人在太空，失重環(huán)境對人體有哪些影響

文/ 湯川學(xué)

美國航天員斯科特·凱利在國際空間站

人體是一個極其復(fù)雜的精密儀器，大自然給予了我們無與倫比的大腦，讓我們可以通過智慧去突破自身肉體的限制，上九天攬?jiān)拢挛逖笞谨M；發(fā)達(dá)的汗腺讓我們可以進(jìn)行長時間奔跑；靈活的雙手是我們主宰地球最有力的工具，這些都是大自然對于人類的偉大塑造，但人類自己卻是不屬于太空的生物。

從遠(yuǎn)古的猿人到今天的我們，我們的演化之路一直在g值為9.8米/秒的環(huán)境中進(jìn)行。當(dāng)人類利用智慧脫離大氣層與重力的桎梏來到太空中，準(zhǔn)備在浩瀚的宇宙中一展拳腳的時候，我們不但要面臨科學(xué)技術(shù)上的阻礙，我們自己的身體還要與殘酷的宇宙環(huán)境進(jìn)行斗爭，而這些并不比開發(fā)出能進(jìn)行星際航行的飛船要來的簡單。

“在我上一次飛往空間站執(zhí)行159 天的任務(wù)中，我的骨量流失，肌肉萎縮，血液在體內(nèi)重新分布，這些使我的心壁緊張和收縮。更令人不安的是，我的視力出現(xiàn)問題，就像許多其他航天員一樣。我所接觸的輻射是地球上一個人的 30 多倍，相當(dāng)于每天大約接受了10 次胸部 X 光檢查，這種暴露會增加我在余生中患致命癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。”

這是美國宇航局航天員斯科特·凱利向媒體講述太空旅行對他身體造成的影響。

我們在地球上時，判斷一個東西是上還是下，最簡單的方法就是拋擲一個物體，它掉下來的方向就是下，另一邊就是上，一般不會有人對這個事情進(jìn)行細(xì)究。而在空間站里，由于航天員們處在微重力環(huán)境，他們無法通過拋擲物品來分辨“上”與“下”，空間站中的“上”與“下”的概念更多地是人為劃分，從而讓航天員們可以進(jìn)行區(qū)分與描述的。

“暈車”在太空

“Space adaptation syndrome”，簡稱SAS，它是一種發(fā)生在太空中的暈動癥（motion sickness），或者說是發(fā)生在太空中的“暈車”。

重力在我們的空間定位中起著重要作用。重力的變化，例如在太空航行期間向失重狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，會影響我們的空間方向感，并需要我們身體的平衡系統(tǒng)在其中發(fā)揮作用。只要這種適應(yīng)不完整，就會導(dǎo)致暈車（惡心）、視覺錯覺和迷失方向。

格爾曼·斯捷潘諾維奇·季托夫是蘇聯(lián)第二個進(jìn)入太空的航天員，也是第一個在太空中因?yàn)閲?yán)重的暈動癥而嘔吐的人，被認(rèn)為是第一個SAS患者。而目前已知的最嚴(yán)重SAS患者為美國載荷專家杰克·加恩。他在1985年執(zhí)行航天飛機(jī)STS-51的飛行任務(wù)中遭遇了極其嚴(yán)重的SAS癥狀，以至于后來美國宇航局開玩笑地使用叫做“加恩量表”來衡量航天員遭遇SAS的嚴(yán)重程度。

美國航天員加恩在太空執(zhí)行任務(wù)期間，幾乎完全無法適應(yīng)微重力環(huán)境，肌肉在太空中無法協(xié)調(diào)，前庭系統(tǒng)無法正常工作，無法判斷前方物體與自身的距離，在閉眼的情況下無法確定自己該往哪個地方飛行，飛多久才能觸碰到目標(biāo)物體，眼睛對物體的距離的判斷能力變差……訓(xùn)練有素的航天員基本上不會達(dá)到這種程度，并且這些現(xiàn)象往往會在3天之內(nèi)隨著身體的逐步適應(yīng)而逐漸消失。

