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太空时代人类如何繁衍?不如试试“速冻”精子?
#生物

在环绕着地球飞行了288天,将近九个月后,保存在国际空间站里小鼠的精子还是成功的生产出了健康的小鼠[1]。这听上去并不是什么重大的新闻,但是想像一下,当宇宙时代真的到来的时候,人类长时间的太空旅行成为一种日常的时候,我们能否在太空环境中生下健康的宝宝就是一个非常关键的问题了。

在太空环境中保存了九个月的老鼠精子诞生出的健康的老鼠宝宝 。图片来源:参考文献1

想“啪啪”,不容易

在太空里面啪啪啪本身就是一件非常困难的事情。牛顿的第三定律告诉我们“当两个物体相互作用时,彼此施加于对方的力,其大小相等,方向相反”。所以在宇宙失重的环境中,当两个人碰撞时,碰撞会使两个人朝着相反的方向分开,很难使两个人在不借助外力的情况下保持在一起。

你想多了,真实的画面恐怕……并没有这么美好哟。图片来源:《太空旅客》

更重要的是,在地球环境中,啪啪啪过程中产生的汗液会依附在人体的表面,不会离开我们身体的表面。但是在失重的环境下,这些小水滴会由于运动离开人体表面,漂浮在周围的环境中,可以想像这并不是什么另人愉悦的场景。

最后,在太空环境中,啪啪啪这样的过程对人们的体力,尤其是心血管系统,是一个不小的考验,弄不好,很有可能导致心脑血管的问题。所以人类如果真的进入了太空时代,运用试管技术是一个更加明智的选择[2]

多种尝试

在宇宙的环境中运用试管技术,失重和高辐射是我们不得不面对的两个挑战。而这样的环境,对于生殖细胞,尤其是哺乳动物生殖细胞的影响,我们还没有确定的结论。日本山梨大学若山照彦(Teruhiko Wakayama)教授最新的一项研究[1]对于我们回答这个问题提供了一个方向。

生命从诞生到衰亡的整个过程中的很多机理到现在我们还没有弄明白,更不用说在太空环境中会有什么改变了。在地球上,所有的生命都生活在重力的影响下,而且由于地球磁场的存在,宇宙射线中的很多高能粒子已经被大气层过滤掉,生命本身并没有直接暴露于这些粒子。但是在宇宙中,月球上,甚至火星上,引力不仅小很多,而且生命体会被直接的暴露于这些高辐射的环境中。在这样的环境下,对于动物的生殖繁育到底有什么样的影响,我们并不是特别的清楚。

在这之前,科学家就已经研究过宇宙环境对于生物体生殖的影响,各种动物在不同的实验中被测试过了,包括大鼠,鱼类,蝾螈,甚至海胆。但是研究结果并没有得到一致的结论。比如1979年的一个实验中,活体大鼠被放置在一个被俄罗斯送上太空的卫星中,在飞行周期中 ,大鼠并没有成功地在太空繁育活体宝宝。在另外一些将生殖细胞带入太空的实验中,海胆的精子被放在试管内,在宇宙飞行的过程中受到了损害。然而相似的实验在其它生物上得到了比较积极的结果:在试管中被送上太空的鱼类,果蝇和线虫的生殖细胞在返回地球后都成功的在宇宙的环境下繁育了下一代。可是宇宙环境对于哺乳动物生殖细胞的影响的研究却少之又少 [3]

冻干精子初获成功

出于对这个问题的好奇,若山照彦教授的团队从不同品系的小鼠个体中取得精子,对样品进行了冻干处理。冻干技术就是将生物样品快速的放到零度以下的低温,将样品进行降温冻结成固体,然后在真空的条件下使固体水直接升华出来,这样的技术可以快速的保存样品,同时保持大分子物质,比如DNA和蛋白质的活性。该团队之前的研究表明[4],经过冻干处理的小鼠精子虽然细胞本身不再存活,但是冻干处理的样品加入到水中,然后直接注射到卵子中的时候,仍然可以产生后代,因为在整个过程中DNA仍然保持其完整性和生物活性。更重要的是,经过冻干处理的样品在室温的环境下可以保存两年之久,在冷冻的环境下可以无限的保存下去。而且,经过处理的样品非常轻便,便于携带,还不占什么体积。同样的技术也可能在不久的将来,应用到人的身上。

