本文最初发表于 MIT Press Reader。本文改编自克里斯托弗·梅森的书《未来500年：工程学如何助生命走向新世界》。
“人类发展的唯一障碍是无知，而这并非不可克服。”
罗伯特·戈达德
直到1992年发现第一批系外行星之前，从未有过直接证据表明我们太阳系之外存在行星。在首次发现的三十年后，数千颗额外的系外行星已被识别。更重要的是，其中数百颗行星位于“宜居带”，表明那里可能存在液态水，甚至生命。然而，要抵达那里，我们需要一支勇敢的船员离开我们的太阳系，还需要一支更勇敢的跨代船员，他们将出生在一个注定无法选择的任务中。他们很可能永远只能将我们的太阳系视为无数星辰中的一个明亮点。
多代人类在同一艘宇宙飞船上生活和死亡的想法其实由来已久，最早由火箭工程师罗伯特·戈达德在1918年的论文《最后的迁徙》中提出。当他开始制造能够进入太空的火箭时，他自然而然地设想了一艘能够持续前进、更远、最终抵达新恒星的飞船。近来，美国国防部高级研究计划局（DARPA）和NASA启动了一项名为“百年星舰”的项目，目标是在2100年之前推动实现星际旅行所需的研究和技术。
一个物种摆脱母星束缚的概念曾让戈达德着迷，但自有人类历史记载以来，它也一直是水手和观星者的梦想。每个仰望夜空的孩子都曾幻想飞翔其中。但通常，他们也希望返回地球。有一天，我们可能需要在一艘宇宙飞船上建造一座人类驱动的城市，并踏上一段跨代航行，前往另一个太阳系——永不回头。
距离、能量、粒子攻击
如此宏伟的任务需要克服许多巨大的挑战，首先也是最明显的挑战是距离。不包括太阳，离地球最近的已知恒星（比邻星）距离我们4.24光年，约合25万亿英里。尽管在宇宙尺度上4.24光年只是短暂的一跃，但以我们目前的技术，抵达那里将耗费相当长的时间。
NASA于2018年发射的帕克太阳探测器是人类制造的最快物体，时速高达43万英里。但即使以这个速度，抵达比邻星也需要6617年。换句话说，这次旅行大约需要220代人类。
以目前的技术，前往比邻星大约需要220代人类。
要减少这个数字的唯一方法就是更快地移动。这就引出了我们的第二个挑战：寻找推进和维持生命所需的能量。要缩短前往新恒星的时间（以及代际数量），我们的速度需要提高，方法是燃烧更多的燃料，或者开发比现有技术先进几个数量级的全新宇宙飞船。无论使用何种技术，加速可能需要来自以下一个或多个来源：预包装（不可再生）燃料、从星光中收集的能量（在恒星之间时将更具挑战性）、星际介质中的氢元素，或者通过天体的引力弹弓效应。
最新的推进技术进步或许能帮助我们重新审视这个问题。核聚变提供了一个有前景的解决方案，因为它产生的辐射比其他方法少，能量转换效率更高，这将使宇宙飞船能够达到更高的速度。正如“代达罗斯计划”（英国行星学会）和“长航计划”（美国海军学院/NASA）所设想的那样，利用核聚变为星际旅行提供了一条在人类寿命内实现的可能性。这些研究表明，核聚变动力宇宙飞船的速度可能超过每小时6200万英里，将前往附近恒星的旅行时间缩短至45年。
然而，即使我们通过设计一架速度极快、燃油效率极高的引擎解决了距离和能量的挑战，我们还会面临另一个问题：微流星体的持续威胁。请考虑，一颗以光速90%移动的沙粒，其动能足以转化为一颗小当量核弹（2千吨TNT）。考虑到太空中的粒子尺寸各不相同，以及任务提出的极高速度，任何碰撞都可能造成灾难。这也需要进一步的工程来克服，因为我们目前可用的厚重防护罩不仅会随着时间退化，而且可能过于沉重。一些可能的解决方案包括制造更轻的聚合物，以便在飞行中根据需要进行更换和修复；利用远程监控系统在撞击前识别大型物体；或者开发某种来自飞船前部的防护场，能够偏转或吸收来袭粒子的撞击。
生理和心理风险
正如NASA的双胞胎研究、SpaceX的Inspiration4任务以及NASA的其他一年期和六个月期任务所展示的那样，世代飞船的船员将面临另一个关键问题：生理和心理压力。绕过增加飞船速度或保护飞船免受碎片撞击的技术限制的一种方法是，通过冬眠或滞育来减缓生物的生物钟。然而，在模拟冬眠或卧床休息的研究中，过度饮食且缺乏运动的人，患2型糖尿病、肥胖、心脏病甚至死亡的风险会更高。那么，熊是如何做到的呢？