但是這里需要澄清一點(diǎn)，加恩在飛行時的身體狀況一直很健康，并非是因?yàn)樯眢w健康問題導(dǎo)致的SAS，他在微重力模擬飛機(jī)上進(jìn)行演練時也沒有出現(xiàn)任何癥狀。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的蘇珊娜·努基對SAS現(xiàn)象進(jìn)行了研究。她使用戰(zhàn)斗機(jī)飛行員訓(xùn)練時使用的離心機(jī)，發(fā)現(xiàn)長時間在人體離心機(jī)中的高重力下的人會出現(xiàn) SAS 癥狀。要體驗(yàn)這一點(diǎn)，人們必須在離心機(jī)中度過一個多小時，并承受比地球高出3倍的重力。旋轉(zhuǎn)本身并不會令人十分難受，但在離開離心機(jī)踏上正常地面后，大約一半的測試對象會出現(xiàn)與SAS相同的癥狀。事實(shí)證明，在太空飛行期間患有太空病的航天員在地球上長時間旋轉(zhuǎn)后也會出現(xiàn)這些癥狀。這意味著這些癥狀其實(shí)并不是由失重本身引起，而是由于人體的平衡系統(tǒng)不適應(yīng)不同的重力環(huán)境引起的。

蘇聯(lián)第二個進(jìn)入太空的航天員格爾曼·季托夫

美國航天員杰克·加恩

努基將她的研究重點(diǎn)放在了人體中用于感受平衡的器官上。它位于內(nèi)耳中，包括對旋轉(zhuǎn)敏感的半規(guī)管和對線性加速度敏感的耳石。以前有人提出，左、右耳石功能之間的差異會導(dǎo)致航天員更容易生病。努基測試了這個耳石功能不對稱假設(shè)，對 15 名已知易患太空病的受試者測量了兩側(cè)的耳石和半規(guī)管功能。那些在旋轉(zhuǎn)后患有太空病的人被證明具有高度的耳石不對稱性和更敏感的耳石和耳道系統(tǒng)。不能僅根據(jù)這種不對稱性將這些人歸類為敏感或不敏感，而是可以根據(jù)各種耳石和耳道特征的組合來分類。這表明整個平衡器官都與太空病有關(guān)，并且它可能需要平衡器官各個部分之間的復(fù)雜相互作用。

即將前往國際空間站的日本富商前澤友作

當(dāng)一個人處于暈動癥狀態(tài)時，由于對空間距離的不明晰，在進(jìn)行精密的科學(xué)儀器操作時很有可能出現(xiàn)誤操作，導(dǎo)致機(jī)器損毀或者更嚴(yán)重的人員受傷的情況，這也是航天員一般要從有著較長的飛行時長的飛行員中選拔的原因之一。

如果不是一個職業(yè)航天員，比如世界上第一個通過商業(yè)手段進(jìn)入太空的人日本TBS記者秋山豐寬，并未進(jìn)行什么訓(xùn)練就進(jìn)入和平號空間站，在太空第一天就遭受了嚴(yán)重的太空病。一個普通人如果貿(mào)然進(jìn)入太空，有可能還沒來得及欣賞我們地球的美景就已經(jīng)暈在睡袋里了。

眼下又有一位利用商業(yè)手段將要進(jìn)入太空的日本人——前澤友作。他正在俄羅斯加加林航天員訓(xùn)練中心訓(xùn)練，今年12月將前往國際空間站。也許今后人類進(jìn)入太空的門檻會隨著商業(yè)航天的發(fā)展逐漸降低，但是除非是只在太空待那么一小會兒的短程旅游，否則扎實(shí)的太空基礎(chǔ)訓(xùn)練還是必不可少的。

經(jīng)過幾十年太空生理實(shí)驗(yàn)的積累，我們目前最好的防止太空病的方法就是服用茶苯海明、使用茶苯海明貼片（Draminate）或者類似可以抑制平衡系統(tǒng)活動的藥物。在航天員進(jìn)行艙外活動時，可以將它貼在自己的皮膚上。茶苯海明逐漸釋放進(jìn)血液中，抑制平衡系統(tǒng)的活動，能很大程度上減輕SAS的癥狀。

