未來150年的科學：150年後的展望
當太空梭亞特蘭蒂斯號於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終結。相反，正如恐龍的滅絕讓早期哺乳動物得以蓬勃發展一樣，太空梭的退役預示著太空探索更宏偉機遇的開啟。在雄心勃勃的私營公司的領導下，我們正在進入我們物種離開地球並適應全新世界的早期階段。火星是PayPal巨頭埃隆·馬斯克提出的目標；極地探險家湯姆和蒂娜·肖格倫正在設計一個私人火星探險專案；以及歐洲私人資助的“火星一號”專案，該專案計劃在2023年建立人類殖民地。太空殖民化現在已經開始。
但僅僅依靠技術是不夠的。如果太空殖民化要取得長期的成功，我們必須像重視工程學一樣認真地考慮生物學和文化。殖民化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殖民化的人類學，以應對模糊、混亂、動態且常常令人惱怒的人類生物文化適應世界。並且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：它們會隨著時間推移而改變，透過進化。
關於太空殖民化，目前有三個主要概念。首先是火星殖民化。火星協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，利用當地資源生產水和氧氣以及建築材料。其次是自由漂浮殖民地的概念——用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年代普及了這個概念，這些棲息地可以容納數千人，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，也可以靜止在所謂的拉格朗日點，這些點是一個物體的軌道運動平衡了太陽、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，設計這樣一個任務。
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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化與征服太空混淆。我們之外的世界浩瀚無垠，它將永遠是它本來的樣子。當人類開始在太空安家時，改變的將是我們自己。
先驅者
誰將成為太空殖民者？在這裡，我們必須拋棄舊的船員選拔概念，以及《太空英雄》中描繪的可笑的、極其刁鑽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，而是打算在那裡度過一生。我們需要一些皮卡德艦長，儘管大多數早期殖民者很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。在小規模人群中，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，殖民地的生物學命運在很大程度上取決於創始人口的基因構成——如果只有少數旅行者攜帶遺傳疾病的基因，這些基因將傳播得更加徹底。
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。（最近，研究人員宣佈，他們可以篩查人類胎兒的3500多種此類特徵。）基因篩查計劃似乎很明確——如果您攜帶某些基因，您就只能留在地球上——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多個基因，一生中遇到的環境因素也可能決定這些基因是否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的活性會受到各種環境因素的影響，例如營養攝入或個人的精神狀態。當ATRX功能發生顯著改變時，氧氣運輸會受到阻礙，導致癲癇發作、精神殘疾和發育遲緩。因此，人們不能簡單地篩除攜帶ATRX的人：每個人都有它。然而，在某些人中，基於對環境因素的瞭解不足，ATRX會失控。我們能否因為可能發生的事情而取消某人進行太空殖民化的資格？
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是相同的，那麼一場疾病的席捲可能會消滅所有人。（這種考慮摧毀了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。）
一旦經過篩選，太空殖民地的人口應該有多少？在火星殖民地，人口可以增長並擴充套件到新的領域。但在太空方舟中，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，當表親之間發生交配時，嬰兒死亡率大約是不相關人群之間發生交配時的兩倍。
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。由於小規模人口總是面臨更大的崩潰風險，我建議從至少是最低人口四倍的人口開始——2000人，或者大約相當於一艘人員配備齊全的航空母艦的一半大小——在一艘為該人口提供充足成長空間的宇宙飛船中。對於遠離地球的人類來說，安全確實會在數量中找到。（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。）
