當太空梭亞特蘭蒂斯號在2011年停止執行時，它並沒有像一些人擔心的那樣標誌著人類太空飛行的結束。相反，正如恐龍的滅絕讓早期哺乳動物得以蓬勃發展一樣，太空梭的退役標誌著太空探索更為宏偉機遇的開啟。在數十家雄心勃勃的私營公司的領導下，我們正在進入地球生命向整個太陽系擴散的早期階段。歐洲航天局已經公佈了月球棲息地的計劃，而火星定居點是埃隆·馬斯克的SpaceX公司的既定目標。國際研究團隊伊卡洛斯星際正在利用本世紀來設計推進技術和偉大的星際飛船，最終將整個文化送往遙遠的系外行星。人類在太空的定居現在開始了。
但僅僅有技術是不夠的。如果太空定居要取得長期的成功，我們必須像仔細考慮工程學一樣仔細考慮生物學和文化。太空定居不能僅僅是火箭和機器人——它必須擁抱身體、人、家庭、社群和文化。我們必須開始構建太空定居的人類學，以應對人類生物文化適應中模糊、混亂、動態且常常令人惱火的世界。我們必須在規劃這項新事業時，記住關於生物最明確的事實：它們會隨著時間的推移而改變，透過進化。
關於太空定居，當前的想法主要圍繞三個概念。首先是火星殖民。火星學會的直言不諱的太空工程師兼主席羅伯特·祖布林廣泛宣傳了火星殖民地將是自給自足的，利用當地資源來生產水和氧氣，以及製造建築材料。其次是自由漂浮殖民地的概念——由月球或小行星金屬建造的巨大棲息地。物理學家傑拉德·K·奧尼爾在1970年代普及了這一概念，這些棲息地將容納數千人，可以旋轉以提供類似地球的重力（正如1968年的電影《2001太空漫遊》中精美地設想的那樣），並且可以繞地球軌道執行或靜止在所謂的拉格朗日點，這些點是物體的軌道運動平衡太陽、月球和地球的引力的地方。最後，我們還可以考慮太空方舟的概念，這是一艘巨型飛船，載著數千名太空殖民者進行單程、多代人的遠離地球的航行。我一直在與非營利基金會伊卡洛斯星際合作設計這樣的任務。
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這些方法各有優點，我認為它們在技術上都是不可避免的。但我們絕不能將太空殖民與征服太空混淆。成功地在地球以外的太空定居將是一個巨大的挑戰。太空是浩瀚且無情的。當人類開始在太空安家時，改變的將是我們自己。
先驅者
誰將是太空殖民者？在這裡，我們必須拋棄舊的船員選拔概念，以及《太空先鋒》中描繪的喜劇性的、極其惡毒的對稜角分明的太空英雄的測試。太空殖民者將是普通的家庭和社群，他們不是在執行任務，而是打算度過他們的一生。我們需要一些皮卡德艦長，儘管大多數早期殖民者可能將是農民和建築工人。
儘管如此，早期殖民者必須在基因上是健康的。在較小的人口中，攜帶遺傳疾病的個體可能會以在數十億人口中不會發生的方式威脅未來。在太空方舟中，殖民地的生物命運受到創始人口的基因構成的強烈制約——如果只有少數旅行者攜帶遺傳疾病的基因，這些基因將更徹底地傳播。
我們現在知道數百個導致疾病的基因的詳細資訊，從癌症到耳聾。（研究人員已經可以在產前和一個人的一生中篩查數千種這樣的特徵。）基因篩查計劃似乎很明確——如果您攜帶某些基因，您就留在地球上——但生活並非如此簡單。許多疾病是多基因的——也就是說，是無數基因之間複雜相互作用的結果。即使一個人可能攜帶某種疾病的基因或基因，一生中遇到的環境因素也可能決定這些基因是否會以健康或不健康的方式被啟用。
例如，人類的ATRX基因有助於調節與氧氣運輸相關的過程。但是ATRX的活性可能會受到營養攝入或人的精神狀態等多種環境因素的影響。當ATRX功能被顯著改變時，氧氣運輸受阻，導致癲癇發作、智力障礙和發育遲緩。因此，人們不能簡單地篩選掉攜帶ATRX基因的人：每個人都有它。然而，在某些人中，基於知之甚少的環境因素，ATRX會失控。我們能因為可能發生的事情而取消某人進行太空殖民的資格嗎？在過去幾年中審查了這個問題之後，我得出的結論是，除非太空定居人口非常少，只有幾百人左右，否則就沒有真正需要進行基因篩查的必要。
