklingen av en helt ny mänsklig art … Detta är ett vanligt fenomen i världen av djur och växter isolerade på öarna - kom ihåg den berömda Darwins finkar. Men medan speciering på öar kan ta tusentals år, kommer de accelererade mutationsgraden på Mars och den starka kontrasten mellan levnadsförhållandena på Mars och på jorden sannolikt att påskynda processen. På bara några hundra generationer - kanske så lite som sex tusen år - kunde en ny art av människan dyka upp.
År 1950 publicerade Ray Bradbury en serie relaterade noveller kallade The Martian Chronicles, där han skildrade en avlägsen framtid där Mars koloniseras av människor som länge har tappat allt intresse för och anslutning till jorden. Martians Bradbury har brun hud och gula ögon. "Har du någonsin tänkt på - ja, om människor bor på en tredje planet?" - frågar en av martarna. "Den tredje planeten är inte beboelig," svarar hennes man. "Våra forskare säger att det finns för mycket syre i atmosfären."
Bradburys fiktion kan mycket väl vara profetisk. Om jorden drabbas av några allvarliga katastrofer, kan koloniseringen av Mars på lång sikt vara ett nödvändigt villkor för vår överlevnad. Men en strategi för att bevara den mänskliga arten kan i slutändan förändra oss för alltid.
Scott Solomon är en biolog och vetenskaplig författare baserad i Houston. Han undervisar i ekologi, evolutionär biologi och vetenskaplig kommunikation vid Rice University, där han är professor vid institutionen för biovetenskaper. Hans första bok Future Humans: In the Science of Our Continuing Evolution publicerades den 25 oktober 2016 av Yale University Press.