我們還將不得不仔細考慮船員的人口結構——殖民人口的年齡和性別。我的同事威廉·加德納-奧基爾尼的模擬表明，在幾個世紀的時間裡，以某些年輕人與老年人以及男性與女性的比例開始的人口比其他人口持續得更好。
因此，早期的殖民人口應該在個體上是健康的，並且在集體上是多樣化的，以便為未來的人口提供最好的機會，使其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骰子——我們每次選擇在地球上生育孩子時都已經這樣做了——並從搖籃地球出發。
基於太空的選擇
無論我們如何仔細地準備我們的殖民人口，在地球以外的星球上的生活，至少在最初階段，將比這裡的生活更危險，可能更短暫。在遠離地球的地方，人們將暴露於我們已從現代生活中消除的自然選擇力量。這種選擇很少會以我們可能從科幻電影中期望的戲劇性方式發揮作用，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？舉一個例子，考慮到人體在過去數百萬年中，在接近海平面的大約每平方英寸15磅（psi）的大氣壓下進化，呼吸著大約80%的氮氣和20%的氧氣的混合物。然而，太空旅行需要加壓棲息地，壓力越大，建造的成本就越高，工作量也越大。為了減輕工程要求，任何地球外結構的 атмосферное 壓力都將低於地球上的壓力。
這很合理——阿波羅號宇航員在5 psi的壓力下也能很好地生存——但如果你降低大氣壓，你必須增加氧氣在你呼吸的物質中的百分比。（那些宇航員在他們的月球旅行中呼吸了100%的氧氣。）
不幸的是，較低的大氣壓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——至少在一段時間內是這樣。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——小規模、人口稠密的群體（如太空殖民地）特別容易受到傳染病的影響——將重新成為一個重大問題，並施加新的選擇壓力。無論我們多麼仔細地進行免疫和隔離，瘟疫最終都會席捲殖民地，導致人們選擇更能抵抗疾病的人，並淘汰那些抵抗能力較差的人。
最後，我們必須記住，我們帶來了數千種馴養物種——植物和動物，用於食物和材料——選擇壓力也將作用於它們。我們還帶來了數百萬種微生物物種，它們寄生在人體內外——這些看不見的基因搭便車者對我們的健康至關重要[參見詹妮弗·阿克曼的《終極社交網路》；《大眾科學》，2012年6月]。
基於一些計算，我認為在五個30年世代（約150年）內，這種變化將在地外人體中顯現出來是合理的。
究竟會進化出什麼樣的生物學適應性，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。
火星旅行者將感受到地球重力的三分之一。這些條件將選擇更輕盈的體型，這種體型可以比我們用來對抗地球重力的笨重、相對肌肉發達的體格更輕鬆地移動。在太空方舟和其他自由漂浮的情況下，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體型可能會持續存在。
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。增加的突變會產生身體缺陷嗎——重複的部位，如多餘的手指，或畸形的部位，如顎裂？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對輻射損傷的抵抗力增強。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？我們也不知道。但是，當有益的基因沒有這種可見的相關性時，它們也可能傳播開來。在南達科他州的胡特爾人中，他們在相對較少的小社群中近親繁殖，人類學家發現，人們在選擇配偶時似乎受到體味的強烈影響——令人著迷的是，一個人的免疫系統越好，體味就越好。
因此，在適度的五代人的時間尺度上，人體將因其環境而發生微妙的重塑。我們將看到與安第斯山脈和西藏高地居民的適應性類似的適應性，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們下降到富氧海拔地區分娩。我們可以期待地球外也會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，分娩的母親可能會穿梭到一個軌道站，在那裡可以在一個旋轉的、1-g設施中，在更接近地球正常大氣壓的環境中分娩，但我敢打賭，最終她們會懶得這樣做，獨特的火星人類特徵將會進化出來。
基於太空的文化
在150年的時間跨度內，文化變化將比生物變化更加明顯。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維持身份認同，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，在公元800年之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（而在斯堪的納維亞半島種植黑麥和燕麥），以及儲存食品以度過嚴酷的冬季——因為他們探索了一個未知土地的資源。
