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为什么要在太空中进行人体实验

发布日期:2004年05月19日字体: 【大】【中】【小】

    一.空间人体实验的必要性

  进行空间人体实验就是以航天员作为被试者进行实验。这种人体实验不仅代价昂贵、实验条件差(如被试者少、实验条件不宜控制、测量方法受限等),而且必然削减了其它航天实验项目。因此是否需要进行空间人体实验必须进行认真的考虑。从目前的情况来看,随着航天事业的发展,空间人体实验的项目越来越多、花费的时间越来越长、实验的内容也越来越深入。其主要的原因如下:

  1. 实现载人飞行的关键
  人类到太空中长期生活的夙愿能否实现?从载人航天任务一提出,它就成为航天科学家们所追求的最终目标。为了达到这个目的,除了制造性能先进、适合人类长期居住的航天器外,最关键的问题是人是否能适应太空中的失重环境。在载人飞行前,这一直是个十分令人担心的问题。因为自从地球上出现生物以来,生物一直是在重力环境中生活的,尤其是人的进化、发育都与重力有着密切的联系。科学家们推测重力消失后,人的心血管、骨骼、肌肉、消化、内分泌、神经等系统都会发生严重的障碍,影响到航天员的健康,甚至生命。因此人能否在太空中生活成为实现载人航天的关键问题。由于在地面无法创造一个长期的失重环境,为保险起见,在载人飞行前进行了一系列的动物失重飞行实验和地面人体的模拟失重实验。动物实验和人体模拟失重实验结果表明失重并非像一些人预料的那样可怕,失重似乎不会对生物体造成太大的损伤。于是,1961年4月12日前苏联航天员加加林上天,开辟了载人航天的飞行史,同时也拉开了空间人体实验的序幕。

  从美国和前苏联的仅1、2天的短期飞行,一直到现在400多天的长期飞行,每次飞行前后和飞行中都记录了航天员生理指标的变化,并进行了相应生理功能的测试和医学实验。在最初的航天中,主要监测与人体生命有关的四大生理指标-血压、心率、心电和体温,以确定失重环境是否危害到航天员的生命。之后,随着空间实验项目、指标和深度的增加,飞行时间逐渐延长。为确保航天员的健康,空间实验成为实现载人航天的关键。

  2.实现星际航行的关键

  经过近40年的载人航天历程,人类已经创造了在太空中停留438天的记录,目前已转入为人类探索,开发月球、火星作准备的长期飞行阶段。因此,空间生命科学除继续深入研究失重对生命体影响及机理外,重点将转移到长期飞行的医学问题,以保证航天员在长期飞行中的健康、安全和工效。由于航天员的安全和健康是长期航天活动中的核心问题,所以航天医学研究是星际航行中的核心的核心。

  在前一阶段的空间医学研究中,虽然证明失重环境不至于危害到航天员的生命,但大量的实验证明对人体还是有一定的影响,如飞行中出现的航天员心律紊乱、心血管功能下降、骨钙的持续性下降、肌肉萎缩、免疫功能降低等。在更长时间的飞行中这些变化是否会进一步的发展?生理系统是否可能出现不可逆的反应?现在还不清楚。如果这些变化进一步的发展将会阻碍星际航行。何况,在今后的星际航行中,还会增加更多的、对航天员健康不利的因素,如空间辐射、人工重力、长期飞行中的心理学的变化、到月球和火星后的对重力的再适应、长期飞行中繁育后代等,这些因素的综合作用对人体到底会有那些影响还是未知数。解决这些问题的最重要手段是进行空间人体实验。

  3.动物实验不能代替人体实验

  动物实验是空间生命科学中的一个重要组成部分,但是它不能代替人体实验。理由是:

  (1) 动物与人体不是同一种属,两者的组织结构和调节功能不完全相同,动物实验结果不能完全类推到人体。

  (2)失重对动物的影响与人体不完全相同,例如,人在地球上经常处于直立位,因此存在流体静压的作用,下身的压力高于上身,出现血液在下身的潴留,长期的进化也出现适应这种状态的神经和体液的调节。失重时流体静压消失,血液头向分布,它是引起失重生理反应的重要因素。动物一般是处于伏卧位,不存在流体静压作用,失重状态下也不存在此因素的改变。所以,失重对人和动物的影响因素不同,其变化也不一样。

  (3)人是一种有意识的高级动物,人体的心理活动对生理活动有明显的影响,这点在动物中是无法模拟的。

  (4)一些医学研究必须在人体进行,如对防护措施效果的评价等由于以上原因,空间人体实验是必须的,是载人航天中最核心的问题。因此,载人航天中生命科学的研究,尤其是人体实验在整个空间实验中占很大比例。

  二.国外的空间人体实验

  (一)空间人体实验的不同阶段

  1.二十世纪60年代

  在二十世纪60年代中,美国和前苏联实施了一系列短期飞行计划,其中包括苏联的“上升号”和“联盟3~8号”计划,美国的“水星”“双子星座”和“阿婆罗9~12号”计划。在此期间,通过记录航天员飞行中重要生理指标如心率、血压、心电、体温的变化,初步观察了失重飞行对航天员生理系统的影响,重点是研究失重对心血管系统、前庭系统和航天员工作能力的影响。除了空间医学观察和生理指标的测定外,对飞行后航天员各生理系统的变化和调节也进行了比较详细的检查,发现短期飞行失重对航天员生理系统的影响主要表现在以下几方面:

  1)飞行初期很多航天员出现运动病症状;
  2)飞行中部分航天员出现心电的T波降低和心律紊乱;  
  3)飞行中航天员出现定向障碍和错觉;
  4)舱外活动时代谢的变化比预计高;
  5)飞行后出现立位耐力和运动耐力下降;
  6)飞行后脱水和体重损失;
  7)飞行后红细胞质量下降;
  8)飞行后血浆容量减少;
  9)飞行后骨密度下降。

