本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
科學、工程和生物技術的進步將在不久的將來產生超人。在我的書《追逐美國隊長》中，我探討了生物醫學作為一種直接和有針對性地增強進化的方法的主題。美國隊長象徵著為了特定目的而對人類生物學進行最終和刻意的改造。而這可以應用的目的之一就是在不同的星球上生活。
我們更熟悉環境壓力驅動我們地球家園生物的變化。自然選擇的緩慢適應過程意味著需要數千年才能看到一個物種發生有意義的進化變化。那些適應的物種生存下來，而那些不適應的物種則無法生存。這就是所謂的“適者生存”，長期以來被認為是查爾斯·達爾文和阿爾弗雷德·羅素·華萊士提出的進化論的核心。為了讓適者生存，必須發生適應。這條規則既適用於太空，也適用於地球。
火星已被標記為人類太空探索的下一步。這並不容易；我們在到達那裡和登陸後生存方面都面臨挑戰。火星是一個嚴酷的地方，我們必須應對重力的變化和輻射的影響。我們需要快速進化和適應這種新環境。我們圍繞這些適應的策略必須包括長期的繁榮發展，以及眼前的生存。
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我們不可能在火星表面穿著人字拖和工裝短褲閒逛，並在很長一段時間內，甚至可能永遠不可能呼吸經過地球化的空氣。然而，在火星上的人們將生活在重力減小的環境中，將暴露於高水平的輻射中，並且需要擁有最佳化的氧氣提取能力。為了實現這一切，我們需要在人們到達火星並開始在新世界定居之前，就對他們進行預先進化。
在1941年3月《美國隊長漫畫》第一期中，我們看到史蒂夫·羅傑斯，“一個虛弱的年輕人”被萊因斯坦教授“接種了奇怪的沸騰液體”。這種“超級士兵血清”和隨後的“維他射線治療”將這個虛弱的軍隊棄兒變成了美國隊長形象中的人類巔峰表現。雖然現代科學和基因工程每天都在讓我們更接近創造美國隊長，但我們不能像美國隊長在他起源故事中那樣立即轉變。真正的改變可能需要多長時間？
為了衡量這種有意義的改變可能實現的速度，勞倫·科赫和密歇根大學醫學院的同事們有選擇地培育了大鼠，並測試了它們的功能能力。動物——包括我們人類——對運動訓練的反應會有不同的適應性。根據對運動訓練的功能反應，將大鼠成對繁殖，使得研究人員能夠建立一組低反應和高反應的大鼠。
經過 15 代的選擇性育種，高反應大鼠的跑步距離增加到大約 220 米，而低反應大鼠實際上變得更糟，下降到大約 65 米。“對照”大鼠的平均水平在兩者之間，約為 140 米。結果非常清楚地表明，基因選擇可以在相對較短的時間內改變功能特徵——但換算成人仍然需要大約 300 年。
我們人類顯然正在走向殖民其他世界。這就是現代科學和美國隊長相遇太空新領域的地方。太空旅行者將體驗太空中的微重力以及火星上大約地球三分之一的重力，這些變化引起了嚴重的健康問題。即使我們細胞的物理形狀在不同的重力場中也會發生變化。在類似於 DC 漫畫中的“塑膠人”或漫威漫畫中的“神奇先生”裡德·理查茲的扭曲中，細胞從略微不規則的邊界變為光滑的圓形。我們的細胞內部有生物支架，可以感知和檢測形狀的變化，以及由蛋白質組成的離子通道形式的進入和退出點；重力變化導致的翻新會導致它們功能的變化。
聽力、平衡、視力、體內血液分佈、腎臟、泌尿和肌肉功能以及骨密度都會受到負面影響。美國宇航局和其他太空機構面臨的大問題是，在太空中三年——大約是往返火星所需的時間，是目前最長太空任務的三倍——將對人類生理產生什麼影響。
太空中的環境對人類生理來說是完全陌生的——華盛頓州立大學的天體生物學家德克·舒爾茨-馬庫奇對此很感興趣。舒爾茨-馬庫奇在科學文獻和為公眾寫作方面廣泛發表了關於外生物學和地外生命的著作；他是四本暢銷書和兩本小說的作者。
