載人星際考察的生物醫(yī)學(xué)保障問題

王永生 周生東（中國航天員科研訓(xùn)練中心）

載人星際考察的生物醫(yī)學(xué)保障問題

王永生 周生東（中國航天員科研訓(xùn)練中心）

1　引言

空間站的建立與發(fā)展是載人航天發(fā)展的重要階段，人類將以此開展星際飛行，探索月球、火星、小行星及太陽系其他星體。

迄今為止，世界航天大國和組織紛紛制定出了載人星際考察計劃，其中有俄羅斯載人飛行計劃、美國航天計劃、歐洲航天局（ESA）的“奧夫羅拉”（Abpopa）計劃，其中俄羅斯能源公司用于月球、火星及小行星飛行的運(yùn)載器發(fā)展設(shè)想，還包括火星及月球飛行醫(yī)學(xué)保障構(gòu)想等。

火箭航天技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)的成果及未來發(fā)展水平，長期軌道航天飛行中積累的醫(yī)學(xué)保障經(jīng)驗(yàn)，利用自動飛行器對星際空間及太陽系行星的探測成果，“阿波羅”（Apollo）計劃月球考察成果，大型航天計劃中的國際合作，地面模擬性的、實(shí)物性的及實(shí)驗(yàn)性的生物醫(yī)學(xué)研究，以上這些，是包括火星飛行在內(nèi)的星際考察的先決條件。

無人星際航天器幫助人們獲得了豐富的有關(guān)火星自然條件的知識和星際空間宇宙物理因素方面的知識，這些都是設(shè)計和開展未來載人星際考察任務(wù)所需要的。近年，俄羅斯準(zhǔn)備利用無人探測器開展新的月球研究計劃。

在“國際空間站”上進(jìn)行的研究，以及在地面相同條件下進(jìn)行的模擬試驗(yàn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，對星際考察的準(zhǔn)備具有極為重要的意義。通過這些研究和試驗(yàn)，強(qiáng)化了人們對生物結(jié)構(gòu)（生物體）適應(yīng)極端因素機(jī)制的認(rèn)識，開發(fā)和試驗(yàn)了未來健康和績效保障的設(shè)備與方法，并制定出了長期考察中的預(yù)防措施。

載人星際飛行無論是復(fù)雜程度還是風(fēng)險程度都與軌道飛行有極大的區(qū)別。火星考察的主要特點(diǎn)是∶飛行持續(xù)時間長和高度的自主性；在星際空間失重、輻射和弱磁環(huán)境會對人體產(chǎn)生作用；登陸火星后將伴有低重力、弱磁環(huán)境、輻射以及極端天氣和氣候的影響。

為了實(shí)現(xiàn)載人星際考察，需要開發(fā)專門的生物醫(yī)學(xué)保障綜合系統(tǒng)，而在多年考察實(shí)踐中所建立和完善的“國際空間站”醫(yī)學(xué)保障系統(tǒng)，是開發(fā)這種綜合系統(tǒng)的基礎(chǔ)。對綜合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，醫(yī)學(xué)技術(shù)的特性、方法和設(shè)備，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真地評估、完善和補(bǔ)充。

星際飛行生物醫(yī)學(xué)保障的主要功能是∶建立常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)，對健康和居住環(huán)境的狀況進(jìn)行評價；保障機(jī)能診斷；提供全方位的醫(yī)學(xué)救助和康復(fù)訓(xùn)練；預(yù)防低重力和微重力對機(jī)體的影響；對乘組成員進(jìn)行心理支持；對艙外活動進(jìn)行醫(yī)學(xué)跟蹤；建立自主的生命保障；進(jìn)行微生物防護(hù)并提出行星檢疫的要求。總之，醫(yī)學(xué)保障的任務(wù)就是在考察的所有階段保持乘員的健康和工作能力。

在星際考察自主飛行條件下，信息保障極為重要，對信息保障的要求也會與日俱增。因此，最適宜的辦法是在星際考察的組合體上建立生物醫(yī)學(xué)保障信息分析中心，建立全面的醫(yī)學(xué)和生物學(xué)知識庫、參與考察人員個體醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫、居住環(huán)境和輻射狀況數(shù)據(jù)庫等。在生物醫(yī)學(xué)保障信息中心將充分運(yùn)用人造智能的能力，發(fā)揮神經(jīng)信息網(wǎng)絡(luò)的作用，具有高水平的分析能力，具備科學(xué)預(yù)警模型及決策制定系統(tǒng)。中心通過接口與醫(yī)學(xué)和心理保障、生命保障、輻射安全保障及遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)（結(jié)構(gòu)）保持聯(lián)系。

