江苏激光联盟导读：
把缓步动物送到星星上。
星际旅行的可能性已经不再仅仅出现在科幻小说的领域，它已经出现在地平线上，令人垂涎。虽然我们可能不会在有生之年看到它——至少不会看到小说中超速、超光速、空间折叠之类的真实版本——但我们正在利用触手可及的技术，初步探讨生命如何逃离太阳系的束缚。
来源: University of California - Santa Barbara
对于UC Santa Barbara 的Philip Lubin和Joel Rothman教授来说，这是一个伟大的时代。他们是见证了太空探索惊人进步的一代，当时人类第一次发现自己可以离开地球。
“阿波罗登月之旅是我一生中最重大的事件之一，我至今仍无法忘怀，”Rothman说，他是分子、细胞和发育生物学系的杰出教授，也是一位自我承认的“太空极客”。
这个关键的时代仅仅过去了50年，人类对太空的知识和探索太空的技术已经大大提高，足以让教授们考虑如何才能让生物踏上穿越银河系中距离我们最近的邻居的漫长旅程。他们合作的结果发表在《Acta Astronautica》杂志上。
光帆的定向能推进。(a)定向能量激光推进的光帆和有效载荷进入星际空间。地球表面的激光阵列(天基激光阵列也有可能)发射的光子通过反射将动量传递到帆上，从而使航天器加速到相对论速度。艺术家的表演。(b)激光阵列由许多小的、模块化的子单元组成，可铰接、关闭和增加这些子单元，以实现大的任务空间。随着定向能推进能力的增强，相对论飞行将成为可能。
Rothman说:“我认为继续探索是我们的命运。看看人类的历史。我们在越来越小的层次上探索直到亚原子的层次，我们也在越来越大的层次上探索。这种不断探索的动力是我们作为一个物种的核心。”
大处着眼，从小处做起
人类星际旅行面临的最大挑战是地球与最近恒星之间的巨大距离。旅行者号的任务已经证明，我们可以将物体发送到120亿英里以外的地方，使其脱离太阳系太阳层周围的气泡。但是这种汽车大小的探测器以每小时35000英里的速度飞行，花了40年才到达那里，它们与地球的距离只是到下一颗恒星距离的一小部分。如果他们前往最近的恒星，他们将需要80000多年才能到达。
这一挑战是Lubin工作的一个主要重点，他在工作中重新构想了人类进入下一个太阳系所需的技术。传统的船载化学推进（又称火箭燃料）已经过时；它不能提供足够的能量来足够快地移动飞船，而且它的重量和推进飞船所需的现有系统对于飞船需要达到的相对论速度来说是不可行的。需要新的推进技术，而这正是UCSB定向能研究项目将光用作“推进剂”的用武之地。
物理系教授Lubin说：“这是以前从未做过的，以接近光速的速度推动宏观物体。”
代谢率(MR)和质量的不同群体的生物。尽管物种的多样性很大，但观察到每单位组织质量的能量需求几乎是普遍的。这种概括排除了能够隐生的物种(如缓步动物、盐水虾和摇蚊科)，它们在假死状态下几乎没有代谢活动，这使它们更适合星际飞行。
结果，他的团队转向了机器人和光子学。带有机载仪器的小型探测器，能够感知、收集并将数据传输回地球，将使用安装在地球或月球上的激光阵列，由光速自身推动，达到光速的20-30%。“我们不会带着它离开家。”Lubin解释说，这意味着当航天器以相对论速度“发射出去”时，主推进系统保持在“家里”。主推进激光器开启一小段时间，然后准备发射下一个探测器。
“当它穿过星际介质时，它可能看起来像一个带边缘的半导体晶片，以保护它免受辐射和尘埃的轰击。”Lubin说，“一开始可能就是你手的大小。随着计划的发展，航天器变得更大，性能也得到增强。这项核心技术还可以在一种改进的模式下使用，以更慢的速度推进太阳系中更大的航天器，有可能使人类在一个月内完成火星任务。这是另一种传播生命的方式，但在我们的太阳系中。”
在这种相对论速度下，大约每小时1亿英里，在大约20年内，该飞行器将到达下一个太阳系——半人马座近邻。要达到这一技术水平，就需要不断创新和改进太空晶圆以及光电子技术，Lubin在这一领域看到了“指数增长”。美国宇航局和私人基金会（如星光计划）以及突破性计划（如Starshot计划）支持通过定向能推进实现相对论飞行路线图的基本项目。
