賈誼，郭宇，李志利，劉書娟*

(1. 中北大學(xué)體育學(xué)院，太原 030051； 2. 中國航天員科研訓(xùn)練中心，航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機(jī)具有高度的靈活性和機(jī)動性能，在飛行過程中重力作用經(jīng)常會產(chǎn)生由頭部指向足部的高正加速度(以下簡稱：高+Gz)，并對飛行員的機(jī)體產(chǎn)生機(jī)械牽拉作用。通常把持續(xù)時間超過1 s以上的正加速度稱為“持續(xù)性正加速度”[1]?，F(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)產(chǎn)生的這種高持續(xù)性加速度的特點(diǎn)是增長速度快(6 G/s)，作用時間長(15 ～ 45 s)，且G值高(+9 Gz),由此帶來的生理應(yīng)激反應(yīng)，例如：血液動力學(xué)改變，防護(hù)措施和抗加速度動作的影響，尤其是飛行員經(jīng)受的重復(fù)性多次高G載荷作用，都會對機(jī)體產(chǎn)生不良影響。

為了闡明高+Gz對機(jī)體產(chǎn)生的病理生理學(xué)變化以及預(yù)防由高+Gz帶來的過度生理應(yīng)激反應(yīng)，科研工作者們進(jìn)行了大量的動物實(shí)驗(yàn)研究，例如，在1920年到1945年之間進(jìn)行了許多動物實(shí)驗(yàn)，以確定高+Gz引起意識喪失的原因，并促使了抗荷服等裝備的出現(xiàn)[2]。此外，隨著科技的進(jìn)步，用于高+Gz暴露的實(shí)驗(yàn)設(shè)備推陳出新，比如通過單片機(jī)控制的動物離心機(jī)可以有效的模擬飛行過程中的過載曲線和控制載荷大小，下體負(fù)壓技術(shù)能很好地模擬高+Gz產(chǎn)生的生物動力學(xué)效應(yīng)，且簡單易行。這些都為我們進(jìn)一步了解高+Gz暴露的生理應(yīng)激響應(yīng)及其機(jī)制提供了條件。本文主要對高+Gz環(huán)境下暴露的動物實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行綜述，闡述高+Gz作用對動物繼而推演到人類的影響及其機(jī)制，這對于保證飛行員的生命安全和減少身體傷害具有重要意義。

1 高+Gz對心血管功能的影響

1.1 高+Gz對血液動力學(xué)的影響

高+Gz可導(dǎo)致血液再分布，分布程度和由此導(dǎo)致的血液動力學(xué)變化由載荷的方向決定。一般情況下，+Gz方向影響最大，而+Gx方向影響最小。

由于主要血管沿身體縱軸的方向分布，當(dāng)載荷從頭到腳(+ Gz)起作用時，血液質(zhì)量從身體的上部轉(zhuǎn)移到腹腔和下肢的血管中。這種血液的重新分配會導(dǎo)致局部血壓發(fā)生變化。具體表現(xiàn)為：在位于心臟水平以下的血管中，血壓增加；在位于心臟水平以上的血管中，血壓減小。Laughlin等[3]對狒狒的實(shí)驗(yàn)觀察到，當(dāng)載荷超過+5 Gz后，主動脈血流速度會明顯降低，心臟水平動脈壓降至基線值，腦血流減少；Burns等[4]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載荷超過+7 Gz時，豬的眼動脈壓會降至-17 mmHg。

在局部血液循環(huán)方面，大部分組織、器官內(nèi)部的血管網(wǎng)絡(luò)，在各個方向上是均勻分布的。因此，無論載荷方向如何，都會在器官內(nèi)部產(chǎn)生血液質(zhì)量的重新分布，并可能導(dǎo)致局部循環(huán)障礙。另外，不同組織對高+Gz加速度的耐受程度也有很大區(qū)別，對兔子的實(shí)驗(yàn)表明，在高+Gz作用下，軟腦膜血液循環(huán)的適應(yīng)性明顯高于腸系膜，保持了相對恒定的良好灌注[5]，證明中樞神經(jīng)系統(tǒng)在高+Gz影響下仍能保持意識清醒的機(jī)制。目前，對實(shí)驗(yàn)動物血管的三維可視化建模技術(shù)已逐漸成熟[6]，使深入研究高+Gz對動物血液動力學(xué)的影響提供了可能。

1.2 高+Gz導(dǎo)致的心率變化

在高+Gz作用下，血液重量向下半身轉(zhuǎn)移，主動脈血壓下降，壓力感受器會反射性地引起心率增加。Burton等[7]發(fā)現(xiàn)，高+Gz暴露下，豬的心率可以達(dá)到200～240 次/min。

除心率增加外，高+Gz會導(dǎo)致明顯的期外收縮現(xiàn)象[8]。這種期外收縮在房室收縮期最常見，導(dǎo)致來自心房的血液不會被泵入心室，而是回到靜脈中，從而阻礙了靜脈的排空，減小了每搏輸出量和每分輸出量。