更復雜的是，我們還必須確保基因庫的廣泛遺傳多樣性。如果一個人口的所有成員在基因上都是相同的，那麼一場疾病的掃蕩可能會消滅所有人。（這種考慮推翻了1997年電影《千鈞一髮》中描繪的基因工程超級太空旅行者的概念。）
一旦篩選完畢，太空殖民地的人口應該是多少？在火星殖民地，人口可以增長並擴充套件到新的領土。但是在太空方舟中，人口將相對較少，近親繁殖成為一個問題。例如，在對阿米什人、印度人、瑞典人和猶他州人口的研究中，一級表親之間交配時，嬰兒死亡率大約是不相關的人之間交配時的兩倍。
船形：星際飛船將不得不運載數千人，以及支援他們所需的植物和動物。 圖片來源：史蒂夫·薩默福德 伊卡洛斯星際—亥伯龍神計劃
為了避免這些問題，我們將不得不考慮維持健康基因庫所需的最低人口。我們最低生存人口一直備受爭議，但幾位人類學家提出了大約500人的數字。由於小人口總是面臨更大的崩潰風險，過去我曾建議在太空飛船中建立約2000人的創始人口，以便該人口有充足的增長空間。對於遠離地球的人類來說，安全確實將在數量中找到。（即使是星際航行也將側重於到達另一個太陽系並居住在其行星上，在那裡人口可以再次增長。）在過去一年中，我和我的同事使用計算機模型和統計調查來驗證這些數字。我們發現，多個村莊規模的人口，每個約1000人左右，可以作為甚至持續多個世紀的星際航行的基礎。十個這樣的飛行器並行飛行，連線起來，以便人們可以訪問其他“城鎮”以尋求友誼和尋找伴侶，這可能是理想的。
我們還將不得不仔細考慮殖民地的人口結構——殖民地人口的年齡和性別。我的同事威廉·加德納-奧基爾尼的模擬表明，在幾個世紀內，以某些年輕人與老年人和男性與女性比例開始的人口比其他人持續得更好。
因此，早期的殖民地人口應該在個體上健康，在集體上多樣化，以便為未來的人口提供最好的機會，使其手頭擁有可能適應新環境的基因。但我們無法控制一切。在某個時候，我們將不得不擲出基因的骰子——我們每次選擇在地球上生育孩子時都已經這樣做了——然後從我們的搖籃星球出發。
太空選擇
無論我們多麼仔細地準備我們的殖民地人口，在地球以外的生命，至少在最初，將比地球上的生命更危險，也可能更短暫。遠離地球，人們將暴露於自然選擇的力量之下，而我們在技術上幾乎已經從現代生活中消除了這些力量。這種選擇很少會以我們可能從科幻電影中期望的那種戲劇性的方式上演，科幻電影往往側重於成年人的生活。相反，它將發生在胚胎和嬰兒組織發育的關鍵時期，那時生命最為脆弱。
這種選擇會如何發揮作用？舉個例子，考慮到人體在過去數百萬年中，在接近海平面、大氣壓力約為每平方英寸15磅（psi）的環境下進化，呼吸著大約80%的氮氣和20%的氧氣的混合氣體。然而，太空旅行需要加壓棲息地，壓力越大，建造起來就越昂貴和費力。為了減輕工程要求，任何地球外結構中的大氣壓力都將低於地球上的大氣壓力。
沒問題——阿波羅號宇航員在5 psi的壓力下也活得很好——但是如果你降低大氣壓力，你必須增加氧氣在你呼吸的空氣中所佔的百分比。（同樣的宇航員在他們的登月之旅中呼吸了100%的氧氣。）
不幸的是，較低的大氣壓力和升高的氧氣水平都會干擾脊椎動物胚胎的發育。流產和嬰兒死亡率將會上升——至少在一段時間內。不可避免地，選擇將保留適合地外條件的基因，並去除那些不太適合的基因。
傳染病——小型、人口稠密的群體（如太空殖民地）尤其容易受到傳染病的影響——將重新成為一個重大問題，施加新的選擇壓力。無論我們多麼小心地進行免疫接種和隔離，瘟疫最終將席捲殖民地，導致選擇更能夠從疾病中倖存下來的人，並淘汰那些能力較弱的人。
最後，我們必須記住，我們還帶來了數千種馴養物種——用於食物和材料的植物和動物——選擇壓力也將作用於它們。與人類身體內外寄生的數百萬種微生物物種也是如此——這些看不見的基因搭便車者對我們的健康至關重要。
基於一些計算，我認為在五個30年世代（約150年）之內，這些變化將明顯地出現在地外人體中，這是合理的。