骨質(zhì)與肌肉的流失

俄羅斯加加林航天員訓(xùn)練中心

在我們的身體中，破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞互相作用，互相輔助，維持著人體骨密度的平衡健康，但是到了太空之中，本應(yīng)承受身體重量的骨頭、骨骼肌與背部肌肉不再進(jìn)行作用。

中國航天員在天和號核心艙準(zhǔn)備鍛煉

美國女航天員蘇妮塔·威廉姆斯在國際空間站使用帶有振動隔離穩(wěn)定系統(tǒng)的跑步機(jī)進(jìn)行鍛煉

在地球上，骨骼通過一個平衡良好的系統(tǒng)不斷脫落和再生，相互之間存在耦合關(guān)系。當(dāng)骨骼被分解時，新形成的骨層就會取代被分解的骨層，在我們的身體中形成動態(tài)平衡。然而在太空中，由于微重力，破骨細(xì)胞活動增加導(dǎo)致破骨細(xì)胞的活躍度快于成骨細(xì)胞，骨骼不再需要為運(yùn)動甚至保持身體姿勢提供支撐，結(jié)果造成很少或沒有應(yīng)力施加到骨骼系統(tǒng)，長期居住在太空的人會出現(xiàn)漸進(jìn)性骨質(zhì)流失。在地面上，長期臥床的病人們也會因?yàn)楣趋朗芰Σ蛔愣忌瞎琴|(zhì)疏松癥。

這種破骨細(xì)胞活性增加的作用在重力作用下承載最大負(fù)荷的區(qū)域，如骨盆、脛骨、足部區(qū)域表現(xiàn)得尤為明顯，而從骨頭中流失的鈣會進(jìn)入體液循環(huán)，而身體中的血漿在經(jīng)過腎小球時鈣離子會逐漸沉積在腎臟，腎結(jié)石的風(fēng)險(xiǎn)大大提升。

而關(guān)于肌肉，在太空中所減少的肌肉，美國宇航局的文件中把它們稱為“antigravity muscles”，即對抗重力的肌肉，比如小腿肌肉、四頭肌、背部和頸部的肌肉，這些肌肉在地球上支撐著我們站立，而由于沒有了重力，這些肌肉在太空中幾乎不會收縮，沒有定期的鍛煉，這些肌肉就會變得衰弱和退化。這是一個萎縮的過程。

研究表明，航天員在持續(xù)5天～11天的太空飛行中肌肉會減少20%。這對航天員來說是十分危險(xiǎn)的，因?yàn)檫@意味著他們可能無法對抗返回地球時所面臨的地球引力的作用。盡管航天員返回地球后肌肉質(zhì)量和力量可以恢復(fù)，但在太空中保持肌肉是一個令人擔(dān)憂的問題，尤其是在長期太空任務(wù)中。在太空中減少肌肉萎縮的唯一方法是高強(qiáng)度的運(yùn)動，特別是力量訓(xùn)練，并結(jié)合適當(dāng)?shù)娘嬍场?/p>

由于骨量逐漸減少而導(dǎo)致骨骼變?nèi)跏茄娱L太空飛行的一個嚴(yán)重隱患。對在和平號空間站度過數(shù)月航天員的研究表明，太空旅行者每個月可能會損失 1% 到 2% 的骨量，當(dāng)然，并非沒有辦法來緩解，最直接的辦法就是服用維生素D、雙膦酸鹽、鈣片，并在空間站里進(jìn)行鍛煉。對在太空中無法受力的肌肉與骨骼進(jìn)行刺激，比如太空自行車與跑步機(jī)、拉力帶、阻力器等等，這些手段被證實(shí)是十分有效的。國際空間站上的航天員每天花兩個半小時鍛煉，以對抗肌肉萎縮的影響。

