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空间人体实验

发布日期:2004年05月19日字体: 【大】【中】【小】

    空间人体实验是指以航天员为对象的实验,它包括两部分内容,一部分是在航天员飞行前后,航天医学家们对他们进行医学检查和实验,另一部分是在飞行中以航天员为被试者进行医学实验。

  飞行前后的人体实验

  这部分的实验内容非常多,每一名航天员在飞行前后都要进行常规的医学检查。此外,还要根据航天医学家们的要求,进行一些特殊的医学实验,这些检查和实验可以使航天医学家们了解不同时间的失重对航天员身体的影响,确定人是否可以进行更长时间的飞行,及了解航天员在返回地面后对地球重力环境的再适应情况。

  在早期航天活动中,由于飞行时间短,飞行座舱体积小,不可能在航天中进行很多的医学实验,因此主要是观察航天员在返回后的生理变化,它可以间接地反映失重的影响。例如,为了研究失重对心血管的影响,航天员飞行前后都要进行立位耐力实验和运动耐力实验,结果观察到航天员飞行后出现明显的立位耐力和运动耐力下降,得出了失重可能引起心血管失调的结论;为了研究失重对血液和免疫系统的影响,航天员飞行前后都取血,测量很多血液学和免疫系统指标,观察到失重飞行后,血浆容量、红细胞数量和质量下降,淋巴细胞数减少,得出失重可能引起航天贫血症和免疫功能下降的结论;为了研究失重对骨骼系统的影响,测量了航天员飞行前后的骨密度,得出失重可能引起骨质疏松的结论等。这些初步的结论在以后航天活动的实验中得到证实。

  飞行中的人体实验

  航天员返回后生理系统的变化,不能代表航天过程中的改变。因为,航天员在返回过程中有很大的心理负荷并受到超重的影响,返回后又将再一次受到重力的影响。这些都对生理指标有明显的影响。因此返回后生理指标的变化是这些综合因素作用的结果,而不是真正的失重影响。所以,为了了解失重的影响及探讨它的机理,必须测量飞行中航天员生理指标的变化。随着飞行时间的延长,飞行人数的增加,飞行条件的改善,尤其是医生航天员参加飞行和在航天器中安装一些医学监测仪器,使空间人体实验的深入进行成为可能。总的来说,空间人体实验主要包括以下三部分内容:

  一、失重飞行对人体的影响

  针对失重飞行对人体影响的研究内容最丰富,项目也最多。但到目前为止,并没有完全了解失重对人体的影响,很多问题还有待解决。在航天中,心血管系统的研究最多,采用了各种方法测量失重时心血管系统的变化,如:用心电图观察心脏电活动的改变,用心音图、心震图、心动时相、心阻抗图、超声心动图观察心脏动力学的变化,用脑阻抗、肢体血流图观察体液分布的影响,用心率变异、下体负压、运动实验进行失重时心血管调节的研究。

  为了进行深入的空间生命科学的研究,美国于1991年6月5~14日发射了哥伦比亚号航天飞机,专门进行“空间生命科学—1”实验。它利用哥伦比亚号上的全体乘员和几十只动物进行各种生理实验,最终目的是为了解决美国拟将发射的自由号空间站中人长期逗留的问题,并为21世纪飞向月球和火星的任务服务。

  在“空间生命科学—1”任务中的绝大部分实验的完善程度和深度超过了前苏联大多数空间站上的实验,其中与航天员有关的实验包括以下几部分。

  心血管/心肺系统实验   共6项实验,4项实验的对象是航天员。在此部分实验中,广泛地测量了航天员的心脏大小、血压、心率、血容量、血流、血管图像、血管压力、肺功能(通气量、血流、气体交换、部分肺区的压力)、肾/内分泌等指标。主要观察飞行早期、失重适应期和再适应期的变化。首次测量了航天中压力感受器反射功能变化并综合评定失重情况下的肺功能。其结果对了解航天中的心肺调节有重要意义。  

  肾/内分泌系统  进行了一项“宇宙飞行中水电解质调节”的人体实验,在严格控制飞行中航天员饮食和测试时间的条件下,收集了血、尿样本,测量了多项内分泌指标,得出了失重时肾功能、水、电解质和矿物质之间的平衡关系及体液转移对肾和内分泌功能的影响。

