航天員在太空為什么要運(yùn)動(dòng)？

體育鍛煉可以增強(qiáng)肌肉是眾所周知的事情，但科學(xué)家們對(duì)這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因并不十分清楚。不知何故，好像肌肉細(xì)胞自己可以“感覺”到它們是如何被使用的，它們將根據(jù)受到鍛煉的情況來(lái)重塑自己，以便更好地適應(yīng)環(huán)境。于是，提出了這樣一個(gè)問題：這種情況是如何發(fā)生的?到底什么樣的訓(xùn)練可以引起這種變化呢?

美國(guó)宇航局對(duì)這個(gè)問題很感興趣，他們希望知道答案，這是因?yàn)楹教靻T在太空中長(zhǎng)期地生活在失重環(huán)境下，失重可以引起航天員出現(xiàn)明顯的肌肉萎縮和肌肉功能下降，在這方面，航天醫(yī)學(xué)家們通過大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了。怎么知道肌肉出現(xiàn)了萎縮呢?在人身上取下一塊肌肉來(lái)進(jìn)行形態(tài)學(xué)的觀察是不太容易行得通的，只能借助于間接的方法。航天員在航天飛行前后都測(cè)量了體重，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)航天員的體重下降，體重減輕一方面是由于失重時(shí)體內(nèi)水分丟失較多所致，另一個(gè)原因就是肌肉萎縮，尤其是長(zhǎng)期飛行后體重下降和肌肉萎縮的關(guān)系更密切。另一種間接方法是測(cè)量下肢容積，發(fā)現(xiàn)飛行后航天員下肢的容積減少了，減少范圍是15％～25％。要取動(dòng)物的肌肉進(jìn)行組織學(xué)的檢查是比較容易的，因此美國(guó)和前蘇聯(lián)在這方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，他們比較了失重飛行動(dòng)物和地面正常喂養(yǎng)動(dòng)物的肌肉結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)飛行動(dòng)物肌肉出現(xiàn)明顯的肌纖維萎縮，最近，在航天飛機(jī)和空間站上，為了進(jìn)一步證明失重可以引起航天員肌肉萎縮，科學(xué)家進(jìn)行了失重飛行對(duì)航天員骨骼肌結(jié)構(gòu)影響的研究，方法是飛行前后各取航天員小腿部位的一小塊肌肉，用顯微鏡和電子顯微鏡觀察其結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致，飛行后也出現(xiàn)明顯的肌纖維萎縮。

肌纖維的萎縮必然引起肌肉功能的下降，哪怕是短時(shí)間的飛行，即使飛行7～10天，也會(huì)出現(xiàn)這種變化，如果用握力計(jì)測(cè)量航天員飛行前和飛行中手的握力，飛行前握力是45～65千克的人，飛行中將減少到4～22千克，腿部肌肉力量的下降比手握力的下降更多。失重飛行后航天員軀干的力量也明顯下降，兩名參加“聯(lián)盟－9”號(hào)飛行的航天員只飛行了10天，軀干肌肉的力量分別降低了40千克和65千克，而且到返回后第11天才恢復(fù)。在測(cè)量肌肉力量時(shí)，兩名航天員都訴說腿肌和背肌疼痛，航天飛行后肌肉活動(dòng)時(shí)，肌肉的反應(yīng)速度也減慢，容易發(fā)生疲勞。

