Kuinka Marsin etsintä voisi johtaa uuteen ihmislajiin
Tuleva Hollywood-elokuva Avaruus välillämme kertoo pojasta, joka on syntynyt amerikkalaiselle astronautille Marsissa. Hänen äitinsä kuolee synnytyksessä, mutta lapsi selviää ja kasvaa pienen astronautien siirtokunnan hoidossa Punaisella planeetalla. Elokuvan trailerin tumma äänivaihto antaa lähtökohdan elokuvalle:”Hänen sydämensä ei vain pysty käsittelemään painovoimaa; hänen luut ovat liian heikkoja. Toisin sanoen, ei ole paluuta takaisin. Kysymys kannattaa pohtia: jos päätämme poistua Maasta, pystyvätkö jälkeläisemme koskaan palaamaan takaisin?
Joka vuosi olemme pääsemässä lähemmäksi Marsia. NASA toivoo, että ihmisen jalat asettavat jalkansa Punaiselle planeetalle 30 vuodessa, ja Elon Musk kutsuu lukua 10 vuodeksi: aluksi se on koelento, kun taas lopullinen päämäärä on luoda omavaraisia Marsin kaupunkeja. Syyskuussa 2016 pidetyssä puheessa Musk mainitsi "kaksi pääpolkua", joita ihmiskunta voi kuljettaa: "Yksi polku on pysyä maan päällä ikuisesti, ja sitten meillä on lopullinen sukupuutto. Vaihtoehtona on tulla avaruutta valloittavaksi sivilisaatioksi ja moniplanetaariseksi lajeksi."
Jos saavutamme koskaan Marsin, siellä elävät olosuhteet eroavat kaikessa suhteessa maan päällä olevista. Mukautuminen painovoiman heikompiin vaikutuksiin, voimakkaaseen säteilyyn ja bakteeriflooran täydelliseen puuttumiseen pakottaa useita Marsin siirtolaisten sukupolvia kokemaan joukon dramaattisia evoluutio muutoksia ihmisen esi-isossa, jotka ovat verrattavissa pystyyn kävelemisen alkamiseen ja aivojen tilavuuden lisääntymiseen.
Ensimmäiset evoluutiomuutokset voivat olla nopeita ja hienoisia. Koska ensimmäisten Marsilla olevien ihmisten ryhmää on väistämättä rajoitettu määrä - Musk on ehdottanut lähettävänsä noin sata ihmistä avaruusalukseen - ensimmäiset marssialaiset asukkaat kokevat ilmiön, joka tunnetaan nimellä perustajavaikutus. Tätä ilmiötä havaitaan joka kerta, kun uudet tulokkaat siirtävät uuden paikan, kuten merenpohjasta nousevan tulivuoren saaren. Ne harvat, jotka asettuvat uudelle paikalle riippumatta siitä, miten he saapuivat sinne, eivät todennäköisesti edusta sitä enemmistöä, johon he alun perin kuuluivat. Mitä pienempi otos, sitä epätodennäköisemmin se edustaa suurempaa ryhmää, josta se tuli.
Jos lähetämme sata kolonistia Marsiin, todennäköisyys, että he edustavat tarkasti kaikkia maapallolla eläviä ihmisiä korkeuden, hiusvärin, diabeteksen tai rintasyövän taipumuksen, korvien siirtämiskyvyn tai muiden geneettisten tekijöiden suhteen, on erittäin pieni. … Riippumatta siitä, millaisia ominaisuuksia varhaisilla siirtomaalaisilla oli, ne siirretään edelleen lapsilleen, ja siten kasvavasta Marsin siirtokunnasta, edes luonnollisen valinnan puuttuessa, tulee jotain erilaista kuin maan asukkaalla. Esimerkiksi, jos kaikki Marsille lähettämämme astronautit olisivat punaisia, olisi toinen syy kutsua Marsia Punaiseksi planeetalle.