星際考察過程中對乘組開展醫(yī)學(xué)保障時，需要建立自主性的醫(yī)學(xué)中心。受過專門培訓(xùn)且醫(yī)術(shù)精湛的醫(yī)生在中心工作，對乘組成員的主要健康指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測、對癥狀進(jìn)行診斷，并開展預(yù)防和手術(shù)。醫(yī)學(xué)中心的結(jié)構(gòu)和功能根據(jù)具體的考察任務(wù)、考察時間及乘組成員的人數(shù)來確定。醫(yī)學(xué)中心將配備自動化程度極高的儀器，使用計算機(jī)設(shè)備和軟件，艙載裝置“駕駛”就是此類設(shè)備，它能對心理生理參數(shù)及工作效率進(jìn)行評價，并能根據(jù)工作狀態(tài)給予相關(guān)的建議。在醫(yī)學(xué)中心應(yīng)當(dāng)使用基于最新技術(shù)（生物技術(shù)、生物芯片、納米技術(shù)）研制的設(shè)備和方法。完善艙載醫(yī)學(xué)中心的遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)保障，使航天員與地面飛控中心的專家能夠保持聯(lián)系，保障傳遞醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)并開展相關(guān)咨詢。

未來將開發(fā)多種形式的醫(yī)學(xué)中心∶可針對星際飛船開發(fā)醫(yī)學(xué)中心，也可針對月球和火星基地開發(fā)醫(yī)學(xué)中心。中心的結(jié)構(gòu)和保障能力將根據(jù)考察任務(wù)、乘組人數(shù)及任務(wù)時間來確定。

星際考察的成效在很大程度上取決于乘組的選拔，在乘組選拔中將使用生理學(xué)、心理學(xué)和職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行精神病學(xué)鑒定。在選拔時拓展使用現(xiàn)代遺傳學(xué)的方法非常重要，包括評價機(jī)體對極端因素影響的穩(wěn)定性，評價個體對輻射、應(yīng)激、骨質(zhì)疏松發(fā)展的穩(wěn)定性。

在選拔中應(yīng)側(cè)重有長期太空飛行經(jīng)驗(yàn)的人員，因?yàn)樗麄兡芎芎玫剡m應(yīng)并知曉機(jī)體對航天飛行因素的反應(yīng)。

在星際考察的訓(xùn)練中，會產(chǎn)生考察乘組，開展基礎(chǔ)和專業(yè)訓(xùn)練，熟悉技術(shù)系統(tǒng)和生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)并掌握其維護(hù)技能，對乘組進(jìn)行醫(yī)學(xué)培訓(xùn)，了解不同文化間的相互作用，詳細(xì)掌握考察計劃等。

在訓(xùn)練和考察過程中，應(yīng)當(dāng)堅持以人為本的原則，重視“人-機(jī)”系統(tǒng)的構(gòu)建，并關(guān)注其相互作用，應(yīng)當(dāng)使用機(jī)器人參與繁重的工作。

在星際考察中心理問題越來越重要，影響心理的因素包括∶遠(yuǎn)離地球、與世隔絕、疲勞、責(zé)任感、飽和的科學(xué)計劃、個體心理問題及乘員的相互影響。

預(yù)防系統(tǒng)在星際考察生物醫(yī)學(xué)保障中占有非常重要的位置，該系統(tǒng)能夠有效預(yù)防各種程度重力所產(chǎn)生的作用。在“國際空間站”上進(jìn)行失重對抗過程中使用了各類訓(xùn)練器材，發(fā)展和完善了電刺激和足感受器激活的方法，這是星際考察預(yù)防系統(tǒng)開發(fā)過程的重要階段。

人工重力的產(chǎn)生對預(yù)防系統(tǒng)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，該方法早在20世紀(jì)70年代就被建議用于星際考察，并且在模擬研究和生物衛(wèi)星實(shí)踐中證明了其功效。利用短半徑離心機(jī)有可能模擬出地面和火星上的重力。

利用特殊裝置，原則上可消除星際空間和行星表面弱磁環(huán)境的不良作用，使用這些裝置，可以在居住艙內(nèi)保障一定強(qiáng)度的磁場分布，模擬出地面條件下相應(yīng)磁場的作用。