1.3 高+Gz對心血管系統(tǒng)超微結(jié)構(gòu)的影響

大量動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高+Gz可導(dǎo)致心臟超微結(jié)構(gòu)損傷。當(dāng)載荷為+5Gz時，會導(dǎo)致大鼠的心肌損傷[9]；當(dāng)載荷為+10 Gz時，大鼠心肌細(xì)胞基質(zhì)出現(xiàn)水腫，肌原纖維離散[10]，線粒體呼吸鏈功能障礙，心肌收縮時的能量供應(yīng)出現(xiàn)抑制作用[11]。當(dāng)載荷加大至+14～18 Gz時，豬的心肌細(xì)胞線粒體出現(xiàn)聚集、易位和溶酶體破裂等現(xiàn)象[12]。但是，也有觀點(diǎn)認(rèn)為，動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能直接應(yīng)用于人體[13]。主要原因是人和動物形態(tài)結(jié)構(gòu)方面的差異，以及暴露實(shí)驗(yàn)條件有很大區(qū)別，例如：主動與被動參與，人可以隨時終止超過耐受度的載荷等。另外，有部分人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不支持+Gz暴露會對人體心臟功能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[14-16]。

最新的研究表明，對大鼠施加由+1Gz增至+10Gz的載荷30 s，可導(dǎo)致高脂血癥大鼠的血管內(nèi)皮功能障礙[17]，而銀杏葉提取物可以減輕重復(fù)+Gz暴露合并高脂飲食導(dǎo)致的主動脈炎癥損傷[18]。

2 高+Gz對呼吸系統(tǒng)的影響

高+Gz對呼吸系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為呼吸生物力學(xué)的變化。除引發(fā)呼吸困難、胸痛等癥狀外，還會導(dǎo)致咯血和氣胸等損傷。

高+Gz的作用效果表現(xiàn)為肺尖部出現(xiàn)撕裂傷，而肺底部受到擠壓導(dǎo)致氣道關(guān)閉，甚至誘發(fā)肺不張。對大鼠施加+7Gz載荷后發(fā)現(xiàn)，肺下葉出現(xiàn)毛細(xì)血管擴(kuò)張，肺上頁肺泡擴(kuò)張，并出現(xiàn)組織性貧血[19]。高+Gz作用還加重了正常直立肺中存在的通氣和灌注不均勻現(xiàn)象。左叢林等[20]將家兔施加+5 Gz/6 min、+8 Gz/5.4 min和+10 Gz/4.1 min作用后發(fā)現(xiàn)，肺泡毛細(xì)血管破裂，肺泡腔內(nèi)有滲出液及紅細(xì)胞。隨著+Gz的增長，肺上部可通氣而不灌注的體積和肺底部有灌注而無通氣的體積都將逐漸增大。

3 高+Gz對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響

許多動物實(shí)驗(yàn)一直在關(guān)注高+Gz對中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的影響。早期研究已經(jīng)證實(shí)，高+Gz會增加運(yùn)動的反應(yīng)時間，并延長對聲光信號的潛在響應(yīng)期[21]。

高+Gz對動物腦電(EEG)活動的影響也是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。+2～3.5Gz載荷會導(dǎo)致貓和狗EEG快波的頻率和幅度顯著增加，并對慢波產(chǎn)生抑制作用[22]。Lukatch等[23]通過對大鼠的實(shí)驗(yàn)觀察到，當(dāng)載荷≤+10Gz時，對EEG活動幾乎沒有影響；在+15～17.5 Gz時，記錄到δ波和尖波的出現(xiàn)，并且EEG振幅降低；在+20～22.5Gz時，記錄到棘波出現(xiàn)；當(dāng)載荷到達(dá)+25Gz時，EEG信號被拉平，腦電活動被完全抑制。

高+Gz對CNS功能的負(fù)面影響機(jī)制目前尚未明確，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為與大腦缺血缺氧導(dǎo)致的乳酸堆積有關(guān)[24]。進(jìn)一步研究證實(shí)，與大腦皮層相比，海馬區(qū)對缺血缺氧更為敏感[25]。但有學(xué)者認(rèn)為，造成CNS功能下降與腦組織在高+Gz下的形變有關(guān)。Guillaume等[26]曾利用有限元方法測量了暴露過程中的腦變形后發(fā)現(xiàn)，高+Gz引起的牽引力、剪切力和壓縮應(yīng)力增加主要發(fā)生在小腦半球的基底部周圍，并會對正常的神經(jīng)細(xì)胞功能形成干擾。

4 高+Gz對內(nèi)分泌功能的影響

4.1 高+Gz對腎上腺分泌功能的影響

有證據(jù)證明，高+Gz暴露往往會伴隨著應(yīng)激反應(yīng)，典型的是交感腎上腺和垂體腎上腺系統(tǒng)的激活[27]。就持續(xù)時間而言，一次性急性高+Gz會導(dǎo)致大鼠血液中腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)皮質(zhì)醇的合成增加[28]。另外，對豬的研究發(fā)現(xiàn)，血漿中兒茶酚胺的分泌量隨著+Gz加速度的增加而增加[29]。血漿兒茶酚胺水平增高，有助于機(jī)體對抗+Gz對血流動力學(xué)的影響，但有可能造成心肌耗氧增加及誘發(fā)心血管損傷。目前，尚未有尿液中腎上腺素含量的變化與高+Gz加速度之間相關(guān)性的動物實(shí)驗(yàn)報道。