Perustajavaikutus ei tietenkään rajoitu Marsin tutkijoihin tai planeettojenvälisiin matkustajiin. Sitä voi esiintyä missä tahansa eristetyssä tai valitussa populaatiossa. Mutta useiden sukupolvien muuttuessa muutokset voivat saada selvemmän ja tarkemman luonteen. Niissä olosuhteissa, joissa painovoima on vain kolmasosa maan painovoimasta, raskaus ja synnytys voi olla paljon vaikeampaa Marsilla. Hiirien alkionkehityksen tutkijat ovat havainneet, että hiirien, joiden alkiot muodostettiin keinotekoisesti luotuissa mikropaino-olosuhteissa, hedelmällisyysaste on alhaisempi kuin normaalin painovoiman ollessa. Mielenkiintoista on, että in vitro suoritettuun hedelmöitykseen ei vaikuta vaikuttavan painovoiman heikkeneminen, mutta osa saaduista alkioista ei kehittynyt yhtä hyvin kuin alkioita.näkyvät normaalin painovoiman alla. Syitä tähän ei ole vielä selvä, mutta tulokset osoittavat, että nisäkkäät, mukaan lukien ihmiset, voivat kokea enemmän vaikeuksia raskauden aikana Marsissa kuin maapallolla. Ja tämä puolestaan voi kohdistaa evoluutiovalinnan uuden paineen, jota ei havaita maan päällä.
Riittämätön painovoima johtaa myös luun menetykseen nopeudella noin 1 - 2% kuukaudessa. Kahden tai kolmen Marsin vuoden jälkeen asukkaat voivat menettää puolet luumassastaan, mikä vaikuttaa todennäköisesti raskaana oleviin naisiin vielä enemmän, koska keho tarvitsee paljon kalsiumia raskauden aikana. Luutiheyden menetys tekee ihmisistä alttiimpia vammoille, etenkin lonkka- ja selkärangan murtumille. Koska tällaisilla vammilla voi olla peruuttamattomia seurauksia Marsille, ihmiset, joilla on luonnollisesti korkeampi luutiheys - mikä oli tyypillisempi esi-isillemme kuin nykyaikaisille ihmisille - todennäköisemmin selviytyvät ja siirtävät geeninsä. Siksi monien sukupolvien vaihdoksen seurauksena Marsilla olevilla ihmisillä on lopulta luonteeltaan tiheämpi luu edeltäjiinsä verrattuna, mikä tarkoittaa, että he ovat vahvemman ulkonäön.
Mainosvideo:
Marsin asukkaiden on myös mukauduttava korkeaan säteilytasoon. Koska planeettaa ei suojata magnetosfäärillä tai ilmakehällä, Marsia hyökkäävät korkeaenergiset kosmiset säteet, voimakas ultravioletti säteily ja aurinkohiukkaset. Henkilö saa 500 päivän ajan Marsin pinnalla säteilyannoksen, joka on kuusi kertaa suurin sallittu vuosiannos, jonka Yhdysvaltain energiaministeriön työntekijät sallivat. Avaruuspuvut tai maanalaiset asuintilat saattavat tarjota jonkin verran suojaa, mutta tietysti jonkin aikaa tarvitaan vielä Marsin pinnalla, kasvien kasvattamisessa, rakennusten pystyttämisessä ja vastaavissa.
Säteily vaurioittaa DNA: ta aiheuttaen eräänlaisen mutaation, joka johtaa syöpään. Vaikka säteily voi tarkoittaa korkeampia syöpämääriä marsilaisten asukkaiden keskuudessa, se voi myös nopeuttaa evoluutiota tuottamalla satunnaisia geneettisiä muunnelmia, mukaan lukien piirteet, jotka ovat hyödyllisiä Marsin ympäristössä.