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，聲音可能會以不同的方式傳播——即使是微妙的——可能影響發音甚至語速，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，肢體語言是人類交流的重要組成部分，並且會影響各種表演藝術。文化差異的產生是由於這種微小、無數的差異積累造成的。
更深刻的文化變革可能發生在太空方舟情景中，在那裡，生活與地球的關係將隨著星際飛船的加速遠離而每時每刻都在減少。在這裡，空間和時間的基本概念很可能會迅速轉變。例如，太空方舟文化將使用地球計時多久？在沒有地球的晝夜和年份的情況下，文明可能會發明十進位制計時尺度。或者，他們可能會決定倒計時直到到達遙遠的太陽系，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
當新的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，這種基因在非洲和歐洲的牛被馴化後不久就獨立出現。這種基因裝置允許從牛身上獲取更多的能量，在這些人群中，它很快變得幾乎普遍，或者說“固定”下來。
雖然我們無法預測會出現哪些突變，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固定下來需要多長時間。我的計算——基於具有特定年齡和性別結構的2000人火星人口模型——表明，這可能在短短幾代人內發生，並且肯定會在300年內發生；我們可以預期在地球外人類群體中，在這種時間尺度上會出現顯著的原始地外身體特徵。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處於同一量級——一系列不同的身高、膚色、頭髮質地和其他特徵。
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居住在地下棲息地，而另一些人則更喜歡承擔增加的輻射風險，居住在提供更大流動性的地面棲息地中。在人口有限、封閉系統的太空方舟情景中，基因固定可能會更快地發生，或許會比火星上更趨於統一。
雖然會發生一些生物學變化，但長期的文化變化將更加深刻。想想從17世紀早期到20世紀早期這三個世紀，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·拉帕波特明確了這種區別。不同的文化有不同的“終極神聖公設”——通常是毋庸置疑和未經質疑的核心概念，透過傳統和儀式根深蒂固，塑造了一個人群的基本哲學和道德準則。例如，對於基督教來說，這樣一個公設是“起初，上帝創造了天地”。這種基本信仰在地球外發生改變需要多長時間——以及朝著哪個方向改變——這是不可能說的，但幾個世紀的時間肯定足以讓新的文化產生。
地外智人的崛起
我們什麼時候會看到更根本的生物學變化——也就是說，物種形成？小規模種群可以快速變化，例如，在維京船隻遺棄普通家鼠1200年後，漫遊法羅群島的異常大的小鼠就證明了這一點。但是，解剖學上的現代人類已經經歷了超過10萬年的歷史——從非洲遷移到沙漠到開闊海洋的各種環境中——顯然沒有發生生物物種形成。（我們最近的原始人類親屬，例如適應寒冷的尼安德特人和西太平洋弗洛勒斯島上明顯小型化的“霍位元人”人類，與我們的共同祖先的分裂要早得多。）這主要是因為我們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，使其達到他們再也不能與地球人有效交配的程度。
除非，當然，人類設計出他們自己的物種形成。似乎不可避免的是，地外人最終將利用DNA的驚人力量，根據許多條件定製自己的身體。也許火星人將在生物學上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，或者改造出堅韌的皮膚和組織，以承受低壓。他們可能會透過有意識的選擇將自己變成一個新的物種，地外智人。
從哪裡開始？
人類太空殖民化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化取得成功。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本質厭惡，開始在地球外生育，在那裡生育和養育孩子，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震驚——兒童面臨的風險超過了戴著腳踏車頭盔的、第一世界郊區居民！——但隨著太空通道的私有化，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，我們將一事無成。
為了促進前兩個目標，應該為第一個功能齊全、可居住的地球外人類棲息地頒發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園。許多人會對待在這樣一個地方感到不寒而慄，但與此同時，志願者將不會短缺。
最後，我們必須重新啟用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進化。我們必須比我們的官僚機構更加大膽。否則，隨著時間的推移，我們將會像地球上的其他一切事物一樣滅絕。正如H·G·威爾斯在1936年談到人類未來時所寫的那樣，它是“整個宇宙或一無所有”。