  血液系统  进行了3项实验,观察了失重对人和动物红细胞动力学的影响并探讨血容量调节的机理。

  免疫系统的研究  研究了失重状态下航天员淋巴细胞的增殖。证明淋巴细胞活性变化与载体有关,白细胞介素和巨噬细胞参与调节。

  肌肉—骨骼系统  进行了6项人和动物实验。实验结果对于确定失重对骨骼和肌肉的影响、肌肉内氮平衡和骨骼钙平衡的生化机理起了一定作用。  
  
  神经—前庭系统  进行了一项航天员前庭功能实验,探讨了失重状态下前庭功能变化及其机理。

  二、防护措施的实施和验证

  有效防护措施是保证航天员健康、延长飞行时间的关键。在地面卧床模拟失重的实验中,获得了一些防护方法,这些方法是否有效,必须经过空间人体实验的验证。美国和前苏联都在航天中进行了这方面的研究,例如在早期飞行时,由于飞行时间短、飞行座舱的限制,一般只采用简单的体育锻炼,如拉拉力器。70年代,随着飞行时间的延长和飞行中生活环境的改善,在航天中采用综合性的防护措施成为空间人体实验的重点之一。前苏联在“联盟14号”15天的飞行中采用了较多的措施,如拉力器、跑台和企鹅服,以观察它们对航天员返回后再适应能力的影响;在“联盟17号”30天的飞行中,增加了自行车功量计和下身负压裤训练,并制定了标准的运动计划;在“联盟18号”63天的飞行中,除了采用以上措施外,在返回前还增加饮盐水项目,以增加返回前的体液。防护方法、运动程序及时间安排等都是通过空间人体实验逐步完善的。苏联科学家认为只要航天员坚持体育锻炼和遵守作息制度,在半年内,航天时产生的各种生理变化不会随着飞行时间的延长而加重。

  在“天空实验室”中也进行了运动方式和运动量对航天员肌肉系统影响的研究。“天空实验室”2、3、4号的飞行时间分别为28、56和84天,三批航天员采用不同的运动方式和强度,结果证明飞行中增加运动项目和时间可以减轻失重对肌肉系统的影响。

  三、机理的研究

  因为大部分的机理研究对人体是有损伤的,故利用人体进行机理性试验是有一定困难的。但是由于动物与人体生理结构和反应的不同,最可靠的数据还是来自于人体实验。因此,科研人员在尽可能的情况下,在航天活动中进行了一些人体机理性探讨的实验。例如,引起立位耐力下降的原因很多,其中人体压力感受器对血压的调节是很重要的原因之一,为了探讨失重对压力感受器的影响,1991年美国在“天空实验室生命科学航天器-1”(STS-1)中首次进行航天员飞行中压力感受器反射功能的研究,方法是在航天员的颈部加一个有弹性膜的颈圈,对颈圈加压或减压以刺激颈动脉窦,观察心跳(R-R间期)的反应。结果在飞行的第2天就出现压力感受器刺激——心脏反应曲线中工作点的升高,飞行第8天出现了明显的压力感受器反射功能异常,表现为颈部压力变化时,心率的反应范围和最大斜率都下降。着陆后第一天仍有明显改变,第4天后大部分指标才恢复到飞行前水平。

  又如,在探讨失重时心血管和体液变化的机理时,需要了解失重状态下中心静脉压(CVP)的变化,因此,科学家们对于体液头向转移将引起静脉压发生什么变化的问题很感兴趣。用静脉导管插入法直接测量腔静脉与右心房交界处的压力是最可靠的静脉压测量方法。由于它是一种有损伤的测量方法,在地面还不能广泛、长时间的使用,在航天中应用将更困难。但是,为了解决这个问题,还是测量了少数航天员飞行中的静脉压的变化。例如,采用插管方法测量参加SLS-1飞行的1名航天员和参加SLS-2飞行的2名航天员的飞行中的右心房压,得到了令人意外的结果:按照一般的生理学概念,失重时流体静压作用消失,体液头向分布,中心血量增加,应该首先引起中心静脉压升高,之后经过调节,静脉压将会重新调整到相当于1G(1G相当于在地球上人体所受到重力作用)状态下直立体位的水平。但这次测量的结果却是飞行中的静脉低于飞行前坐位时的值,并持续较长时间。如果以后的飞行实验证实飞行即刻即可出现静脉的下降,将是一项十分有趣的新发现,值得进一步研究其发生机理。

  在航天中进行人体实验是十分必要的,也是今后航天实验中非常重要的实验项目,它的发展将推动航天事业的发展。(本网特约撰稿/沈羡云)

本文编辑:李迁

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