Nämä geneettiset variaatiot voivat olla keino suojata kehomme säteilyaltistukselta. Maapallolla ihomme tuottaa melaniinia, pigmenttiä, joka toimii luonnollisena aurinkovoideena. Ihon pigmentaatio on kehittynyt ihmispopulaatioissa tasapainona ylimääräisen säteilyriskin, joka häiritsee DNA: n tuotantoa, ja riittämättömän säteilyriskin välillä, joka häiritsee luun normaalia muodostumista. Monet muut organismit käyttävät melaniinia suojautuakseen säteilyltä, mukaan lukien tumman sienet, jotka kasvavat Tšernobylin ydinreaktorin ytimen sulaessa. Melaniinityyppi, joka antaa ihmiskeholle maksimaalisen suojan aurinkovalolta, on eumelaniini, joka antaa iholle tummanruskean tai mustan värin. Ihmiset, joiden iholla on paljon enemmän eumelaniiniapystyy paremmin sietämään Marsin äärimmäistä säteilytasoa, mistä seurauksena marsilaisten iho on tummempi kuin minkään ihmisen.
Rover ylittää Dingo Gap -hiekkadyynit
Toisaalta voimakas säteily Marsilla voisi edistää uusien ihopigmenttien kehitystä. Monet kasvit ja mikro-organismit tuottavat karotenoideja - oransseja pigmenttejä, jotka antavat porkkanalle värinsä - suojaamaan niitä auringonvalolta. Vaikka monilla eläimillä on karotenoideja, suurin osa heistä saa ne ruokavaliostaan. Yksi poikkeus on hernetukki, pieni hyönteinen, joka on yleensä vihreää, mutta joissakin tapauksissa muuttuu punaiseksi itse tuottamiensa karotenoidien vuoksi. Genomianalyysi osoitti, että herneiden kirvoja sai geenejä, jotka vastaavat karotenoidien tuotannosta yhdestä sienestä, mikä tarkoittaa, että harvinaisissa tapauksissa eläimet voivat lainata laitteita pigmentin tuottamiseksi muista organismeista. Marsin ankarat olosuhteet voivat lisätä tällaisten harvinaisten lainojen todennäköisyyttä, jos lopputulos - sanoen kirkkaan oranssi iho - olisi erityisen hyödyllinen.
Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että korkea säteilytaso vaikuttaa myös aivoihin ja muuttaa alueellista muistia ja riskinottoa käyttäytymistä joillakin hiirillä, mutta ei kaikilla. Tällaiset rikkomukset voivat muodostaa vakavan uhan Marsin siirtokunnan menestymiselle. Kuitenkin, jos Marsilla olevien ihmisten keskuudessa esiintyy samoja säteilyherkkyyden vaihteluita, joita näemme jyrsijöissä, luonnollinen valinta toimii niiden ihmisten hyväksi, joille säteily vaikuttaa vähemmän. Tulevat sukupolvet kykenevät kehittämään sietokyvyn säteilyn haitallisille vaikutuksille aivoissa, tekemällä ihmisistä paremmin sopeutuneita Marsin ympäristöön ja lisäämällä kykyään tutkia avaruutta edelleen, ehkä jopa matkustaa kauempana asuttaville planeetoille, kuten Proxima b.
Sitten on mikrobiome - bakteerit ja muut pienet organismit, jotka elävät kehomme sisällä ja pinnalla ja joilla on vakava vaikutus kehomme. Nämä mikrobit hankitaan meille koko elämämme ajan, alkaen niistä, jotka saamme äideiltämme kuljettaessamme synnytystietokannan läpi. Varhaislapsuus on tärkeä aika terveen mikrobiomin kehittymiselle, koska lapset saavat lisää mikrobia vanhemmiltaan, sisaruksiltaan, ystäviltään ja ympäristöltä. Marsin lapset eivät altistu monille erilaisille mikrobille, joita löydämme täältä maan päällä, ja vaikka tutkijat toivovat edelleen löytävänsä mikrobien elämän Marsilla, sen olemassaolosta ei ole vielä vakuuttavia todisteita.