2　星際考察乘員生命保障系統(tǒng)

為乘員開發(fā)生命保障系統(tǒng)（簡稱生保系統(tǒng)）是載人星際考察需要解決的最重要的問題之一，其任務(wù)就是為乘員提供適宜的生存條件。生保系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)取決于動力裝置的使用時間，取決于其功能作用及使用現(xiàn)有資源的能力。與現(xiàn)在空間組合體上的生保系統(tǒng)相比，星際組合體要求極大地降低生保系統(tǒng)的外形尺寸和質(zhì)量，使用基于物質(zhì)循環(huán)原理的再生式生保系統(tǒng)能夠滿足這種要求。這種在深空探測條件下所使用的生保系統(tǒng)，與近地軌道上使用的生保障系統(tǒng)會有很大的區(qū)別。主要體現(xiàn)在，星際考察中耗材、部件、組件不可補(bǔ)充和恢復(fù)，星際考察中需要具備開發(fā)和利用行星資源的能力。

在禮炮號系列空間站、和平號空間站及“國際空間站”多年的軌道飛行中，在使用再生式生保系統(tǒng)（包括以耗材儲備為基礎(chǔ)的系統(tǒng)）方面積累了成功經(jīng)驗(yàn)，為開發(fā)星際載人航天器生保系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。星際載人航天器生保系統(tǒng)包括∶氣體成分保障系統(tǒng)、水系統(tǒng)、飲食系統(tǒng)、衛(wèi)生保健保障系統(tǒng)以及水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、大氣物化指標(biāo)和微生物指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)。

在這種情況下，可以利用經(jīng)過和平號空間站長期檢驗(yàn)的常規(guī)生保系統(tǒng)來開發(fā)星際航天器生保系統(tǒng)的部分功能。總體上講，當(dāng)今的生保系統(tǒng)經(jīng)過相應(yīng)的改進(jìn)后，能夠?yàn)殚_發(fā)深空探測所需的生保系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

如今的生保系統(tǒng)主要是基于物化過程而建造，它所產(chǎn)生的居住環(huán)境與地面生物原環(huán)境還不完全相同。

為了使航天員居住環(huán)境與地面接近，需要在星際飛船和行星基地上建造基于物質(zhì)生物-物理-化學(xué)（生化-物化）循環(huán)的生態(tài)化的閉合生保系統(tǒng)。現(xiàn)如今在空間站上由于動力的局限暫時還不能建造此類的生保系統(tǒng)，也沒有達(dá)到完全的物質(zhì)循環(huán)，二氧化物、氫、含有水汽且稠密的排泄物需要排出到外太空。

建立符合星際考察要求的生保系統(tǒng)是生物醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要任務(wù)，主要包括以下幾個方面。

氣體成分保障系統(tǒng)

1）開發(fā)用于濃縮（集中）二氧化物的技術(shù)和裝置；

2）將二氧化物氫化作用變?yōu)樗图淄榛驅(qū)⒍趸餁浠癁樗吞迹源藖硖岣哐鹾退h(huán)的閉合程度。在禁止將甲烷排出到外太空的情況下，可以將甲烷變?yōu)榧兹┖筒粨]發(fā)的單醣碳水化合物；

3）使用化學(xué)活性結(jié)構(gòu)材料用于內(nèi)部構(gòu)件以吸收有害成份。

水保障系統(tǒng)

1）增加從尿液中提取水的比例，從80%增至95%～98%；

2）開發(fā)生物催化和電物理的方法，在空氣中的冷凝水進(jìn)入飲用水再生系統(tǒng)之前，深度氧化其中的有害混合物；

3）開發(fā)專用方法和裝置，獲取重穩(wěn)定氫同位素（重氫2H2及氧同位素17O2和18O2）含量低的水。

眾所周知，重氫同位素（重氫）能延緩生物化學(xué)變化的過程，并使水具有毒性，而重氫和同位素18O2含量較低的水則具有正面的生物醫(yī)學(xué)特性∶能增加高等植物的替換物，可提高鵪鶉的產(chǎn)卵率，能降低腫瘤的轉(zhuǎn)移速度，具有防輻射特性。

一個有效降低航天飛行不良因素的方法是∶建立適宜的居住環(huán)境，其中含有適宜的生物化學(xué)元素的同位素成分。

衛(wèi)生保健保障系統(tǒng)