為了克服航天飛行引起的肌肉萎縮，在較長(zhǎng)時(shí)間的航天中，航天員每天要花費(fèi)2～3小時(shí)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的形式是多樣的，有拉力器、蹬自行車、在跑臺(tái)上跑步，甚至讓航天員終日穿上一件名叫“企鵝服”的彈性衣服。航天員在座艙中進(jìn)行任何活動(dòng)時(shí)都要克服彈力服的阻力，這樣也鍛煉了肌肉，通過航天飛行實(shí)踐證明，航天中的體育鍛煉對(duì)防止肌肉的萎縮起很大作用，如果沒有航天中的體育鍛煉，長(zhǎng)期飛行后的航天員恐怕都不能行走了?？墒?，盡管采用了多種多樣的鍛煉方法，失重飛行后航天員肌肉萎縮的現(xiàn)象仍然存在，因此，尋找一種更好的鍛煉肌肉的方法是目前航天醫(yī)學(xué)中亟待解決的問題。為了尋找這個(gè)方法，首先必須了解為什么失重飛行會(huì)引起肌肉萎縮?失重是怎樣引起肌肉萎縮的?為什么鍛煉可以防止肌肉萎縮?只有確切地回答這些問題，這樣才能制定出更好的防止肌肉萎縮的措施。

要回答前一個(gè)問題很簡(jiǎn)單，人們也很容易理解，這是因?yàn)樯钤诘厍蛏系娜耍瑹o(wú)論行走、站立、工作都要克服地心引力的作用。例如，在活動(dòng)或舉起重物時(shí)，他們要克服自己身體的重量和重物的重量，迫使很多肌肉群做功，這樣就“鍛煉”了這些肌肉。即使人在安靜站立或維持一定的姿態(tài)不動(dòng)時(shí)，雖然人們感覺不到自己的肌肉在做功，實(shí)際上為了克服重力的作用，身體中的一部分肌肉也處于收縮狀態(tài)。在太空中，由于失重，人和物體都沒有重量了，干任何事都是輕而易舉，不需要肌肉付出很大的力量來(lái)完成這些工作。同時(shí)，座艙內(nèi)的狹小環(huán)境限制了航天員的活動(dòng)量。這樣，長(zhǎng)期的肌肉“廢用”成為肌肉萎縮的主要原因。

要回答后兩個(gè)問題就困難了，到目前為止，還沒有找到一個(gè)令人滿意的答案。現(xiàn)在，很多國(guó)家的科學(xué)家們?cè)谶M(jìn)行這方面的研究。肯尼思·鮑德溫是歐文市加利福尼亞大學(xué)心理學(xué)與生物物理學(xué)系的教授，在美國(guó)宇航局的支持下，他正在進(jìn)行肌肉內(nèi)部工作方式的研究，希望能夠揭開為什么鍛煉可以防止肌肉萎縮的秘密和了解什么樣的鍛煉可以防上肌肉的萎縮。

美國(guó)宇航局對(duì)等長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)十分感興趣。等長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)就是肌肉在進(jìn)行阻力性運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的長(zhǎng)度不發(fā)生改變，例如，人在用手推一個(gè)固定不動(dòng)的物體時(shí)，手用力了，但手上肌肉的長(zhǎng)度并沒有改變，美國(guó)對(duì)這種訓(xùn)練方法很感興趣，這是因?yàn)樵陲w行中如果采用這種方法進(jìn)行訓(xùn)練，所需要的設(shè)備簡(jiǎn)單，重量輕，這樣，它們占用座艙中的體積小。發(fā)射的費(fèi)用也低，關(guān)鍵的問題是采用等長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的方法進(jìn)行鍛煉是否可以達(dá)到防止肌肉萎縮的作用呢?

為了解決這個(gè)問題，鮑德沮的研究小組在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物老鼠中進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)。他們采用無(wú)痛電刺激方法來(lái)激活鼠的髓部肌肉，使鼠進(jìn)行三種類型的運(yùn)動(dòng)；肌肉收縮、肌肉拉長(zhǎng)和保持長(zhǎng)度不變的等長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)過一段時(shí)間以后，科學(xué)家們?cè)賮?lái)檢測(cè)老鼠肌肉的變化，鮑德溫說：“我們發(fā)現(xiàn)在12次訓(xùn)練后，三種訓(xùn)練方式引起的肌肉生長(zhǎng)數(shù)目相似，等長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練也不例外?！边@個(gè)結(jié)論并不新鮮，以前其他科學(xué)家也得出過同樣的結(jié)論。鮑德溫研究小組的先進(jìn)性表現(xiàn)在他們除了測(cè)量整個(gè)肌肉質(zhì)量外，還測(cè)量了肌肉細(xì)胞內(nèi)收縮蛋白的數(shù)量。其實(shí)，真正引起肌肉收縮的是收縮蛋白質(zhì)，它們使得肌肉具有一定的強(qiáng)度。