Ihmiset Marsilla
Hyödyllisten mikrobien menetys voi johtaa haitallisiin fyysisen ja mielenterveyden seurauksiin marsialaisille. Täällä maan päällä näemme jo mikrobien monimuotoisuuden vähenemisen kaupunkiympäristössä asuvien ihmisten mikrobiomeissa, joissa teemme parhaamme desinfioidaksemme ruumiimme ja ympäröivät esineet tautien vaihdon estämiseksi. Tämä prosessi on monella tapaa kiistatta hyödyllistä - kun rokotteiden kehittämisellä on tappattu leviävät sairaudet, kuten isorokot, ja parantunut puhtaanapito ja antibioottien saatavuus ovat rajoittaneet muiden sairauksien leviämistä tietyille alueille. Mikrobisotaa koskevan odottamattoman seurauksena oli kuitenkin terveydellemme hyödyllisten mikro-organismien, myös niiden, etsiminenjotka ovat olleet kanssamme rinnakkain vuosituhansien ajan ja joita uhkaa tällä hetkellä sukupuutto.
Marsiin muuttaminen voi olla liian suuri testi näille mikrobille, ja niiden täydellinen menetys on melkein varmasti haitallista ihmisille. Ihmisillä, joilla on huonosti monimuotoinen mikrobiome, kehittyy todennäköisemmin lihavuus, tyypin 1 diabetes ja mahdollisesti muut sairaudet, kuten allergiat, astma, keliakia ja tietyt syövät. Kokeet, joissa hiiriä ja kaneja kasvatetaan steriileissä olosuhteissa antamatta heille kehittyä minkäänlaista mikrobiomia, viittaavat melko synkeään näkymään. Heidän immuunijärjestelmä ja hermosto eivät kehitty kunnolla, ja heidän kykynsä saada ravintoaineita ruoasta on heikentynyt.
Suolistossa elävillä mikrobilla on tärkeä merkitys ruuansulatuksessa, joten Marsin asukkaiden ruokavalioissa on tehtävä muutoksia mikrobiomin täydellisen menettämisen yhteydessä. Tutkijat voivat suunnitella erityisesti muotoiltuja ruokia, jotka sisältävät vain yksinkertaisia sokereita, proteiineja ja rasvoja, jotka sulavat helposti ilman mikro-organismien apua. Toisaalta, jos jotkut hyödylliset mikrobit seuraavat ihmistä Marsiin, ne voivat itse kehittyä hänen kanssaan. Lyhyen sukupolven ajan - jotkut bakteerityypit lisääntyvät 30 minuutin välein - mikrobit kehittyvät paljon nopeammin kuin ihmiset, mikä antaa heille mahdollisuuden mukautua nopeasti muuttuviin olosuhteisiin. Säteily vaikuttaa myös heihin, mikä lisää niiden mutaatiotaajuutta ja kiihdyttää edelleen niiden kehitystä.
Samat prosessit tapahtuvat kaikkien kasvien tai eläinten kanssa, jotka tuomme mukanaan, samoin kuin näiden lajien sisällä ja pinnalla elävien mikrobien kanssa. Toisin sanoen luomalla marsilaisten siirtokunnan, pystymme perustamaan uuden tyyppiselle ekosysteemille. Marsin järjestäminen - muuttamalla tarkoituksella Marsin ympäristöä saadakseen sen olosuhteet lähemmäksi maapallon olosuhteita - voi johtaa sellaisten ekosysteemien kehitykseen, jotka ovat erilaisia kuin maapallolla.
Hyvä uutinen on, että Marsilla ei todennäköisesti ole tartuntataudin ongelmaa. Kuten ihmisen mikrobiomilla, ainoat virukset, patogeeniset bakteerit ja muut Marsin patogeenit ovat todennäköisesti mukana. Pitkasta planeettojenvälisestä matkasta voisi tulla karanteeni, joka rajoittaa tartuntatautien vahingossa tapahtuvan esiintymisen mahdollisuutta Marsille. Suurin osa ihmisiin vaikuttavista tartuntataudeista on seurausta infektioista, jotka olemme saaneet aikaan eläimiltä, etenkin lintuilta ja nisäkkäiltä. Monia näistä, kuten pernaruttoa ja raivotautia, kantavat kotieläimet, kuten lampaat, nautakarja ja koirat. Toiset, kuten Lymen tauti, ovat pääosin villieläimiä. Maapallolla kohtaamme jatkuvasti uusia sairauksia,kuten Ebola ja Zika, osittain siksi, että nämä mikrobit tartuttavat säännöllisesti eläimiä ja ihmisiä. Marsilla voimme välttää tämän ongelman, jos emme tuo lintuja tai nisäkkäitä sinne, valitsemalla sen sijaan joukon hyönteisiä, joilla on vähemmän todennäköisiä tartuntoja, jotka voivat tartuttaa ihmisiä (ja jotka tarvitsevat vähemmän ruokaa).
