2003年10月15日,我國第一艘載人飛船“神舟”五號在酒泉順利升空。中國第一位航天員楊利偉在太空遨游21個小時后,順利返回地球。
“神舟”五號成功發(fā)射并順利返回,是我國航天事業(yè)的新起點??梢灶A(yù)料,不久將有更多的航天員,甚至普通人飛上太空,在太空停留更長的時間。生活在航天器中,如何吃、住、睡,身體會發(fā)生哪些變化,這些事情不但普通人十分感興趣,也是飛上太空前科學(xué)家必須認真研究的課題。這里就談?wù)労教靻T在失重狀態(tài)下的骨骼變化。
骨骼的主要功能是保護和支撐機體。在力的作用下,骨骼不斷進行新陳代謝,受力最大的部位,密度最大,也最堅強。我們可以觀察到,由于外傷、生病等各種原因,肢體肌肉活動減少或受到限制,便會出現(xiàn)骨質(zhì)疏松。
根據(jù)國外資料,航天員在太空失重狀態(tài)下生活幾個月,其骨質(zhì)的丟失相當驚人。在太空每停留一個月,會失掉骨質(zhì)的0.5%。而且不論飛行多長時間,這種脫鈣總在不斷進行,不會終止。據(jù)報告,前蘇聯(lián)聯(lián)盟二號兩名航天員在飛行兩天后跟骨密度分別下降了8.5%和9.6%。骨質(zhì)脫鈣導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥,引起全身酸痛,容易發(fā)生骨折、腎結(jié)石,甚至導(dǎo)致腎臟損害。
航天員在太空吃的特制的食物包含了人體需要的所有營養(yǎng)成分,當然不會缺少鈣質(zhì)和維生素D。但是,這并不能阻止骨質(zhì)疏松的過程(楊利偉在太空時間短,這種變化不明顯)。因此,航天員在太空必須設(shè)法進行體育鍛煉,通過肌肉收縮,使骨骼受力,以防止肌肉萎縮,盡量減少骨質(zhì)疏松。
航天員身體骨骼的變化,對普通人的保健 保健也頗有啟發(fā)。中老年人要防治骨質(zhì)疏松,光注重補充鈣質(zhì)和其他營養(yǎng)物質(zhì)是不夠的,還應(yīng)運動,尤其是肌肉收縮運動。鍛煉方式應(yīng)根據(jù)各人年齡、體質(zhì)和愛好來定,可選擇散步、上下臺階、做體操、游泳等運動,也可利用啞鈴、自行車、劃船器、股四頭肌訓(xùn)練器及綜合訓(xùn)練器等進行運動。
進入零重力環(huán)境后,人體開始萎縮,骨頭密度也會下降,更為危險的是宇航員患癌癥的危險大大增加。
除了火箭學(xué)和推進物理學(xué),火星之旅還有更嚴峻的挑戰(zhàn):如何讓宇航員活下去,以便完成復(fù)雜的體力和腦力任務(wù),讓他們健康快樂那是奢談。進入零重力環(huán)境后,人體開始萎縮,包括心臟在內(nèi)的肌肉在太空中不需要像在地球上那么費力工作,自然而然萎縮。同樣,骨頭密度也會下降,在太空骨頭密度每個月下降1%,而在地球上一生總共下降20%.假如是造訪空間站的話,萎縮不是太大的問題,
因為宇航員整個太空之旅都保持零重力狀態(tài)。但經(jīng)過6個月旅行飛抵火星后,宇航員將重新面對重力環(huán)境,為了生存需要強壯的肌肉。
約翰遜航天中心以及全美的幾十個醫(yī)生被召集解決這些問題。宇航員將會一直服藥物biphosphomates,防止骨質(zhì)疏松以及腎結(jié)石的形成,這兩者是太空旅行的頑癥。NASA正在制造全新的重力機器,模擬零重力狀態(tài),一個瘦巴巴的生物學(xué)家在這種機器中用小指可以挑起500磅的杠鈴。宇航員們也要用特制的自行車等器械鍛煉,這對加強心臟尤其重要。
更為危險的是宇航員患癌癥的危險大大增加。地球大氣層保護人類免受X光和太陽質(zhì)子放射線的照射,但在太空保護宇航員的只有太空船的薄薄艙壁。為了減少他們受的輻射,NASA在建造太空船時盡可能少用鋼鐵,這些金屬的中子遭到輻射后會游離,假如被人體吸收,可能形成致癌的腫瘤。