1）開發(fā)用于水洗（沐浴）和熱洗（桑拿浴）的方法和設(shè)備；

2）開發(fā)用于清洗紡織品的技術(shù)和設(shè)備（洗衣機(jī)）。

稠密排泄物收集、隔離和保存系統(tǒng)

開發(fā)稠密排泄物的消毒和保存方法，預(yù)防其微生物變異并污染航天器內(nèi)部及行星表面。

水質(zhì)量、空氣物化和微生物指標(biāo)常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)

開發(fā)用于水和空氣分析的方法和設(shè)備，建立總的監(jiān)測系統(tǒng)，對居住環(huán)境的質(zhì)量，以及星際航天器生保系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)技術(shù)程序的運(yùn)行情況進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測。

維生素溫室

開發(fā)維生素溫室，在能耗、質(zhì)量和外形尺寸方面符合長期星際考察的要求。

當(dāng)航天員在行星表面短期駐留時，使用基于耗材儲備的生保系統(tǒng)比較合理，這種系統(tǒng)特點(diǎn)是質(zhì)量小且可靠性強(qiáng)。其中的氧源可以是固態(tài)氧，這種方法已經(jīng)成功用于和平號空間站和“國際空間站”。去除二氧化物可以使用裝有氫氧化鋰的吸收罐。

為了保存排泄物和廢棄物（尿液、糞便、空氣水汽冷凝物、嘔吐物，包裝材料），需要預(yù)先研制具有消毒和儲存能力的收集器。利用活性碳可以凈化空氣。可以使用小塊織物作為個人衛(wèi)生用品。

在行星基地進(jìn)行長期考察時，當(dāng)能源保障充足時，應(yīng)當(dāng)建立閉合式生態(tài)生命保障系統(tǒng)。在這種情況下可以充分利用當(dāng)?shù)氐馁Y源（水、氧和土壤）。

美國火星著陸器著陸示意圖

3　火星考察的輻射安全問題

在航天飛行中當(dāng)超越地球磁層后，就會缺少地球磁場的防護(hù)作用，如果缺少應(yīng)有的防護(hù)措施，太陽宇宙射線的劑量就會達(dá)到對健康和生命構(gòu)成危害的程度。在這種情況下，銀河系宇宙射線的輻射劑量也會增大，會增加對人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)和視覺器官的危害。

應(yīng)當(dāng)指出的是，目前在對太陽系宇宙射線進(jìn)行分析時可能還存在極大的誤差。為此，有必要開發(fā)出太陽系宇宙射線由太陽向地球傳播的模型。

與輻射安全問題緊密相關(guān)的是，應(yīng)當(dāng)真實(shí)和詳細(xì)地說明宇宙射線對人體造成的不同程度的危害，也就是應(yīng)當(dāng)從對基因、亞細(xì)胞、細(xì)胞，器官及系統(tǒng)級的影響，直到對整個機(jī)體的影響都應(yīng)加以說明。在這方面應(yīng)當(dāng)進(jìn)行廣泛的和有針對性的研究。

限制空間輻射的影響，不僅涉及到乘員，而且還涉及到航天器上所有的生物體（動物、植物、微生物）。其中，如果長期連續(xù)受到小劑量輻射的作用可能會激活生物體的活性，其中包括微生物，這會使設(shè)備結(jié)構(gòu)出現(xiàn)生物性損害，從而對考察的可靠性和安全性產(chǎn)生影響。目前在該領(lǐng)域的數(shù)據(jù)還有一定的局限性，需要進(jìn)行分析和論證。

下面的重要問題與中子作用相關(guān)，中子出現(xiàn)在航天器上，是第一宇宙射線與航天器材料及生物用布原子核相互作用的結(jié)果。

星際考察中輻射對人的危害非常明顯，這要求必須建立輻射安全系統(tǒng)。

建立輻射安全系統(tǒng)的重要意義主要體現(xiàn)在∶在飛行線路上輻射作用的特性變化非常大，而且人在空間駐留的時間相當(dāng)長。此外，在執(zhí)行星際考察任務(wù)時，人機(jī)體所有的器官長期處于緊張狀態(tài)，這就要求嚴(yán)格限制輻射及其他極端因素對機(jī)體的影響。

