太空漂浮的“臺(tái)前幕后”

文◎李瑩輝 鞏陶婉

中國(guó)人自古以來(lái)就有著對(duì)外太空的向往，神秘的宇宙里充滿了中國(guó)人的浪漫故事，無(wú)論是隔著銀河遙遙相望靜待鵲橋相會(huì)的牛郎織女，還是服用仙藥奔月成仙的嫦娥，無(wú)一不體現(xiàn)著中國(guó)古人對(duì)星辰的崇拜，對(duì)探索太空的向往。實(shí)際上，人類進(jìn)入太空面臨著不小的挑戰(zhàn)。

人類長(zhǎng)期生活在地球環(huán)境中，臭氧層、地球引力和地磁場(chǎng)共同維持地球上宜居的生態(tài)環(huán)境。出了大氣層進(jìn)入到太空環(huán)境中，人類要面臨強(qiáng)輻射、真空、極端溫差、微重力等一系列極端環(huán)境。

載人飛行器的不斷完善已經(jīng)可以為人的生存提供相對(duì)穩(wěn)定且良好的溫度、濕度、氣體環(huán)境，并具有一定的輻射屏蔽能力，但卻很難在空間環(huán)境中提供一定的重力。

失重環(huán)境貌似只是造成人和物品在空間中懸浮，沒有太大的影響，但失重環(huán)境一樣會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響。航天員在太空中工作、生活，必須克服失重帶來(lái)的不適感。下面就失重環(huán)境會(huì)對(duì)航天員產(chǎn)生什么樣的負(fù)面影響，如何幫助航天員克服失重等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

失重會(huì)帶來(lái)生理反應(yīng)

大家看到航天員在空間站像超人一樣以“飛行”的姿態(tài)在各個(gè)艙中穿梭，常常羨慕不已。實(shí)際上，這種失重的狀態(tài)會(huì)給人帶來(lái)非常不適的體驗(yàn)。由于人類一直生活在地球表面的重力環(huán)境中，人體已經(jīng)適應(yīng)了重力環(huán)境，所以當(dāng)航天員進(jìn)入空間微重力環(huán)境后會(huì)出現(xiàn)一系列的生理反應(yīng)。短期失重可能使人產(chǎn)生眩暈、惡心、嘔吐、困倦，以及難以控制身體位置、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)病癥狀?？臻g失重環(huán)境下，血液沒有重力的牽引，向下移動(dòng)的量就會(huì)減少，下身血液回流到胸腔、頭部，會(huì)造成航天員面部浮腫、頭脹、頸部靜脈鼓脹。

隨著航行時(shí)間延長(zhǎng)，失重環(huán)境還會(huì)引起人體心血管功能降低。長(zhǎng)期失重環(huán)境中，肌肉骨骼失去了重力刺激，對(duì)抗重力的肌群張力減弱，甚至萎縮。骨骼長(zhǎng)期不受力，表現(xiàn)出廢用性退行變化，骨中鈣鹽沉積減少，尿中排出增加，骨小梁等微結(jié)構(gòu)有序性變差，一般稱之為失重骨丟失。嚴(yán)重時(shí)可引起骨質(zhì)疏松，并可能引發(fā)腎結(jié)石。

如何幫航天員適應(yīng)短期失重

航天員一進(jìn)入空間失重環(huán)境，最先有生理反應(yīng)的就是前庭神經(jīng)系統(tǒng)，最常見的不適表現(xiàn)就是空間運(yùn)動(dòng)病。空間運(yùn)動(dòng)病主要表現(xiàn)為頭暈、惡心、嘔吐，有暈車、暈船經(jīng)歷的朋友應(yīng)該都有過(guò)這種體會(huì)。空間運(yùn)動(dòng)病癥狀在航天員進(jìn)入失重環(huán)境3 天左右最為明顯，1 周后癥狀基本消失。

