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一 人为什么要到地球以外去 人类是在地球的特定环境中进化发展起来的，就目前所知，是宇宙中物质演化的最高形态（希望还有更高的形态）。在与复杂的外部环境包括人与人之间的相互作用中，人类的智能逐步深化发展，而语言、文字的形成则是使人类具有高级智能的关键因素。借助于语言、文字，人类的智慧可以世代相传，加上同时代的思想、文化交流，发明创造的深度和广度呈指数形式上升。  随着科学技术的进步和文明程度的发展，人类活动的范围逐步扩大，先是从陆地到海洋，然后是从地面向空中。火箭技术的发展，为人类增添了能够飞出地球的双翼。从此，人类不再只是地球上的精灵了，要对那神秘的宇宙进行探索和实地考察。因此，可以说，走出地球是人类文明发展的必然趋势，又是人类文明继续发展的重要条件。人类对外层空间和宇宙探索的动机和效果，决不仅仅是物质上的。 人类飞向太空所面临的问题 二 1.地球是人类的安乐之乡 也许是造物主的特惠，地球为人类的生存和发展提供了一切必需的条件：稳定的大气压力（101kPa），适度的氧浓度（大气的21%），适宜的温度、湿度和充足的洁净淡水。在这样一个物理和化学和环境中，动物和植物的相互依存构成了一个十分复杂而又完善的生态系统，既为人类提供了丰富多样的食物，又保证了大气和水环境的动态平衡。 地球周围的大气层是人类安全的头号保护伞。厚度约100km的主要由氮、氧和水汽组成大气，极大地减弱了来自太阳的辐射（如紫外线）的危害，并使大量的撞击地球的流星化为乌有。较强的地磁场又将来自银河系及太阳的高能带电粒子俘获集中在远离地球表面的区域，从而成为人类的又一保护伞。  因此，地球不仅是人类的摇篮，而且是人类的安乐之乡。那么，人类一旦离开地球，进入茫茫太空，又将如何生存呢？ 2.人类在太空中短期飞行的尝试 1961年4月12日，前苏联航天员加加林乘东方1号宇窗飞船在离地球200km左右的轨道上飞行了108分钟，开创了人类探索太空的新纪元。美国航天员阿姆斯特朗等3人乘阿波罗11号飞船在1969年7月16日首次登上月球和俄罗斯航天员玻利亚可夫在和平号空间站连续飞行428天都是人类探索太空的重要里程碑。 在这些成功的尝试中，航天员的生存靠的是载人航天器中的人工环境。利用环境控制和生命保障技术，工程师们根据航天医学的要求，在座舱内建立了与地球大气环境相似的人工环境（包括大气压力、气体成分、温湿度等），并能不断地清除人体和工程部件释放出的有害物质，使航天员好像生活在地球上的一个小房间内。航天员离开座舱在太空中行走也是在舱外航天服所提供的人工环境的保护之下才得以实现。 那么，这种尝试的初步成功是否表明人类在地球以外的生存不成问题了呢？事实上，问题不仅存在，而且解决的难度极大。 3.人在太空生存所面临的问题 在基本生存条件的创造与维持方面，有氧、水、食品和能源的供给问题，目前的技术状态，除能源外，其他三项资源还主要或全部靠来自地面的补给，这就严重限制了人的活动范围。 除此以外，更重要的是在太空生活中存在着危胁人的安全和健康的基本因素，这些因素靠一般的工程手段是难以克服的。它们是失重、辐射和心理应激。 失重。人的系统发育是在地球表面的1G重力环境中完成的，因此它的各种生理系统均适应于在1G重力场中的以直立为主的状态。在空间飞行中或在其他星球上着陆时，重力或者消失或者有较大的变化，如月球上重力为1/6G，火星上的重力约为1/3G。重力的这种突然变化必然会对人体产生一系列深刻的影响。从目前已知的资料来看，失重对人体生理系统的影响，大体可分为三个层次。  首先是整体层次上的影响。人作为具有智慧的个体，其最高层次的活动就是与外界环境进行信息交换。