被带到国际空间站的“速冻”样品:A) 小瓶中的白色液体是小鼠精液的冻干样品,然后每小瓶被装在一个袋子中;B)四瓶来自同一小鼠的样品被装载了一个袋子里,一共有12只实验用小鼠;C)所有的样品被装在了同一个盒子里,这个小盒子就是最后带上空间站的盒子。图片来源:参考文献1

那么经过冻干处理的精子到底能不能经受住太空环境的考验呢?这就是若山照彦教授团队的新研究所探讨的内容了[1]

于是2013年8月,小鼠冻干精子的样品被带到了国际空间站上面,在-95˚C,辐射比地表强100倍的环境中,进行了9个月的太空旅行,直到2014年5月返回地球。当样品返回地球之后,科学家们开始了对于精子的各种测试。首先,科学家们检测了宇宙环境对于精子的形态学和遗传物质有没有明显的损伤。科研人员发现,在光显微镜下面,经过太空环境处理的精子和正常的精子并没有显著的外观上的差别,只是精子的尾巴变的更长一些。

正常的精子(E)和经过太空环境处理过的精子(F)在外观形态上并没有太大的区别。 图片来源:参考文献1

除此之外,科研人员还研究了宇宙辐射环境对于精子遗传物质是不是造成了显著的改变,通过对于小鼠精子遗传物质的染色实验,科研人员发现尽管在经过宇宙辐射环境处理过的精子有一些遗传物质的改变,但是和健康的精子比起来,并没有显著性的差异。即使宇宙环境让精子发生了一些改变,但是这些改变在健康的卵子里面似乎很快就被修复了。科研人员接着将经过辐射处理的精子和正常的卵子结合,一部分受精卵被放在试管内观察它们的发育过程,同时将另一部分受精卵移植到小鼠的体内,看它们能不能发育成正常的个体。结果是:受精卵不仅在试管内发育正常,而且在小鼠体内发育成正常的胎儿。

宇宙射线辐射过的精子和正常的卵子结合后,受精卵发育正常。图片来源:参考文献1

为了比较辐射对于下一代小鼠的健康的影响,科学家们还比较了新生小鼠和健康小鼠的遗传物质DNA的变化。通过比较小鼠们的基因组,发现两者被没有明显的差别。

所以科学家得出结论,经过辐射小鼠精子产生的后代,同样是健康的。在经过辐射处理的精子产生的后代中,雌雄比例为47%比53%,也在正常雌雄比例范围内。更重要的是,这些小鼠产生的后代,也是健康的小鼠,说明辐射不会影响正常的生育。

这项研究的结果,间接地告诉我们,在宇宙强辐射的环境中生育健康的下一代是可能的。而且冻干精子技术的应用,完全的抑制了细胞的代谢,将代谢过程中产生变异的可能性降低到了最低。论文发表后,若山照彦教授在一次采访中[3]还提出了一个疯狂的假设,在国际空间站建立一个各个动物的精子库。这个便携式的精子库可以帮助我们在未来的宇宙时代,在一个新发现的星球上,快速的复制地球上的生物。如果某一天你发现了一个新的星球,当你到达你的星球后可以快速复制你想要的生物的种类,是不是想想就激动呢?(编辑:婉珺)

参考文献

  1. Wakayama, S., Kamada, Y., Yamanaka, K., Kohda, T., Suzuki, H., Shimazu, T., Tada, M. N., Osada, I., Nagamatsu, A., Kamimura, S., Nagatomo, H., Mizutani, E., Ishino, F., Yano, S. & Wakayama, T. (2017). Healthy offspring from freeze-dried mouse spermatozoa held on the International Space Station for 9 months. Proceedings of the National Academy of Sciences. doi:10.1073/pnas.1701425114
  2. Sex in space, https://en.wikipedia.org/wiki/Sex_in_space
  3. Space Sperm Produces Healthy Baby Mice, http://news.nationalgeographic.com/2017/05/space-babies-sperm-mice-radiation-science/
  4. Wakayama, T. & Yanagimachi, R. (1998). Development of normal mice from oocytes injected with freeze-dried spermatozoa. Nature biotechnology 16, 639-641