為了能更好地適應(yīng)空間失重環(huán)境，預(yù)防空間運(yùn)動(dòng)病的發(fā)生，航天員在地面就要經(jīng)歷嚴(yán)格的前庭功能訓(xùn)練。地面前庭功能訓(xùn)練就是利用快速電動(dòng)轉(zhuǎn)椅進(jìn)行旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練。電動(dòng)轉(zhuǎn)椅的刺激程度不亞于過(guò)山車，不僅可以做360 度順時(shí)針和逆時(shí)針快速轉(zhuǎn)動(dòng)，而且可以同時(shí)上下、前后擺動(dòng)。航天員坐在轉(zhuǎn)椅上戴上眼罩，固定好頭和四肢，經(jīng)歷一番天翻地覆的旋轉(zhuǎn)后，還要能分清東南西北。這種令人頭暈?zāi)X脹的訓(xùn)練可以增強(qiáng)航天員前庭功能的穩(wěn)定性，提高前庭器官對(duì)運(yùn)動(dòng)刺激的耐受力，是預(yù)防空間運(yùn)動(dòng)病的重要措施之一。

另外，剛進(jìn)入空間失重環(huán)境時(shí)，身體會(huì)變得沒那么“聽使喚”?？梢韵胂笠幌略谟斡境氐鬃呗返母杏X，身體會(huì)不受控地扭動(dòng)，很難前進(jìn)，需要用比陸地上更大的力量才能控制身體的動(dòng)作。這是因?yàn)楦×εc部分重力相抵，人體比較難找到著力點(diǎn)?？臻g失重環(huán)境下也是類似的情況。為了讓航天員在空間失重環(huán)境中熟練地掌握如何控制身體運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)，需要在地面上利用中性浮力水槽給航天員提供模擬失重的訓(xùn)練環(huán)境。顧名思義，水槽訓(xùn)練是在水槽中進(jìn)行，利用水的浮力模擬失重狀態(tài)。潛水員通過(guò)調(diào)節(jié)航天員訓(xùn)練服上的配重鉛塊數(shù)量或位置來(lái)進(jìn)行配平，以便調(diào)整航天員的姿態(tài)，訓(xùn)練航天員的空間適應(yīng)能力和出艙活動(dòng)時(shí)的操作能力。

以上兩種地面訓(xùn)練只是航天員為了適應(yīng)失重環(huán)境所做的一小部分準(zhǔn)備訓(xùn)練，在航天員的日常訓(xùn)練中還有很多針對(duì)性訓(xùn)練項(xiàng)目，為航天員順利完成飛行任務(wù)提供訓(xùn)練保障。

長(zhǎng)期失重會(huì)引起哪些生理效應(yīng)

航天員要在軌飛行6 個(gè)月，飛行期間該如何保障身體健康呢？長(zhǎng)期空間飛行容易出現(xiàn)骨丟失、肌肉廢用性萎縮、心血管功能降低等問(wèn)題。為什么會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題，又該如何進(jìn)行防護(hù)呢？

長(zhǎng)期處于失重環(huán)境中，約2 升體液回流到胸腔、頭部，航天員會(huì)出現(xiàn)面部浮腫、頭脹、頸部靜脈曲張、鼻咽部堵塞、味覺不敏感、身體質(zhì)量中心上移。體內(nèi)感受器感受到體液增加，人體會(huì)通過(guò)體液調(diào)節(jié)系統(tǒng)減少體液，出現(xiàn)反射性多尿，水鹽從尿中排出，血容量減少，血紅蛋白量也相應(yīng)減少。由于血漿體積減少、外周阻力降低等因素，航天員的心臟體積會(huì)逐漸減小，可能出現(xiàn)心律不齊、心肌缺氧及心肌的退行性變化，并出現(xiàn)相應(yīng)的心臟功能障礙。盡管隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，人體會(huì)逐漸達(dá)到新的平衡狀態(tài)，但返回地面后，對(duì)重力的不適應(yīng)會(huì)再次導(dǎo)致航天員出現(xiàn)心慌、氣短、立位耐力不良等表現(xiàn)。