NASA可能用船舶外殼的材料,再加上隱形轟炸機用的材料。這些合成材料有密集的電子和質(zhì)子,宇航員受中子之害會減輕,不過只是減輕少許。Vanderbilt大學(xué)負責太空醫(yī)學(xué)研究的大衛(wèi)·羅伯遜說:“即使我們做了最好的防護,前往火星的宇航員患癌癥的幾率仍然大為增加,他們返回地球的時候,我們必須非常小心地觀察他們?!?br>此外,還有情感上的問題,工程學(xué)對此鞭長莫及。前往火星是史無前例的事,NASA的心理學(xué)家不得不研究歷史上的探險—————前往新大陸的海上航行,奔赴北極圈的狗拉雪橇旅行—————找出這些探險的成敗因素。
NASA遴選委員會主席杜恩·羅斯說,為確保火星探測器上的宇航員可以忍受艱苦環(huán)境,“我們必須非常非常謹慎地挑選宇航員”。
羅斯手上符合資格的申請者多得荒謬:每年兩萬人爭奪20個指標,但他看重的不單是智力或男子氣概,他更青睞“露營者”,他說:“信不信由你,獨自在森林中露營的人,更善于在火星上隨機應(yīng)變。我們送到火星的宇航員可能有兩大特征:他們必須周游多個國家,讓我們確信他們可以和不同文化背景的人融洽相處,此外他們必須擁有豐富的露營經(jīng)驗。”
火星沒有提供任何維持生命的東西,宇航員必須帶上所有物資,甚至要帶上從尿液提取水的儀器。
假如宇航員安全登陸火星,他們將會發(fā)現(xiàn),火星是不歡迎來客的荒涼露營地。它的地表是不毛之地,無邊的戈壁沙漠覆蓋了整個星球。
那里沒有水,有毒的空氣含有高濃度二氧化碳,讓人無法呼吸,溫度平均是零下81OC,會把人活活凍死。星球上不時刮起邪惡的風(fēng)暴,比卡特里娜颶風(fēng)更強大,它鞭打著星球的地面,卷起遮天蔽日的沙塵。
火星沒有提供任何維持生命的東西。這意味著他們必須帶上所有物資:臨時住所,適用所有地形的交通工具,18個月的食物和用品,科學(xué)設(shè)備,鉆探火星取水的工具,還有建立永久性基地的物資。
宇航員可能需要一個小型核裝置提供電力,他們還需要超級防腐蝕涂料,保護帶來的每樣?xùn)|西,使其免受火星沙暴的侵蝕。他們希望火星基地可以自動組裝,幾分鐘之內(nèi)各種機關(guān)可以把折紙式的裝備變成完整的帳篷,宇航員到達時,他們的住處已經(jīng)自動準備好了。約翰遜航天中心工程師約翰·康納利說:“我們現(xiàn)在還做不到,但我們準備在月球上搞明白,基地多大程度可以自動建設(shè),多少工作必須人力完成。”
NASA的太空生物學(xué)家正在改良能在零重力狀態(tài)下生存的植物,它們的功用是提供食物,并且把宇航員呼出的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。
皮包骨的英國人納杰爾·帕克漢姆是這一領(lǐng)域的先驅(qū),最近他在一個封閉的生物圈里生活了3個月,試圖了解火星宇航員將會遭遇的問題。帕克漢姆和其他3位科學(xué)家利用水培的植物再造氧氣,利用化學(xué)物質(zhì)處理尿液實現(xiàn)水的再生。實驗大獲成功,以至于他們不想離去。
帕克漢姆說,“無論是提供食物還是再循環(huán)氧氣,最有效率的植物竟然是矮小麥?!?br>因此,火星之旅很可能要帶上小麥,氧氣轉(zhuǎn)換的剩余工作將依賴化學(xué)反應(yīng)器,電解二氧化碳和水產(chǎn)生可呼吸的氧氣。
然后,還有水的問題。
宇航員在太空中每天要消耗三到四加侖的水,用水量太大從地球攜帶根本不現(xiàn)實。
為解決這一問題,NASA工程師DonHolder一直在馬歇爾太空飛行中心努力工作,嘗試找到從尿液提取水的途徑。在他迄今最好的系統(tǒng)中—————極可能成為火星上用的模型—————小便收集。在太空船上的圓筒形水槽中,圓筒一直旋轉(zhuǎn),一個精確計溫的加熱器燒開尿液,然后通過一個精良的過濾系統(tǒng)收集蒸氣。剩余的液體,DonHolder說是“污穢、多泥的黑色咸水”。《連線》雜志記者,品嘗了從自己尿中提純的水,他這樣評價:“這確實不是Evian礦泉水,但它確實比我喝的許多淡啤酒要美味?!?/p>
太空中的零重力使宇航員必須應(yīng)對許多風(fēng)險,比如高壓的環(huán)境、噪音、隔離、晝夜節(jié)律的打亂、輻射暴露以及漂浮時發(fā)生的液體逆流等,這些也是科學(xué)家一直致力于解決的主要威脅。