人体平衡和定向的控制就依赖于对重力、视觉和身体内部力学状态的信息的感知和综合。其中对重力的感知由内耳中的前庭器官特别是耳石器来完成。在地面上，中枢神经系统对来自前庭、眼及本体感受器的信息的各种组合已形成了相应的感觉—运动模式，并作为一个动态的软件包存于脑中，从而可使人体依据不同的情况自动而协调地完成各种动作。进入失重状态后，来自前庭的信息和本体感受器的信息发生异常，使得脑中的感觉一运动模式发生紊乱，从而引起身体平衡和定向控制失调，并通过脑干、小脑、下丘脑之间的神经通路引起自主神经反应，产生头晕、呕吐等类似运动病的症状。在已飞行过的航天员中，有一半左右出现过这种称为空间运动病的症状，对航天任务的完成产生不利的影响。但是，这种紊乱毕竟主要是软件性质的，人脑具有很强的编程能力，大约3天左右，新的感觉—运动模式即可形成。不过失重对脑的高级活动的影响还会持续更长的时间。 第二层次的影响是系统级的，如体液系统、血液系统及心血管系统等，其中直接受失重影响的是体液系统。人进入失重状态后，一个明显的宏观现象就是体液（先是血液，后是细胞外液和细胞内液）的头向转移（约2-3升）。产生头胀、鼻塞等现象，而更深刻的效应是所谓的头、胸部的“洪水”现象，即体液过剩。而在胸部的中央静脉区存在着多种感受器，监视该区容量和压力的变化，因此，这种体液的异常过剩必然会引起一系列的调节反应。这些反应的最终效果是增加尿的生成速度，使体内水分和何、铀等离子排出量增加，从而缓解胸部体液的聚积。体液容积的这种反应性的下降，又影响到血液成分的不平衡，如血球浓度过高，因而导致造血功能的变化，减缓红细胞的生成，最终使细胞的质量维持在一个低于正常值的水平上。这种系统级的反应变化仍然是适应性的，是从地面1G作用下的平衡状态到微重力条件下的新平衡态的变化。这种变化过程一般在几周内完成。上述由体液头向转移诱发的生理变化是多方面的，几乎涉及到所有的生理系统，因此对人体的影响是深刻的，目前所知的还只是一些可观察的现象。 失重对人体作用的第三层次是最基本的层次，即重力变化对细胞分子的直接作用。这种作用的典型代表是肌肉、骨骼在失重后的废用性变化。在1G重力作用下与姿势维持有关的肌肉，如小腿的比目鱼肌，失重后因张力变小而趋向萎缩，部分红肌（即慢肌）纤维变为白肌（快肌）。承重骨，如下肢骨、脊椎骨等，失重后因载荷减少而导致明显的骨钙丢失。重力变化的直接作用还表现在免疫系统的变化上，由免疫器官、免疫细施和免疫分子组成的复杂的免疫系统的功能，在失重后有下降的表现。当然，免疫功能的变化还与航天的综合应激有关，即通过神经、内分泌系统的变化而影响免疫系统。重力变化的直接作用可以通过比较在1G重力环境和微重力环境中培养的离体细胞的发育状况得到证实。已有的数据表明，在微重力环境中培养的肌细胞、骨细胞和免疫细胞均出现'发育不良'的现象。这种直接作用的效应既然存在，就必然是普遍而持久的。但是，目前对这一层次效应的认识是远远不够的。 辐射。在失去了大气层和地磁场的保护后，空间飞行所面临的辐射强度必然要高于地面。所幸的是，在已进行的30多年的载人航天过程中，尚未发现直接由辐射所引起的严重医学问题。但随着飞行范围的扩大、飞行时间的延长，来自太阳和银河系的电离辐射的危险便成为一个令人十分关切的问题。目前所能考虑到的保护措施主要有：加强舱内和个人的辐射剂量的监测和报警；在航天器内设辐射屏蔽区（全面加强屏蔽的代价太大）及采用药物或特种食物提高人体的抗辐射能力。 心理应激。构成航天心理应激的主要因素有：航天的高风险性造成的精神紧张，远离地球社会和家庭的孤独感，狭小空间中的单调乏味生活形成的精神压抑。这些因素的综合作用轻则使得航天员的情绪变坏，重则引起心理疾病。心理状态的恶化，又继而引起内分泌功能和免疫功能的下降，从而导致工作能力下降，机体抵抗力减弱，后果是可想而知的。