當(dāng)今人們對火星任務(wù)中的輻射源有充分的認(rèn)識。輻射源主要有三類∶地球輻射帶、太陽系宇宙射線和銀河系宇宙射線。在航天器中使用反應(yīng)器及核動力裝置的情況下，來自其中的輻射也可作為補(bǔ)充的輻射源。這里所闡述的限制乘員輻射程度的問題，主要是指來自銀河系宇宙射線和太陽系宇宙射線的輻射源。

銀河系宇宙射線可以說是航天員長期的輻射源，其強(qiáng)度變化周期約為11年。用約10g/cm的鋁進(jìn)行防護(hù)時，當(dāng)最大太陽活性時，輻射日劑量當(dāng)量約為1.5×10-4Sv，相應(yīng)的年劑量當(dāng)量值約為0.5Sv。當(dāng)最小太陽活性時，年劑量當(dāng)量值增加1倍，約為1Sv。為此，依靠防護(hù)物質(zhì)很難減弱銀河系宇宙射線，由體表到體內(nèi)深處輻射劑量下降得很小，其放射生物學(xué)效應(yīng)由體內(nèi)深處器官所受到的影響來確定。鑒于對銀河宇宙射線的防護(hù)很復(fù)雜，建議在太陽活性周期最大的階段進(jìn)行太空飛行，這樣可以極大地減少飛船的質(zhì)量。

太陽系宇宙射線是太空中偶發(fā)的電離輻射源。它們是極具危害性的輻射源，特別是在太空耀斑時，更具危險性。太陽質(zhì)子事件的時間在幾個小時至幾晝夜之間。在耀斑期間總的輻射劑量可能會在幾個至幾千個cSv之間變化，這將取決于事件的強(qiáng)度和防護(hù)的特性。

上述的輻射劑量會導(dǎo)致乘組輻射風(fēng)險的增加。為了對輻射加以限制，應(yīng)當(dāng)建立相應(yīng)的劑量限額。但是，將輻射程度降至與地面相當(dāng)?shù)乃剑枰⑾喈?dāng)厚度的防護(hù)，但這樣就無法實(shí)現(xiàn)火星飛行。因此，在建立標(biāo)準(zhǔn)和輻射安全體系時，只能在可以接受的不良輻射后果與實(shí)現(xiàn)火星飛行的可能性之間采取折衷的方案。

當(dāng)今，使用因輻射作用而導(dǎo)致個體死亡的概率來說明輻射風(fēng)險，這是輻射危險程度的量化特征。

在星際考察的輻射安全保障中，輻射監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有特殊的作用，因?yàn)槭褂迷撓到y(tǒng)不僅能夠在規(guī)定的輻射劑量測定值內(nèi)，確定出對每名乘員所產(chǎn)生的輻射負(fù)荷，而且能夠預(yù)報飛行航線上和飛船內(nèi)部的輻射環(huán)境，能夠預(yù)報采取防護(hù)措施的有效時間。

在制定火星飛行的標(biāo)準(zhǔn)時需要解決的一個重要問題是∶在確定輻射風(fēng)險時，哪些醫(yī)學(xué)和輻射生物學(xué)效應(yīng)應(yīng)當(dāng)考慮，哪些數(shù)量模型應(yīng)當(dāng)使用或需要開發(fā)。

多數(shù)放射生物學(xué)后果的量化概念具有不確定性，特別是間接輻射效應(yīng)更是如此。這種不確定性是解決火星考察乘組輻射安全保障最關(guān)鍵的問題之一。需要認(rèn)真研究和解決的問題包括以下幾個方面∶

1）評價身體單獨(dú)器官定位防護(hù)的效果；

2）開發(fā)適合于星際飛行條件的藥物化學(xué)預(yù)防和防護(hù)方法；

3） 針對飛行計劃和火星飛行線路，研究輻射作用對航天員工作能力的影響；

4）研究航天員主動防護(hù)的技術(shù)方法，即利用特殊排列的強(qiáng)磁場將太空射線的帶電粒子從居住艙移開。

在星際考察中必須保證合理地消耗飛船的資源，保證飛船有最佳的質(zhì)量，其前提條件就是確保整個航天員生物醫(yī)學(xué)保障系統(tǒng)的合理性。要做到這一點(diǎn)，必須制定航天員安全和生存能力整體指標(biāo)（健康和工作能力）的量化標(biāo)準(zhǔn)，其中包括醫(yī)學(xué)風(fēng)險的數(shù)值，這是順利完成火星考察任務(wù)的必須條件。

朱敏悅／本文編輯

Biomedical Support Problems of Human Interstellar Exploration