長(zhǎng)時(shí)間缺乏地球重力的牽引，本應(yīng)承受身體重量的骨骼、骨骼肌與背部肌肉不再進(jìn)行工作，再加上受到宇宙輻射的影響，航天員會(huì)出現(xiàn)空間骨丟失現(xiàn)象，即骨骼質(zhì)量減少、骨密度降低，以及骨質(zhì)疏松等癥狀。航天員的骨密度平均每月丟失1%～2%，相當(dāng)于地球上中老年人一年流失的骨密度量。骨骼肌體積每月減少2.2%～5.3%，肌肉減少意味著航天員可能無(wú)法對(duì)抗返回地球時(shí)所受到的地球引力。

為什么會(huì)發(fā)生空間骨丟失呢？人體骨骼一直處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)中，由破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞共同維持平衡狀態(tài)。破骨細(xì)胞分解骨中的無(wú)機(jī)質(zhì)釋放出鈣離子，成骨細(xì)胞負(fù)責(zé)將鈣離子等礦物質(zhì)“拉回”骨質(zhì)中。在空間失重環(huán)境下，破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞維持的平衡被打破，成骨細(xì)胞被抑制，破骨細(xì)胞相對(duì)更活躍，從而導(dǎo)致失重骨丟失。

航天員的健康該如何保障

針對(duì)長(zhǎng)期飛行中失重對(duì)航天員健康的影響，科研人員進(jìn)行了大量的科研攻關(guān)，研制出多種對(duì)抗/防護(hù)的技術(shù)方法和裝備，以保障航天員的健康。我國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心的科研人員做了充分研究和準(zhǔn)備，研發(fā)了空間站在軌防護(hù)鍛煉設(shè)備，其中太空跑臺(tái)、自行車功量計(jì)、抗阻力鍛煉是開展鍛煉防護(hù)的大裝備，還有套袋、企鵝服、拉力器、握力器等多種靈活便捷的“小武器”。

運(yùn)動(dòng)鍛煉是對(duì)抗多種“航天病”的重要方式，世界各航天大國(guó)都采用運(yùn)動(dòng)方式來(lái)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。航天員在失重環(huán)境下跑步要穿上特殊馬甲——束縛裝置，給身體施加一定的牽拉力量（模擬地面跑步時(shí)的重力刺激），以達(dá)到鍛煉效果。跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)可以不斷為骨骼提供沖擊力，刺激骨組織的重建；鍛煉骨骼肌，減緩抗重力肌群萎縮；提高運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性，減輕返回后行走困難的問(wèn)題。

自行車功量計(jì)對(duì)防止航天員的心血管、呼吸系統(tǒng)功能降低和肌肉力量下降有良好的作用，還可以增加循環(huán)血量，改善組織器官的血液供應(yīng)。每位航天員根據(jù)自身狀態(tài)都有一份個(gè)性化“運(yùn)動(dòng)處方”，以確保健康防護(hù)的有效性。

除了運(yùn)動(dòng)，企鵝服、套袋在長(zhǎng)期失重防護(hù)上也有精彩表現(xiàn)。在太空中，航天員運(yùn)動(dòng)時(shí)身著企鵝服。企鵝服內(nèi)有許多彈性帶，通過(guò)人為束縛給肌肉增加壓力，使肌肉得到負(fù)荷和刺激，以保持基本結(jié)構(gòu)和功能。企鵝服和企鵝鞋對(duì)航天員的軀干和下肢產(chǎn)生壓力負(fù)荷，可對(duì)抗失重導(dǎo)致的肌肉萎縮。套袋是用在航天員大腿部，通過(guò)加壓來(lái)防止微重力對(duì)人體體液分布的影響。