令鮑德溫研究小組感到驚奇的是雖然等長(zhǎng)訓(xùn)練有防止肌肉萎縮的作用，但并沒有阻止這些肌肉中收縮蛋白質(zhì)數(shù)量的減少，所以，從分子水平來(lái)看，大腿肌肉實(shí)際上是降低了。

沒有人知道為什么會(huì)這樣，伹是有件事情似乎是清楚的：等長(zhǎng)訓(xùn)練不太可能是保持航天員肌肉的最佳方式。鮑德溫計(jì)劃用從美國(guó)宇航局剛剛重新申請(qǐng)的資金進(jìn)行更深入的調(diào)查，是否可以采用另一種方法來(lái)防止肌肉萎縮呢?他們想到采用讓航天員服用防止肌肉萎縮藥物的方法。這種方法在航天中還沒有用過，現(xiàn)在也只是一種設(shè)想，但鮑德溫認(rèn)為這可能是一種有效的方法，因?yàn)樗麄冎篮教靻T肌肉萎縮的原因之一是肌肉中蛋白質(zhì)的分解加快，在人身體里的肌肉中，時(shí)刻都在進(jìn)行蛋白質(zhì)的平衡和分解活動(dòng)：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的合成速度超過蛋白質(zhì)分解速度時(shí)，肌肉生長(zhǎng)變強(qiáng)壯：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的分解速度占優(yōu)勢(shì)時(shí)，肌肉出現(xiàn)萎縮，功能下降；當(dāng)兩者平衡時(shí)，航肉不變，它有點(diǎn)像一個(gè)有注水和攙水裝置的浴盆，當(dāng)進(jìn)水和出水量相等時(shí)，水面的高度不變。

肌肉蛋白質(zhì)的合成和分解與肌肉細(xì)胞內(nèi)的一個(gè)復(fù)雜的酶類網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，它可以將肌肉蛋白中的分子一個(gè)接著一個(gè)地分解掉，如果科學(xué)家們能夠在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中找到一個(gè)關(guān)鍵的酶。他們就可能研制出一種可以阻止肌肉蛋白分解的藥物，這樣就可以減緩肌肉的萎縮。

鮑德溫正在研究“構(gòu)成”這種平衡的原因是什么，他將研究的重點(diǎn)集中到對(duì)類胰島素樣生長(zhǎng)素1號(hào)的研究上，在肌肉進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生生長(zhǎng)素1號(hào)，這種激素可以激活引起肌肉細(xì)胞生長(zhǎng)的酶。鮑德溫在運(yùn)動(dòng)后的老鼠肌肉中也發(fā)現(xiàn)了生長(zhǎng)素1號(hào)含量的增高，鮑德溫解釋說，“有人認(rèn)為是機(jī)械應(yīng)力使得基因(生長(zhǎng)素1號(hào))增加，但至今我們還不了解它的整個(gè)過程，我們只知道生長(zhǎng)素1號(hào)可以促使肌肉生長(zhǎng)?！币虼怂麄兿胧遣皇强梢杂迷黾尤梭w中生長(zhǎng)素1號(hào)的方法來(lái)使航天員肌肉蛋白質(zhì)形成速度超過破壞速度呢?科學(xué)家們對(duì)這個(gè)想法產(chǎn)生了興趣，并且已經(jīng)討論了可能發(fā)生的情況，如果一切成功的話，它不僅僅對(duì)航天員是一個(gè)好消息，對(duì)于地球上的人類也是一個(gè)福音，至今醫(yī)學(xué)上的疑難病——肌肉萎縮(如小兒麻痹)有可能獲得解決，這將是造福全人類的好事。

[責(zé)任編輯] 蒲 暉