普拉特斯說:“當我們進入太空后,會經(jīng)歷微重力,并以每小時17500英里的速度飛行。我們的身體會逐漸適應(yīng),并繼續(xù)發(fā)揮功能??傮w來說,人體的功能是非常好的?!?#160;然而,這項研究也存在一些局限性,因為它只研究了斯科特和馬克,其研究結(jié)果并沒有在其他宇航員身上得到驗證。而且斯科特在空間站的地磁場保護罩內(nèi),并沒有受到深空的輻射傷害。但是研究人員依然認為,該項研究結(jié)果并非偶然,他們相信這會是“太空人類基因組學(xué)的黎明”。 “雙胞胎研究計劃是人類太空飛行中用于了解表觀遺傳學(xué)和基因表達的重要一步。” NASA首席健康醫(yī)學(xué)官波爾克(J.D. Polk)說,“它揭示了個體化藥物的需求,以及在進行深空探測時保持宇航員健康的重要性。目前NASA正在計劃進行月球和火星的太空任務(wù)。”
在太空生存的這段時間內(nèi),斯科特出現(xiàn)了頸動脈和視網(wǎng)膜增厚、認知能力下降、DNA損傷等問題,基因表達、腸道微生物以及染色體末端端粒的結(jié)構(gòu)也都發(fā)生了變化,但研究顯示,他的DNA并沒有發(fā)生變異。 基因表達的變化與DNA修復(fù)系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)有關(guān)。在斯科特到達太空時,就有1000多個基因發(fā)生了變化。有些變化是意料之中的,比如與骨骼生成有關(guān)的變化或DNA修復(fù)。宇航員在太空中會出現(xiàn)骨質(zhì)疏松,DNA也會受到輻射損害,但是線粒體和免疫系統(tǒng)基因的改變,可以產(chǎn)生能量,保護身體。這也正是機體在太空中的壓力適應(yīng)性,說明斯科特的免疫系統(tǒng)對環(huán)境變化時刻保持著高度的警惕。 研究者之一,威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院生理學(xué)和生物物理學(xué)副教授克里斯托弗·梅森(Christopher Mason)說:“斯科特的基因表達發(fā)生了巨大的變化,雖然他回到地球后很多變化都已經(jīng)恢復(fù),但是認知能力的下降、DNA損傷和一些T細胞活化的變化,我們不知道是好是壞。這可能只是身體的應(yīng)激反應(yīng),但是由于基因受到了干擾,我們還是想搞清楚背后的原因以及后續(xù)的影響?!?#160;據(jù)研究人員觀察,斯科特和馬克的表觀基因組差異不到5%。表觀基因組是一種化合物,相當于基因的開關(guān)。表觀變化是對基因活動的調(diào)整,并不會改變遺傳密碼。對斯科特來說,這些變化與他的免疫反應(yīng)和炎癥相關(guān)。 讓研究人員意外的是,斯科特的端粒長度在太空中是增加的。端粒長度的變化與衰老或疾病有關(guān),且隨著年齡的增長而縮短,它就像健康的生物標記物一樣,這也提示了端粒長度的改變可能是航天飛行的長期風(fēng)險。 回到地球后,斯科特的染色體端粒長度很快就縮短了,甚至比去空間站之前還要短。端??s短又與衰老加速、心血管疾病和某些癌癥的高風(fēng)險有關(guān),可能會影響他的健康。
除此之外,因為零重力的頭端液體轉(zhuǎn)移,斯科特的眼球也變形了。他的視網(wǎng)膜神經(jīng)扭曲,脈絡(luò)膜層出現(xiàn)褶皺,這些都會影響他的視覺清晰度。這種現(xiàn)象也被稱為太空相關(guān)性視神經(jīng)綜合征,簡稱SANS。液體轉(zhuǎn)移也導(dǎo)致他的頸靜脈擴張、頸動脈壁增厚、心輸出量增加、前額皮膚增厚、膠原蛋白水平改變,這些都與心血管危險因素有關(guān)。在太空旅行開始和結(jié)束的一段時間內(nèi),他的乳酸水平也升高了,但是在回到地球6個月后,幾乎所有的變化都回到了基線水平。
讓研究人員感興趣的是斯科特的腸道微生物群雖然數(shù)量發(fā)生了變化,但其多樣性并沒有改變。厚壁菌門腸道細菌數(shù)量增加了,而擬桿菌門則減少了。 斯科特表示,在回到地球的前幾天,他覺得自己像是得了流感,關(guān)節(jié)肌肉疼痛,小腿腫脹,出現(xiàn)了蕁麻疹、皮疹、頭暈、惡心和疲勞等癥狀。他認為這一切都是由于重力的恢復(fù)、接觸不同的人和免疫系統(tǒng),以及對這種戲劇性經(jīng)歷的情感反應(yīng)所引起的。