究竟會進化出哪些生物適應性，將很大程度上取決於我們建造的棲息地的大氣和化學環境。我們可以在很大程度上控制這些。然而，我們無法輕易控制另外兩個將塑造太空人類的重要因素：重力和輻射。
火星殖民者將感受到地球重力的三分之一。經過幾代人，在沒有地球重力的情況下，較重的體格可能會被更輕盈、更靈活的火星身材所取代。在太空方舟和其他自由漂浮的場景中，重力可能仍然與地球正常重力相似，因此地球正常身材可能會持續存在。
輻射會導致突變，任何太空殖民地都不太可能提供地球大氣層和磁場提供的輻射防護。增加的突變是否會產生身體缺陷——重複的部位，如額外的手指或畸形的部位，如唇裂？當然，但我們無法知道是哪種缺陷。我們唯一可以有信心地預測的是，選擇將傾向於增強對輻射損傷的抵抗力。有些人比其他人擁有更好、更活躍的DNA修復機制，他們更有可能將他們的基因傳遞下去。
更有效的DNA修復機制是否可能具有任何可見的相關性——例如，某種特定的髮色？我們再次不知道。但有益的基因也可能在沒有這種可見相關性的情況下傳播。在南達科他州的胡特爾人中，他們在相對較少的幾個小社群中通婚，人類學家發現，人們在選擇配偶時似乎受到身體氣味的強烈影響——而且有趣的是，一個人的免疫系統越好，氣味就越好聞。
因此，在適度的五代人的時間尺度上，人體將透過其環境被微妙地重塑。我們將看到類似安第斯山脈和西藏高地居民的適應性起源，在那裡，更有效的氧氣運輸生理機能已經進化出來，導致胸部更寬更深。然而，每一種改變都是一種妥協，這些高海拔地區的人口在高海拔地區分娩時，嬰兒死亡率也更高。對這種生物學變化的一種文化適應是母親下降到富氧海拔地區分娩。我們可以期待在地球外發生類似的生物文化轉變，我們應該為其中最有可能發生的轉變做好計劃。例如，在火星上，分娩的母親可能會往返於軌道站，在那裡分娩可以在旋轉的、1-g的設施中進行，並具有更接近地球正常的大氣，但我敢打賭，最終他們不會費心這樣做，並且獨特的火星人類特徵將會進化出來。
太空文化
在150年的時間跨度內，文化變化將比生物變化更為明顯。對人類遷徙的研究告訴我們，雖然遷徙的人們傾向於延續一些傳統以保持身份，但他們也會在新環境中根據需要設計新的傳統和習俗。例如，公元800年後首次殖民冰島的斯堪的納維亞人繼續崇拜北歐諸神並說維京語，但很快就發展出獨特的飲食——以肉類為主（而斯堪的納維亞半島則種植黑麥和燕麥），並以醃製食品為主，以度過嚴酷的冬季——因為他們探索了一個未知土地的資源。
太空生活：我們無法預測太空前哨站的文化將在數百年內發生怎樣的變化——只能預測它會發生變化。 圖片來源：史蒂夫·薩默福德 伊卡洛斯星際—亥伯龍神計劃
在火星上，這種文化適應將以無數種方式上演。在那裡，在低壓、富氧的大氣中，包含在獨特的建築材料和佈置中，聲音的傳播方式可能不同——即使是微妙的——可能會影響發音甚至說話的節奏，從而產生新的口音和方言。較輕的重力可能會影響肢體語言，這是人類交流的重要組成部分，並且會影響各種表演藝術。文化差異正是隨著這些微小的、無數的差異的積累而發生的。
更深刻的文化變革可能發生在太空方舟場景中，在那裡，生活將與地球的聯絡越來越少，星際飛船飛速駛離。在這裡，空間和時間的基本概念很可能會迅速轉變。例如，太空方舟文化會在多長時間內使用地球計時？在沒有地球的晝夜和年份的情況下，文明可能會發明一種以10為基數的計時尺度。或者他們可能會決定倒計時到遙遠的太陽系到達的時間，而不是從過去的某個事件（例如，離開他們永遠不會返回的地球）開始向上計數時間。
長期基因變化
當新基因在一個群體中變得普遍時，就會發生顯著的基因變化。史前時期的一個例子是導致成人乳糖耐受性的基因的傳播，這種基因在牛被馴化後不久在非洲和歐洲獨立出現。這種基因裝置允許從牛身上獲取更多能量，在這些人群中，它很快變得幾乎普遍，或者說是“固定”的。