航天食品也是保障航天員在軌期間身體健康的重要物資。航天食品不僅要美味可口，還要營(yíng)養(yǎng)均衡。針對(duì)長(zhǎng)期飛行中可能會(huì)出現(xiàn)的一些營(yíng)養(yǎng)素不足，航天食品都有專項(xiàng)設(shè)計(jì)和補(bǔ)充。長(zhǎng)期失重會(huì)引起航天員的味覺發(fā)生變化，空間站會(huì)配備多種調(diào)味劑以增強(qiáng)食欲。此外，空間站還有新鮮水果，富含維生素、優(yōu)質(zhì)蛋白的食品，以保證航天員的營(yíng)養(yǎng)攝入。

空間生命科學(xué)領(lǐng)域的探索

隨著各國(guó)載人航天新計(jì)劃的實(shí)施，太空人體研究領(lǐng)域的科技新賽道正在快速形成。我國(guó)空間站建設(shè)逐步完善，為空間生命科學(xué)提供了更加充分的空間實(shí)驗(yàn)研究機(jī)會(huì)，加快了我國(guó)空間生命科學(xué)研究進(jìn)程?，F(xiàn)階段空間站上的科學(xué)研究主要圍繞制約后續(xù)載人航天發(fā)展的航天醫(yī)學(xué)問(wèn)題和推動(dòng)空間生命探索兩個(gè)方面展開。

航天醫(yī)學(xué)研究以載人航天發(fā)展中的問(wèn)題和需求為導(dǎo)向，結(jié)合前沿?zé)狳c(diǎn)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題開展創(chuàng)新性研究。例如，中國(guó)空間站正在嘗試發(fā)揮傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，開展了可穿戴穴位刺激服項(xiàng)目。航天員僅需將穴位刺激服穿在身上，即可通過(guò)刺激相關(guān)穴位實(shí)現(xiàn)對(duì)心血管系統(tǒng)、骨骼及肌肉系統(tǒng)的整體調(diào)理，緩解骨流失和肌肉萎縮。

空間生命探索有助于人類認(rèn)識(shí)生命、突破自身，為人類健康提供重要的基礎(chǔ)科學(xué)支撐。歷次飛行任務(wù)已經(jīng)開展了植物細(xì)胞骨架分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究、高等植物的空間發(fā)育與遺傳學(xué)研究、干細(xì)胞分化研究、哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育研究，以及多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先的航天醫(yī)學(xué)在軌實(shí)驗(yàn)。本次神舟十四號(hào)的任務(wù)也將圍繞航天醫(yī)學(xué)和空間生命探索兩方面開展，包括肌肉適應(yīng)性、腦功能、骨代謝防護(hù)、細(xì)胞學(xué)、輻射敏感分子、眼手協(xié)調(diào)、節(jié)律監(jiān)測(cè)導(dǎo)引等在內(nèi)的20 余項(xiàng)研究。

空間生命科學(xué)研究不僅能解決航天員在空間站遇到的醫(yī)學(xué)問(wèn)題，還能推廣到大眾健康中，體現(xiàn)航天科技的民用價(jià)值。例如，航天過(guò)程中出現(xiàn)的骨質(zhì)疏松、心血管退化等問(wèn)題，普通大眾中也同樣高發(fā)。針對(duì)這些共病問(wèn)題，利用航天的特殊環(huán)境，在已知誘因、條件可控的條件下，開展相關(guān)病理生理學(xué)變化及其發(fā)生機(jī)制的全程、縱向研究，尋求可能的防護(hù)和對(duì)抗措施，將有望給數(shù)以億計(jì)的患者帶來(lái)福音。

航天飛行任務(wù)中的空間資源寶貴且有限，太空人體研究的檢測(cè)設(shè)備應(yīng)具有小型化、自動(dòng)化、集成化、智能化、高精度、高可靠性、操作便捷、極端環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特性。這些太空人體研究設(shè)備有望廣泛應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)、家庭社區(qū)等，提升互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療的末端健康保障能力，同時(shí)也可應(yīng)用于特種醫(yī)學(xué)的生命科學(xué)研究，為實(shí)現(xiàn)“健康中國(guó)2030”護(hù)航。