己知，多数航天员在空间生活一段时间后，脾气变坏，工作效率变差，因此，航天医学界十分重视航天员心理素质的选拔和飞行中心理状态的调控。在长期的空间飞行中，心理状态的调整问题会变得更加突出。乘员之间的友好相处，特别是男女共同飞行，居住工作环境的改善，食品的多样、可口，文化生活的丰富多彩和增加与家庭成员通讯的频度都是有利于缓解航天心理应激的重要措施。 三 实现长期远程航天所需解决的难题 从前面的叙述中可以看出，要实现长期远程的空间探索，在技术上和科学上都存在着必须解决的难题。在技术上，一个基本难题就要研制出一个再生循环式生命保障系统，解决氧气、水和食物供应问题。在目前正在研制的国际空间站中，所用的生命保障系统也只能部分地实现水的再生，绝大部分资源仍需地面定期补给。这种状况对于近地轨道飞行还是可行的，但要建立月球基地或飞往火星（往返需2年左右）就难以维系了。解决这一问题，虽然不存在重大的理论问题，但要在有限的能源、体积和重量条件下，将微生物、动植物与物理化学系统组成一个稳定高效的生态生命保障系统也绝非易事。目前，美、俄、欧、日都在开展这方面的研究，但离实际应用还相距甚远。一旦有所突破，必将有助于人类扩大自己的活动范围，而且，在军事上（如核潜艇）也有重要的应用价值。 限于篇幅，下面将重点讨论人在地球外长期生存所需解决的一个科学难题。这就是重力在人的遗传基因的形成及其表达过程中究竟起多大作用？ 问题的提出 从表面看，从空间返回地面的航天员，经过一定的休养，其生理系统均可完成对地球比重力环境的再适应。再适应的速度大体上仍与上述的三个层次一致但稍快于对微重力的适应过程。也就是说，空间飞行似乎对人体没有什么不可恢复的影响，但迄今为止的飞行时间只是人的生命周期的几百分之一到几十分之一。从长期空间探索的角度考虑，如下两个现象就不能不引起注意了。 1.空间飞行中人体的反应变化与老化症状相似 前已述及人体在空间飞行中的一些主要变化，其中骨钙丢失、肌肉萎缩、红细胞生成速度下降、心肌收缩力变弱及免疫功能下降等，均与人体的老化特征相似。因此，不能不产生如下的疑虑：这些现象只是表面与老化症状相似呢，还是空间飞行真的加速了老化过程？如果飞行更长的时间，这些老化现象还会是可逆的吗？这些疑虑已引起国际航天医学界的严重关切。 2.在空间发育的昆虫的生命周期变短 我国航天医学工作者史之祯等在生物舱卫星搭载实验中发现，空间飞行的家蚕卵比地面对照组提前2天孵化，其后的发育过程亦变短，整个生命周期比地面对照组缩短6%。这一现象在后来与俄罗斯合作的生物卫星实验中得到证实。由此，人们自然地会联想到：如果人在空间完成一个生命周期或完成发育的关键阶段会不会出现类似的情况呢？ 问题分析 对宇宙空间进行探索虽然不可避免地要付出代价，但采取必要措施保障航天员的安全和健康不仅是完成航天任务的首要条件，也是航天科技工作者特别是航天医学界的责任。在未来的长期远程航天中，航天员可能在空间生活、工作几年或更长的时间，因此，上面提出的问题就显得非常重要。下面将简要地分析上述现象的实质。 人在空间飞行中出现的类似老化的症状和家蚕生命周期缩短的现象都提示空间飞行改变了生物机体发育的进程。那么，在空间飞行环境因素中是哪一个主导了这种变化呢？人体中出现的骨钙丢失、肌萎缩、心肌收缩力下降显然与失重因素有关，免疫功能的下降还包含心理应激的影响。在飞行家蚕的研究中，如果说其变异率的显著提高可能主要是电离辐射因素所致，其生命周期的变化则很可能源于微重力的作用，其证据之一是空间飞行的削多个蚕卵的孵化提前是同时发生的。而且，近年来在空间及地面模拟失重条件下培养的心肌细胞、骨细胞等均发生退化性的组织和功能变化。因此，可以有把握地说，是重力的变化导致了生物机体发育进程的变化。 