儘管我們無法預測會產生哪些突變，但群體遺傳學使我們能夠估計突變在太空探索者的基因組中變得固定需要多長時間。我的計算——基於年齡和性別結構確定的2000人火星人口模型——表明這可能在短短幾代人內發生，並且肯定在300年內發生；我們可以預期在這種時間尺度上，人類種群會出現細微的、最初的地球外身體特徵。這些變化將與我們今天在人類身上看到的廣泛的地理變異相當——身材、膚色、頭髮質地和其他特徵的變異。
在火星上，可能會出現進一步的內部差異，因為一些人口選擇一生中的大部分時間都生活在地下棲息地，而另一些人口則寧願冒著增加輻射的風險生活在地面棲息地，從而提供更大的流動性。在人口有限的封閉系統太空方舟場景中，基因固定可能會更快地發生，可能比火星上更趨於統一。
雖然會發生一些生物變化，但長期的文化變化將更為深刻。想想從17世紀早期到20世紀早期這三個世紀中，英語發生瞭如此大的變化，以至於今天理解17世紀的英語文字需要專門的培訓。三個世紀後，太空方舟上使用的語言可能會截然不同。
更大規模的文化變革也很有可能發生。究竟是什麼將一種文化與另一種文化區分開來是人類學中一個備受爭議的話題，但我認為人類學家羅伊·拉帕波特明確地指出了這種區別。不同的文化有不同的“終極神聖假設”——核心概念，通常是不容置疑和毋庸置疑的，透過傳統和儀式根深蒂固，塑造了一個人口的基本哲學和道德準則。例如，對於基督教來說，一個這樣的假設是“起初，上帝創造天地”。這種基本信仰在地球外需要多長時間才能改變——以及朝哪個方向改變——是無法預測的，但幾個世紀的時間肯定足以讓新文化出現。
地外智人的進化
我們何時會看到更根本的生物變化——即物種形成？小種群可以迅速改變，維京船隻放下普通家鼠1200年後，漫遊在法羅群島的異常大的老鼠就證明了這一點。但是，解剖學上的現代人類已經存在了10萬多年——從非洲遷徙到各種各樣的環境中，從沙漠到開闊的海洋——顯然沒有發生生物物種形成。（我們最近的原始人類親屬，如適應寒冷的尼安德特人和西太平洋弗洛勒斯島上顯然小型化的“霍位元人”，與我們的共同祖先的分裂時間要早得多。）這主要是因為我們更多地使用文化和技術來適應，而不是僅僅依靠生物學。因此，需要顯著的自然和文化選擇來重塑地外人類，以至於他們無法再與地球人進行有效交配。
除非，當然，人類設計出他們自己的物種形成。地球外居民最終似乎不可避免地會利用DNA的驚人力量來為許多條件定製自己的身體。我們在火星上的遙遠後代可能會生物工程改造出類似鰓的結構，以從大氣中的二氧化碳中分離出氧氣——美國宇航局目前正在研究這一過程——以及能夠承受低表面壓力的皮膚組織。他們可能會透過有意識的選擇將自己塑造成一個新物種，地外智人。
從哪裡開始？
人類太空殖民將需要大量的工程和技術進步。我們還必須提高我們對人類生物學和文化如何適應新條件的理解，並利用這些知識來幫助太空殖民取得成功。我建議立即開始採取三項行動。
首先，我們必須拋棄技術官僚對人性的基本厭惡，並開始在地球外生育，在那裡分娩並在那裡撫養孩子，以瞭解人類在新輻射、壓力、大氣和重力環境中繁殖、發育和生長的關鍵問題。官僚們會對所涉及的風險感到退縮——兒童面臨的風險超出了戴著腳踏車頭盔的第一世界郊區居民！——但隨著太空通道私有化，擔憂將會減少。儘管如此，適應太空有時會是痛苦的——但出生也是如此。
其次，我們必須嘗試在地球外種植和維持馴養物種的健康。沒有我們的微生物、植物和其他動物，我們將寸步難行。
為了促進前兩個目標，應該為地球外第一個功能齊全、適宜人類居住的棲息地頒發X大獎：不是無菌的軌道實驗室（儘管這些實驗室很重要），而是一個人們可以種植植物、飼養動物甚至生育孩子的家。許多人會對待在這種地方的前景感到不寒而慄，但與此同時，志願者將不會短缺。
最後，我們必須重新參與使人類生存至今的主動方法，並利用這種能力來塑造我們在家園星球之外的自身進化。我們必須比我們的官僚機構更大膽。否則，隨著時間的推移，我們將像地球上的所有其他事物一樣滅絕。正如H. G. 威爾斯在1936年寫到人類的未來時所說，它是“整個宇宙或一無所有”。