在冬眠或蛰伏期间，熊的表现非同寻常。它们的体温下降，心率骤降至每分钟五次，并且数月不吃、不排尿、不排便。令人惊讶的是，它们能够保持骨密度和肌肉质量。它们冬眠的诀窍似乎在于降低对胰岛素的敏感性，从而维持稳定的血糖水平。它们的心脏也变得更有效率。熊基本上激活了一种节能的“智能心脏”模式，只利用其四个腔室中的两个来循环较厚的血液。
2019年，由华盛顿州立大学的乔安娜·凯利领导的一项开创性研究揭示了熊在冬眠期间显着的基因表达变化。研究人员使用与NASA双胞胎研究相同的Illumina RNA测序技术，在灰熊进入狂食症（熊大量进食以储存能量作为脂肪的时期）时以及冬眠期间对其进行检查。他们发现，身体各组织的基因表达在冬眠期间发生了协调一致的动态变化。尽管熊处于沉睡状态，但它们的脂肪组织却异常活跃。该组织显示出广泛的新陈代谢活动迹象，包括在冬眠期间超过1000个基因的变化。这些“冬眠基因”是那些宁愿在世代飞船上处于休眠状态而不是保持清醒的人们的主要目标。
我们可以在世代飞船上利用的另一个生物学机制是滞育，它使生物体能够延迟自身发育，以在不利的环境条件下生存（例如，极端温度、干旱或食物稀缺）。许多蛾类，包括印度谷螟，可以根据环境信号在不同的发育阶段开始滞育。如果没有食物可吃，就像在贫瘠的沙漠中一样，等待更好的时机，等待营养雨的降临是明智的。
滞育实际上并非罕见；胚胎滞育已被观察到发生在100多种哺乳动物身上。即使在受精后，一些哺乳动物的胚胎也可以决定“等待”。胚泡（早期胚胎）不立即植入子宫，而是可以进入一种休眠状态，在此期间发育很少或根本不发生。这有点像一个攀岩者在攀登过程中暂停，比如在风暴来临时，然后仔细研究所有可能的路线，等待风暴过去。在滞育中，即使胚胎没有附着在子宫壁上，胚胎也可以等待糟糕的情况过去，例如食物短缺。因此，怀孕的母亲可以延长妊娠期，以等待改善的环境条件。在21世纪，人类冬眠或滞育的技术尚不存在，但未来或许可以。
失重、辐射和任务压力对宇航员的肌肉、关节、骨骼、免疫系统和眼睛的影响不容低估。对于此类任务的生理和心理风险尤其令人担忧，因为现有的模型大多基于相对较短且很大程度上受到地球磁层保护的旅程，迄今为止最广泛的研究来自斯科特·凯利上校为期340天的旅行。
人造重力——本质上是建造一个旋转的宇宙飞船来复制地球重力的效果——可以解决其中许多问题，但并非全部。另一个主要挑战是辐射。有多种方法可以尝试减轻这种风险，无论是飞船周围的屏蔽、预防性药物（NASA正在研究）、通过细胞游离DNA（cfDNA）进行频繁的时间监测以早期检测可干预的突变，还是通过基因工程改造宇航员以更好地保护或应对辐射。对于长期任务，特别是在太阳系之外的长期任务，抵抗辐射的最佳方法可能是结合这些方法的努力。
但即使解决了辐射问题，还需要解决孤立和有限社交互动带来的心理和认知压力。想象一下，你必须在你的一生中，和你办公室的同事和家人在同一栋楼里工作和生活。虽然我们可以为世代飞船任务的早期船员进行精心挑选，但他们的孩子可能会难以适应新家园的社会和环境方面。
在地球上进行的模拟任务表明，在与一小群人隔离500天后，大多数关系都会变得紧张甚至敌对。
在地球上进行的模拟任务，例如火星500项目，表明在与一小群人隔离500天后，大多数关系都会变得紧张甚至敌对。在虚构和非虚构作品中都有对“太空疯狂”的描述，但对其建模和风险关联有限。我们根本无法知道同一批船员及其后代在10年或100年后的表现，更不用说数千年了。人类历史充斥着冲突、战争、派别和政治暗斗的例子，但也充满了合作、共生和为实现宏大目标而共享治理的例子（例如在南极研究站）。
选择我们的新家园
在发射第一艘世代飞船之前，我们需要获取大量关于我们要派遣第一批定居者的候选行星的信息。一种方法是向潜在的太阳系发送探测器，获取尽可能详细的信息，以确保飞船在发射前拥有所需的一切。这方面的工作已经开始，例如尤里·米尔纳、史蒂芬·霍金和马克·扎克伯格提出的“突破摄星”任务。
这个想法足够简单，物理原理也已于2018年由凯文·帕金详细阐述。如果有一支极其轻便的宇宙飞船，装载微型相机、导航设备、通信设备、导航工具（推进器）和电源，它们就可以通过激光“发射”出去，加速其速度。如果每艘微型宇宙飞船都有一个可由激光瞄准的“光帆”，它们都可以加速以缩短传输时间。这样的“星际芯片”可以在大约25年内完成前往比邻星b（一颗绕比邻星宜居带运行的系外行星）的旅程，并在另外25年的数据传输回地球后发送数据。这样，我们就能获得更多关于如果选择该地点，船员可能面临什么的信息。这个计划的想法归功于物理学家菲利普·卢宾，他在2015年的文章《星际飞行路线图》中设想，利用一个可调节的激光阵列，能够聚焦到星际芯片上，结合100吉瓦的功率，将探测器推进到我们最近的已知恒星。