舒爾茨-馬庫奇認為，如果能夠在火星上建立殖民地，即使考慮到其重力減小，我們仍然能夠像在地球上一樣繁殖和生育。經過幾代在火星上的生活，我們將慢慢開始適應。許多適應可能與人類將暴露在其中的強烈的電離和紫外線輻射有關。例如，我們會逐漸看到暴露在火星光線下的皮膚中黑色素的色素沉著增加。
然而，色素沉著不一定會保護我們免受電離輻射的影響。我們需要一個真正的盾牌。也許不是像美國隊長那樣用神話般的金屬振金製成的，而是像他的盾牌可以阻擋子彈一樣有效地阻擋輻射的盾牌。地球上的一些微生物——例如細菌耐輻射奇異球菌——使用鎂和錳等礦物質來幫助保護它們免受輻射。它可以在冷凍、輻射、脫水、放置在真空中和暴露於酸性環境中生存。它的超能力是它的生存能力。它可以承受超過 5,000 格雷的電離輻射。這種劑量的輻射會導致其他生物的 DNA 斷裂，並且對您或我來說是致命的。
耐輻射奇異球菌之所以能夠生存並抵抗輻射的影響，是因為它具有快速的 DNA 修復能力和多個基因組副本。它還具有環形的 DNA 鏈，而不是我們在地球上大多數有機生命中通常發現的雙螺旋結構。為了讓您瞭解在太空中身體將暴露於多少輻射，在國際空間站上一年相當於從洛杉磯飛往紐約超過 5,000 次的輻射暴露。
修復 DNA 損傷是我們細胞的一項重要功能。為了讓生命繼續下去，我們的細胞必須分裂並在每個新細胞中建立一個 DNA 副本。如果副本被破壞，錯誤將被傳遞給下一代細胞。錯誤是由於轉錄過程中的錯誤而發生的，並且在這裡特別相關的是，紫外線和其他輻射源會造成損害。
當你的 DNA 複製過程正在進行時，有時鹼基對會被混淆。這種情況並不經常發生，但由於你體內有大量的細胞每七到十五年就會複製一次，即使是小的錯誤也會導致重大問題。我們需要繼續努力，更好地瞭解如何最佳化修復，也許可以借鑑其他動物的機制。
建立雜交體的一種嵌合方法可能包括緩步動物 DNA 來抵抗輻射。緩步動物是一種微小的動物，看起來像熊和鼴鼠的結合體。（小知識提示：它們是 2018 年電影《蟻人 2：黃蜂女現身》中“量子領域”裡看到的小動物。）緩步動物幾乎可以承受任何東西，包括通常會使 DNA 變性的極端輻射暴露。東京大學的國枝武一和他的同事發現緩步動物中的一種特定蛋白質有助於發揮這種保護作用。國枝和他的合作者透過將緩步動物 DNA 插入培養的人類細胞中來操縱它們，發現它們抵抗 X 射線損傷的能力比普通人類細胞高 40%。
火星是我們近期作為潛在太空殖民地的唯一選擇。如果我們要作為一個物種在那裡繁榮發展，我們沒有時間等待進化來完成其緩慢而穩定的工作。舒爾茨-馬庫奇的大部分工作都著眼於假設生命如何在其他星球上存在，他承認“將像我們這樣高度適應的物種置於新的星球上是不合時宜的，這是一個巨大的挑戰”。
美國隊長本身就是終極科學實驗的產物，他象徵著對我們所知的生命進行生物工程改造的潛力。正如我在《追逐美國隊長》中所說的那樣，我們需要考慮對我們物種實施變革，以增強我們在太空中生存和繁榮的能力。每天，進行這些改變的科學和工程能力都更接近我們的掌握，並且越來越偏離地球進化提供的功能生物學。
來自波蘭、巴西和美國的康拉德·斯佐奇克及其同事在他們發表在《2018 年論文》中推測了人類在火星上繁殖的生物和社會挑戰。這些科學家得出結論，火星上的最低可行目標人口為 5,000 人。要達到這個數字，就意味著要在火星上生存和繁殖。斯佐奇克及其同事也像我一樣認為，在到達紅色星球之前和之後使用基因工程來改變人類生物學是確保生存的唯一方法。
正如美國隊長和他的夥伴們組成了復仇者聯盟，他們為執行的每一項任務都制定了戰術和戰略上都合理的計劃一樣，我們需要戰略性地加速人類進化，以“預進化”的狀態適應火星地貌。