Rothman指出，迄今为止，研究带小动物上星空的研究已使六名研究人员获得诺贝尔奖。
作为在国际空间站和航天飞机上进行的实验的对象，C.elegans已经是太空旅行的老手，甚至在哥伦比亚号航天飞机的悲惨解体中幸存下来。在他们与罗斯曼研究的其他潜在星际旅行者分享的特殊能力中，缓步动物（或者更亲切地说，水熊）可以处于暂停状态，几乎所有的代谢功能都被抑制。成千上万的这种小生物可以被放置在一个晶圆上，以悬浮状态飞行，直到到达目的地。然后，他们可以在微小的星芯片中被唤醒，并通过光子通信将观测结果传送到地球，精确监测星际旅行对他们生物学的任何可检测影响。
Rothman补充道：“我们可以询问他们在以接近光速飞走时对经过训练的行为的记忆程度，并检查他们的新陈代谢、生理学、神经功能、生殖和衰老。在实验室中可以对这些动物进行的大多数实验都可以在星际芯片上进行，因为它们在宇宙中疾驰。”如此漫长的探险对动物生物学的影响，可以让科学家推断出对人类的潜在影响。
“我们可以开始考虑星际运输机的设计，不管它们是什么，以一种可以改善在这些小型动物身上发现的问题的方式，”Rothman说。
当然，能够把人类送到星际空间对于电影来说是伟大的，但在现实中仍然是一个遥远的梦想。当我们达到这一点时，我们可能已经创造了更合适的生命形式或更具弹性的混合人类机器。
“这是一个世代相传的计划，”Lubin说。理想情况下，下一代科学家将为我们了解星际空间及其挑战做出贡献，并随着技术的进步，加强飞船的设计。由于主推进系统重量轻，基础技术呈指数增长曲线，很像具有“摩尔定律”式扩展能力的电子产品。
在gamma辐射的情况下，大多数生物体的LD50(中位致死剂量)值在101-102 Gy左右;然而，某些线虫、真菌、轮虫、缓步动物、细菌和古细菌物种表现出更高的耐受性(~ 103-104 Gy)。即使在不同的物种间，LD50值也存在很大的差异，3种缓步动物分别为M. tardigradum、R. coronifer和H. dujardini。
行星保护和外星传播
为了可预见的未来，我们与太阳系息息相关；离开我们的地球，人类是脆弱的。但这并没有阻止Lubin、Rothman、他们的研究团队和各种各样的合作者，其中包括一位辐射专家和一位受过科学训练的神学家，思考将生命送上太空甚至在太空传播生命的生理和伦理方面。
Lubin解释说：“这是行星保护的伦理。我认为，如果你开始谈论生命的定向繁殖，这有时被称为泛胚种，这一观点认为生命来自其他地方，最终由彗星和其他碎片到达地球，甚至是有意地来自另一个文明，那么我们有意地发出生命的观点确实提出了很大的问题。”
作者认为，到目前为止，没有向前污染的风险，因为靠近任何其他行星的探测器都会在大气层中燃烧，或者在与表面的碰撞中被抹去。因为这艘宇宙飞船是单程飞行，所以没有任何外星微生物返回地球的风险。
尽管仍处于边缘，但鉴于在条件合适的情况下传播生命是多么容易，以及发现了几个可能支持或可能支持我们所知生命的系外行星和其他天体，泛胚种理论似乎受到了一些严肃的（即使是有限的）关注。
Lubin说：“一些人思考并发表了诸如‘宇宙是来自先进文明的实验室实验’之类的观点。因此，人们当然愿意思考先进文明。问题是好的，但答案更好。现在我们只是思考这些问题而没有答案。”
目前在更广泛的空间探索界正在考虑的另一个问题是：把人类送到火星和其他遥远的地方，却知道他们可能永远不会回家，怎么办？发送小微生物或人类DNA怎么样？这些存在主义的探索与人类的第一次迁徙和航海一样古老，答案很可能在我们准备开始这些旅程的那一刻出现。
Rothman说：“我认为我们不应该也不会抑制天性中固有的探索欲望。”
激光推进星际任务的艺术家表演。来源：Adrian Mann
来源：Interstellar space biology via Project Starlight, Acta Astronautica(2021). DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.10.009