理想情况是为人类的到来播种世界，类似于目前在火星上进行的任务。如果这些星际芯片能够工作，那么它们就可以被用来向其他行星发送微生物以及传感器。它们当然也面临着许多挑战，需要它们在旅途中生存下来，减速，然后降落在新行星上——这绝非易事。然而，这个旅行计划都在地球上已知的一些极端微生物可承受的范围内，它们可以轻松地在极端温度、辐射和压力下生存。例如，水熊虫已经能够承受太空真空，并且可能能够前往其他行星，我们也可以将其他“种子”生物一起送去。克劳迪斯·格罗斯在2016年首次提出的“创世探测器”将地球微生物播种到其他行星的想法，显然会违反所有现行的行星保护指南，但它也可能是准备行星供我们抵达的最佳方式。理想情况下，这应该在机器人探测器对行星进行广泛分析之后才进行，以减少对可能已存在的任何生命的伤害。
世代飞船的伦理
这些生物学、战术和心理问题是由世代飞船的一个关键、最后的限制驱动的：乘客被困在那里。因此，这个问题代表了必须解决的另一个挑战：伦理层面。将一群人安置在一艘宇宙飞船上，并期望他们繁衍后代，这在伦理上是否可取？他们将不得不知道，他们居住或出生的飞船是他们唯一了解的世界。某些社会、经济和文化基础设施需要被建造成世代飞船的一部分，以及娱乐活动。
用于地球娱乐目的的宇航服、虚拟/增强现实相机套件和沉浸式体验套件，将对世代飞船的船员至关重要。团队可以在虚拟环境中相互比赛，这比传统的体育赛事和设备所需的设施少。毕竟，电子游戏不仅是探索和娱乐活动；它们是社会的技术粘合剂。当然，游戏只是拼图的一部分。世代飞船上的生活将从根本上不同于地球上的任何体验，并且无疑更具挑战性。
一些反对载人星际任务的批评者认为，如果一项星际任务不能在船员的寿命内完成，那么就不应该开始。相反，由于推进技术、飞船设计和火箭技术（以及我们的基因组和生物工程方法）都将继续改进，最好是等待。甚至有可能，如果我们能在公元2500年向比邻星b发射一艘世代飞船，在公元3000年发射的另一艘拥有更先进推进技术的飞船将会超越它。
这种“不断过时假说”，由罗伯特·福沃德于1996年首次提出，作为一个思想实验很有说服力。大多数技术确实会变得更好，而且在几乎所有人类社会中，技术都在不断进步。那么，如何知道何时是正确的时机呢？预测未来是出了名的困难。
我们试图避免的灭绝可能发生在500年的滞后期间，导致所有生命被彻底毁灭，而没有备份。
然而，一个好的选择不应该是完美选择的敌人。我们可以发送两艘飞船——第一艘在2500年，第二艘在3000年——而不仅仅是一艘。如果新飞船赶上了旧飞船，它们很可能会互相协助，并且应该计划这样做。此外，这种过时的担忧忽略了等待太久的风险。我们试图避免的灭绝可能发生在500年的滞后期间，导致所有生命被彻底毁灭，而没有备份。
但是，即使有了先进的娱乐以及随时可能出现一艘新的、改进型飞船的希望，船员们是否仍然会望着窗外星光闪烁的天空，想着蓝色的大海？或者他们可能会因为拥有一个非凡的探索机会，并确切地说是“被选中的人”来建造一个新世界而感到欣喜？现实是，这艘飞船将是他们的世界，而且，对大多数人来说，这将是他们唯一能体验到的世界。
然而，这种体验的局限性实际上与历史上所有人类的生活并无太大区别。所有人类都曾被困在一个世界里，仰望星空，思考着“如果怎么样？”这个载体，地球，虽然广阔而多样，但仍然只是一个单一的、有着有限景观、环境和资源的飞船，21世纪之前的所有人都生活和死亡在那里，没有离开的选择。少数几百名宇航员曾暂时离开地球，但他们都必须返回。世代飞船只是我们成长的那艘飞船的一个小版本，如果做得好，它甚至可能带领我们到达一个比我们继承的
更好
的星球。新行星可以成为在宇宙中扩张生命的沃土，同时也提供如何在地球上保存生命的教训。克里斯托弗·E·梅森是一位遗传学家和计算生物学家，他领导着太空组学和医学图谱（SOMA）项目和康奈尔航空医学生物库（CAMbank）。他是威尔·康奈尔医学院的基因组学、生理学和生物物理学教授，世界量化预测倡议的董事，以及《未来500年：工程学如何助生命走向新世界》的作者，本文即改编自该书。