  这个时期医学实验的结论是尽管失重对航天员的生理系统有一定影响,但人可以短时间地在空间环境生活和工作,也可以适应舱外活动和登月。这个时期的空间医学研究为70年代的较长时间的飞行奠定了基础。

  2. 二十世纪70年代

  进入二十世纪70年代后美国除继续完成阿波罗计划外,还进行了“天空实验室”的长期飞行计划。前苏联除继续发射“联盟号”外,主要试验“礼炮号”空间站。在这个时期,美苏都进行了长期飞行,由于飞行时间的延长和飞行中医学试验的条件的改善,为进一步的航天医学研究提供了有利条件。尤其是“天空实验室”是美国的一个小型试验性空间站,空间医学研究是其中最主要的内容。总的目的是评定航天员在长期飞行中的工作能力,观察长期飞行对各生理系统的影响,寻找有效的防护措施等。通过航天中的实验,得到很多宝贵的资料,如观察到航天员飞行中立位耐力下降,出现钙矿物质的进行性丢失,肌肉萎缩和肌肉功能下降、水盐代谢紊乱和血液系统变化等。

  前苏联在这阶段,除逐渐增加观察项目的指标外,在航天中主要进行了防护措施的研究。例如,测量了“联盟-14号”航天员飞行中的脑血流和动脉血流速度,在“礼炮4号”航天站上安装旋转椅,测航天员飞行中的前庭功能等。在“礼炮3-6号”号上进行了各种防护措施效果的研究,证明防护措施的采用可以明显减轻失重对人体的影响,这些防护措施一直延用到今。

  “天空实验室4号”航天员的84天飞行和“礼炮6号”航天员最长达185天的飞行,不仅提高了航天医学制定计划人员对长期飞行的信心,而且由于空间航天员的医学实验,使航天医学家们观察到在长期飞行中,大多数的生理系统出现了适应失重环境的调节,虽然它们的适应过程和时间各不相同,但最后调节到一种较稳定的状态。可是,有的生理系统如骨骼系统的骨矿物盐的丢失却没有达到平衡。同时,也看到返回后各生理系统又出现了不同的再适应过程。

  3. 二十世纪80年代

  二十世纪80年代是航天飞机和载人空间站全面发展的时期,也是空间生命科学进入全面、系统研究阶段的开始。其中西欧的空间实验室和前苏联的空间站对于生命科学研究有重要意义。空间实验室是安放在美国航天飞机轨道货舱内一种多用途的空间实验设备,由欧洲空间局负责研制和发展。在空间实验室中进行了多学科的研究,其中包括生命科学的研究,也进行了空间人体实验。例如在“空间实验室1号”进行人的前庭功能和免疫功能实验;“空间实验室2”号中研究了航天员的骨钙代谢;“空间实验室3号”观察了自律训练和生物反馈方法在对抗航天员空间运动病中的作用;在空间实验室D1进行了视觉刺激对航天员姿态和感觉的影响,测量人体阻抗等。

  在80年代,前苏联共发射了两艘空间站,航天员在空间站上停留的最长时间是1年。空间站中航天员的生活条件得到很大改善,基本按照地面的作息制度,并采用了综合性的防护措施。在航天中对航天员的健康进行了全面的观察,对前庭功能、心血管功能、代谢活动及舱外活动中出现的医学问题进行了研究。总的来看,在长达8个月的飞行中,航天员能够富有成效地工作,未发现新的生理异常反应。但也表明长期飞行对人的体力和心理都是一种很大的负担。例如,飞行326天的罗曼年科和飞行149天的阿列克桑德罗夫在飞行后期相当疲劳,最后几天的身体状况下降,每日只能安排4.5小时的工作,并出现某些心理障碍的问题。

  4. 二十世纪90年代

  二十世纪90年代生命科学系统研究得到进一步发展,除了为找出失重时各生理系统变化的规律及保证长期飞行航天员健康而继续进行失重对人体影响和防护措施的研究外,还深入地开展了生理机制的研究,从分子、细胞和整体水平上进行失重生物效应的研究。比较有说服力的是1991年发射的“空间实验室生命科学1号”(SLS-1),它是完全用于生命科学研究的一次飞行,在这次飞行中进行了25项实验,其中11项是人体实验,12项动物实验,2项植物实验。SLS-1实验的目的是对人和动物进入失重环境和返回时的初期反应进行多学科的研究,重点有两个:一个是空间运动病,另一个是体液转移对人心血管和内分泌系统的影响。

  (二)90年代后期及2000年以后,空间生命科学的研究有三个方向:

  1)应用方面的研究——保证人在更长时间的飞行(1~3年)中的安全、健康和工效;
  2)基础理论的研究——揭开宇宙中生命起源、生命进化与生命分布之迷;
  3)空间的开发与应用——在空间进行大规模的空间制药和生物材料的加工。

  未来的生命科学实验中,人体实验仍然占重要的位置。它的主要任务是:

  1)了解更长时间飞行中及返回后航天员在生理、心理和社会关系方面出现的问题;
  2)寻找有效的预防和治疗措施,保证航天员的健康、安全和工效,对人工重力的必要性和可行性作出科学的结论;
  3)了解宇宙辐射对人体的影响,制定有效、安全的防宇宙辐射的措施;
  4)了解航天员在进入其它星球时的生理反应、工效,制定防护措施;
  5)参与工程学和实施医学的研究,如参加与航天员生保系统有关的工程学方面的实验,鉴定与实施医学有关的设备和措施等。(国家航天网特约撰稿 沈羡云)

本文编辑:李迁

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