對形態(tài)學(xué)和組織功能的研究結(jié)果表明，高+Gz會導(dǎo)致大鼠腎小球毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞飲泡增多，足細(xì)胞基質(zhì)、線粒體和腎小管上皮腫脹[30]。長期和反復(fù)高+Gz對腎上腺形態(tài)學(xué)影響的動物實(shí)驗(yàn)研究未見報道，但有研究指出，在+9 Gx方向連續(xù)暴露10 d后，大鼠腎上腺相對重量增加2.3倍，腎上腺皮質(zhì)的相對面積增加了8.14%，而髓質(zhì)的相對面積減少了56.43%[31]。

有學(xué)者認(rèn)為，關(guān)于高+Gz對腎上腺分泌功能的影響機(jī)制，在很大程度上與情緒和焦慮有關(guān)[32]。雖然上述結(jié)論可以證明，高+Gz會對腎上腺產(chǎn)生形態(tài)學(xué)方面的影響，但還缺乏對超微結(jié)構(gòu)變化的研究證據(jù)。另外，腎上腺激素釋放量的增加又會對皮質(zhì)和髓質(zhì)的形態(tài)產(chǎn)生影響，因此很難說清兩者的先后關(guān)系。

4.2 高+Gz對垂體及其他腺體分泌功能的影響

垂體對高+Gz作用的反應(yīng)較為復(fù)雜。Feller等[33]研究發(fā)現(xiàn)，動物在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)1～2 h后，血漿中的皮質(zhì)類固醇含量增加4～7倍，認(rèn)為可能是垂體分泌的促腎上腺皮質(zhì)激素增加導(dǎo)致。雖然上述結(jié)果表明，垂體激素的分泌活動在機(jī)體對抗高+Gz過程中具有重要作用，但Polis將大鼠垂體切除后發(fā)現(xiàn)，在高+Gz環(huán)境中，大鼠的存活率提高了300%，而切除腎上腺的大鼠存活率下降了60%[34]。對上述現(xiàn)象的解釋認(rèn)為，對垂體和甲狀腺的切除抑制了動物對生長發(fā)育等所需能量的長期需求，轉(zhuǎn)而將機(jī)體能量集中用于對抗高+Gz加速度環(huán)境，但目前支持這種假設(shè)的證據(jù)并不充分。

5 高+Gz對其他組織器官功能的影響

最新的研究表明，高+Gz作用會導(dǎo)致大鼠胃液量減少，主要與腎上腺素調(diào)節(jié)有關(guān)，但對胃泌素的分泌沒有影響[35]。高+Gz作用還會導(dǎo)致狒狒肝血流量明顯減少[3]，對大鼠肝組織造成結(jié)構(gòu)損傷[36]，增加肝組織內(nèi)一氧化氮合酶(eNOS)活性，觸發(fā)肝的自我保護(hù)機(jī)制啟動[37]。另外，高+Gz暴露還會增加大鼠腸道黏膜通透性，破壞大鼠腸道屏障[38]。由高+Gz作用導(dǎo)致的口腔疾病也是目前學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)，朱曉茹等[39]對兔進(jìn)行+4～9Gz持續(xù)10 s的作用后發(fā)現(xiàn)，術(shù)后早期進(jìn)入高+Gz環(huán)境對種植體術(shù)后骨結(jié)合有不利影響。陳新等[40]對大鼠進(jìn)行+5Gz和+10Gz的作用后發(fā)現(xiàn)，高+Gz環(huán)境與顳頜關(guān)節(jié)疼痛的外周及中樞傳導(dǎo)作用機(jī)制相關(guān)。最近，我國學(xué)者吳峰等[41]利用基因芯片技術(shù)研究了高+Gz加速度應(yīng)激致大鼠腦組織損傷的機(jī)制，研究結(jié)果對高應(yīng)激致腦損傷的分子機(jī)制的認(rèn)識具有重要參考價值。

6 結(jié)語

綜上所述，動物實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明，由高+Gz產(chǎn)生的血液動力學(xué)變化對整體和各器官局部血液循環(huán)都會產(chǎn)生顯著影響，并且為造成心血管、肺組織、內(nèi)分泌腺體及腦組織的超微結(jié)構(gòu)損傷提供了直接的證據(jù)。但不可否認(rèn)，某些動物，例如：鼠、兔等的身體結(jié)構(gòu)和臟器位置決定了其在承受高+Gz環(huán)境的各向異性與人類有很大區(qū)別，不同研究對高+Gz載荷動物耐力終點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)也有所不同，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度會產(chǎn)生一定的影響。解決這些問題，將可以為高+Gz載荷疾病的治療與提前預(yù)防提供重要的依據(jù)。