问题是，重力因素作用在机体发育过程的什么环节，是遗传基因中包含了重力因素呢，还是基因表达过程的某一环节对重力敏感呢？这正是我们需要解决的难题。从上述现象看，后一种可能性要大一些，细胞培养的结果是一个有力的证据，当然前一可能性也不能排除。  至于如何理解重力因素对机体发育过程的作用，目前只能提出一些初步的假想。生命过程可以看作是复杂的动力学过程，这个过程的程序是受遗传基因控制的，但基因的形成和在整个生命周期中基因的表达都包含着或经受着外界环境因素的影响。内因是依据，外因是条件。实际上，内因的形成中亦融合有外部的因素。在地球表面上形成的物种，由于地球比重力的持续存在，在其遗传信息及其表达过程中就很难避免重力的影响。生命过程运转的关键环节就是各种具有调控作用的蛋白分子的合成。DNA与RNA、核酸分子与蛋白质分子、蛋白质与蛋白质或多肽分子的相互作用，不仅取决于这些大分子的结构顺序（如蛋白质中各种氨基酸的顺序），还更大程度地取决于它们之间空间构型的巧妙匹配。由于在这些大分子的结构中普遍存在着不对称和重量分布的不均匀性，重力的持久性变化就有可能影响到大分子的空间构型，特别是那些含有金属原子的大分子。 因此，似乎可以假定，空间飞行中重力变化的因素对生物机体影响的基础可能是重力变化对生物大分子及细胞内超微结构的直接作用，其效应是深刻的，有可能涉及遗传信息的表达，从而影响到机体的发育进程。 研究这一问题的意义及建议 四 研究意义 上述问题是以人类走出地球为应用背景而提出的，但它涉及到一个深层次的理论问题。对此问题的研究必将有助于加深对生命规律特别是人体及其与外部环境因素相互作用规律的认识，而这种认识的每一个进展又必将推动医学的进步。比如，人体在空间飞行中出现的类老类似的现象就可以作为研究老化过程的模型，探索延缓老化的对策，直接贡献于人类的健康长寿和社会的进步。又如，一旦发现对重力敏感的发育阶段就可以采取对抗措施保证人在地球以外长期健康地生存，而且还有可能在发育的某一个阶段，给予适宜的重力剌激，延缓人体的老化。 若干建议 解决这一问题的难度很大，因此首先需要探讨研究的方法。这里作为抛砖引玉，只提出若干粗浅的想法。在研究对象方面，可先选择生命周期较短的昆虫或哺乳动物；在方法上，可先从宏观着手，逐步深入到细胞、分子水平，在空间和地面同时开展研究；在目标上，首先找出对重力敏感的发育阶段及有效的重力变化阈值，重力因素的输入应是双向的，在空间研究失重效应，在地面则研究超重效应，二者相互印证。本世纪末即将发射运行的国际空间站是开展这一问题研究的较为理想的实验基地，可以开展多种方式的合作研究。虽然这一问题很难，但只要认真着手去做，并不断总结经验，就会找到突破口。以科学为基础，以技术为先锋就可以开辟出人类在地球以外生存、探索、开发的康庄大道。 整理不易，欢迎打赏  魏金河，1940年9月30日出生于河南省唐河县。大学本科和研究生自就读于北京大学生物物理专业。1980~198年在美国Mayo医学中心进修并从事生物动力学研究，研究员。为中国航天医学工程研究的空陌生命科学项目负责人，原中国航天医学工程研究所所长。国际宇航科学院（IAA）院士、理事会成员，IAAJIAF空间生命科学委员会成员，日本名古屋大学环属医学研究所国际顾问。中国空间科学学会常务理事兼空间生命科学专委会主任，中国宇航学会理事兼航天医学工程专委会主任。《航天医学与医学工程》杂志主编。从事航天生理与医学研究30年，在失重生理领域（心血管调节，脑功能）有较深造诣，在国际同行中有一定影响。 参考书目 本书编写组. 21世纪100个科学难题[M]. 吉林人民出版社, 1998. |
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