普拉特斯說,“斯科特身上的變化,絕大多數(shù)在返回地球相對較短的時間內(nèi)都已回到了基線,那些沒有很快恢復(fù)的也在意料之中,比如壓力和炎癥標記物。” 這項研究在分子水平上證明,人體擁有適應(yīng)太空飛行環(huán)境的彈性和韌性,它揭示了個人對流感疫苗、基因表達環(huán)境因素、顱內(nèi)壓相關(guān)疾病、視覺系統(tǒng)損傷以及動脈粥樣硬化等心血管疾病的反應(yīng)。研究人員還將繼續(xù)對影響端粒動態(tài)變化的個體因素進行探索。 這項研究將影響未來的幾代人,它是未來生物空間研究的墊腳石,也為其他研究的進步打開了大門。
人們早就知道,暴露于輻射之中會破壞脫氧核糖核酸(DNA),但一項新的研究發(fā)現(xiàn),宇航員面臨一個額外風(fēng)險:DNA的復(fù)制在失重狀態(tài)下更容易出錯。
科學(xué)家測試了酶在失重狀態(tài)——飛機以拋物線飛行模式自由落體時產(chǎn)生的無重力狀態(tài)——下,是否能準確復(fù)制細胞中的DNA。當所謂的“嘔吐彗星”飛機(美國國家航空航天局對零重力飛機的昵稱——譯者注)在20秒內(nèi)下降超過兩英里(約合3.2公里)時,近乎失重的狀態(tài)復(fù)制了太空中的條件。DNA在太空中準確復(fù)制對宇航員和未來太空旅行至關(guān)重要。
這項發(fā)表在《細胞與發(fā)育生物學(xué)前沿》雜志上的研究報告通訊作者、多倫多大學(xué)的阿龍·羅森斯坦說:“所謂的DNA聚合酶是復(fù)制和修復(fù)DNA的重要酶。它們肯定不完美:即使在最佳條件下,它們有時也會犯錯。這里我們發(fā)現(xiàn),從大腸桿菌中提取的DNA聚合酶在失重狀態(tài)下更加容易出錯,比如在太空中出現(xiàn)的情況?!?br>報道稱,科學(xué)家已經(jīng)意識到,當暴露于宇宙射線和太陽粒子時,DNA出現(xiàn)變異的概率更高。太空輻射會導(dǎo)致單核苷酸替換、交聯(lián)、倒位和缺失,從而增加患癌癥、正在發(fā)育的胎兒和未來后代出現(xiàn)基因缺陷以及組織和白內(nèi)障退化的風(fēng)險。
報道還稱,直到現(xiàn)在,人們還不知道人類DNA的復(fù)制是否會受到失重狀態(tài)影響。如果DNA聚合酶副本不那么精確,那么DNA每次復(fù)制時高變異率就會增加,從而導(dǎo)致癌癥發(fā)病率上升。2020年,羅馬第二大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn),暴露在宇宙輻射下會損傷細胞,導(dǎo)致通常與衰老有關(guān)的疾病發(fā)生。
報道介紹,這項新研究的作者首次證明,在失重狀態(tài)下,大腸桿菌中DNA聚合酶的錯誤率在失重狀態(tài)下更高。他們利用半自動微型實驗室,在模擬太空飛行條件下,觀察噴氣式飛機拋物線飛行過程中一段長為1000個核甘酸的DNA碎片的一輪復(fù)制過程。
報道指出,在從失重到超重力——也就是地球表面重力的兩倍——的飛行條件下,科學(xué)家在使用他們的微型實驗室時面臨挑戰(zhàn)。
研究報告的作者們得出結(jié)論說,宇宙輻射和失重狀態(tài)下DNA的不準確復(fù)制在未來的月球和火星任務(wù)中對宇航員的健康構(gòu)成雙重威脅。這項研究強調(diào),未來宇宙飛船需要創(chuàng)造人造重力,以防止航天員在太空深處可能受到負面的健康影響。
研究報告的作者之一、加拿大金斯頓女王大學(xué)的弗吉尼亞·沃克說:“我們已經(jīng)證明,DNA聚合酶(與線粒體——細胞的動力源——中發(fā)現(xiàn)的聚合酶類似)會在失重狀態(tài)下犯更多錯誤。損傷更大、復(fù)制準確度降低的綜合效應(yīng)可能導(dǎo)致宇航員過早衰老?!?/p>
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