Toisaalta eläminen tartuntataudin uhan ulkopuolella voi johtaa immuunijärjestelmän surkastumiseen, josta voi tulla lisäyksen kaltainen jäännös, tai ehkä kadota kokonaan. Tämä surkastuminen voi johtua paitsi taudin puuttumisesta: avaruuslentojen aikana astronautit kärsivät usein immunosuppressiosta, mikä johtuu pääosin lentoonlähtöön, laskeutumiseen ja suljetussa tilassa olleesta stressistä, mutta eräiden raporttien mukaan myös mikropainolla on tässä merkitystä.
Immuunivaroittuneet marssilaiset kohtaavat hengenvaarallisia sairauksia, jos he palaavat maan päälle. Maapallolta tulevat ihmiset voivat tuhota koko Marsin siirtokunnan, jos ne tuovat jonkin taudin mukanaan. Erityisen suuret ovat sairauksiin liittyvät riskit, joilla ei ole ilmeisiä oireita, kuten yleensä sukupuoliteitse tarttuvien infektioiden, kuten HIV tai klamydia, kohdalla. Läheiset henkilökohtaiset kontaktit - kuten seksi - Earthlingsin ja marsilaisten välillä olisivat erittäin vaarallisia.
Laita se kaikki yhteen: sukupuolikiellon kieltäminen maanläheisten ja marsilaisten välillä, perustajavaikutus, muutokset mikrobiomissa, luonnollinen valinta Marsin ympäristön ankarissa olosuhteissa, plus heikko painovoima - ja sinulle tulee selväksi: Marsin asuminen johtaa viime kädessä täysin uuden ihmislajin kehittymiseen. … Tämä on yleinen ilmiö saarilla eristetyissä eläimissä ja kasveissa - muista kuuluisat Darwinin out. Mutta vaikka saarilla tapahtuva spesifikaatio voi viedä tuhansia vuosia, nopeutetut mutaatiomäärät Marsissa ja voimakas kontrasti Marsin ja maan elinolojen välillä nopeuttavat tätä prosessia. Vain muutamassa sata sukupolvea - kenties vain vähän kuin kuusi tuhatta vuotta - voisi syntyä uusi ihmislaji.
Vuonna 1950 Ray Bradbury julkaisi aiheeseen liittyvän novellisarjan, nimeltään Marsin aikakaudet, jossa hän kuvasi kaukaista tulevaisuutta, jossa Marsin asuttavat ihmiset, jotka ovat kauan menettäneet kaiken kiinnostuksensa maapallosta ja sen yhteyden. Marsilaisten Bradburilla on ruskea iho ja keltaiset silmät. "Oletko koskaan ajatellut - no, elävätkö ihmiset kolmannella planeetalla?" - kysyy yksi marsilaisista. "Kolmas planeetta ei ole asuttava", hänen miehensä vastaa. "Tutkijamme sanovat, että ilmakehässä on liikaa happea."
Bradburyn fiktio voi hyvinkin olla profeetallinen. Jos maata koettelevat vakavat katastrofit, Marsin asuttaminen pitkällä aikavälillä voi olla välttämätön edellytys selviytymisellemme. Ihmislajien säilyttämisstrategia voi kuitenkin viime kädessä muuttaa meitä ikuisesti.
Scott Solomon on Houstonissa toimiva biologi ja tieteellinen kirjailija. Hän opettaa ekologiaa, evoluutiobiologiaa ja tieteellistä viestintää Rice-yliopistossa, jossa hän on biotieteiden laitoksen professori. Yale University Press julkaisi ensimmäisen kirjansa Future Humans: Inside Science of Continuing Evolution, joka ilmestyi 25. lokakuuta 2016.