天空實(shí)驗(yàn)室第四組航天員使用了太空跑步機(jī)進(jìn)行鍛煉，其效果十分顯著

在太空中待了上百天的航天員回到地面后還會出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)o法適應(yīng)重力的情況。他們剛返回地面時，會被人抬著進(jìn)行移動。

全身體液再分配

在重力的作用下，血液和其他體液被拉向下半身。在太空中，當(dāng)重力消失時，血液往往會聚集在上半身，導(dǎo)致面部和上半身的浮腫等，而身體會進(jìn)行適配，使身體的狀態(tài)達(dá)成一種新的平衡。這時候你會發(fā)現(xiàn)，航天員們在太空中總是呈現(xiàn)浮腫。

中國航天員王亞平在地面上和在空間站的對比圖片

航天員在回到地球后，血液再次開始在下肢聚集，導(dǎo)致體位性低血壓，有點(diǎn)類似于你早上起床時突然一起身，或者蹲久了突然站起來的感覺，但是身體會慢慢恢復(fù)正常。在太空中，航天員的血液量也會減少，血液量減少使得心臟跳動力度低下，并誘發(fā)低血壓。航天員在進(jìn)入太空時不會感到體位性低血壓，但在重返大氣層和著陸后，會明顯感覺到血液回流到下半身，頭部的血壓突然降低，于是頭暈?zāi)垦＃粫r之間無法適應(yīng)直立行走。

人類腿部就像一顆小“心臟”，會把下肢的血液向上輸送至心臟，從而維持血壓，而下肢肌肉收縮是促使靜脈血液向心臟流動的重要條件，所以，下肢靜脈又被稱為“第二心臟”。但是在太空中沒有可以刺激下肢靜脈的活動，因此靜脈中的那些微小肌肉很少使用。重新返回地表后，這些肌肉再次被調(diào)動起來，但它們暫時“忘記”了如何收縮，即它們暫時無法將血液推回心臟和大腦。在長時間的太空飛行后，這種影響更加嚴(yán)重。而這個現(xiàn)象也是因人而異的，一些航天員幾乎沒有受到影響，而另一些人則感到頭非常暈。大約20%的短期太空旅行者和83%的長期太空旅行者在重新進(jìn)入或著陸后會出現(xiàn)癥狀。不過并不會有后遺癥，在著陸后進(jìn)行康復(fù)治療即可恢復(fù)正常。

腿部的血管十分密集，為了將靜脈血重新泵回上半身，下肢靜脈也需要發(fā)力

失重長高帶來的疼痛

人類大約在25歲之后，因?yàn)榧怪凶倒侵g的海綿狀椎間盤收縮，導(dǎo)致骨骼靠得更近，人的身高會逐漸降低；40歲以后，背部開始向前彎曲。從20歲到70歲，女性可能會縮小約5厘米，而男性可能會減少約2厘米。在地球上，我們的脊椎骨之間由于重力的壓縮，之間貼合得十分緊密，而在太空中，因?yàn)椴辉儆兄亓肯蛳峦茐杭怪繉ψ倒侵g的間距略有增加，導(dǎo)致脊柱更長，從而使航天員“長個兒”。在過去的美國太空飛行中，超過三分之二的航天員報(bào)告背部疼痛。這種背痛可能與脊柱的伸展有關(guān)。在過去的太空任務(wù)中，進(jìn)行脊柱測量，發(fā)現(xiàn)航天員的身高比地球上的身高最多能增加6～8厘米，并且正常的脊柱曲線變平。

在不同重力條件下的脊柱間伸展情況示意圖

脊椎之間的間隔變大導(dǎo)致肌肉受到拉扯導(dǎo)致航天員出現(xiàn)背痛

這種疼痛，美國航天員克萊頓·安德森把它形容為一種類似于肌肉拉傷的疼痛。他的做法是通過手撐著“天花板”，腳踩著“地板”來雙向受力，努力讓脊柱恢復(fù)地面上的狀態(tài)，緩解因?yàn)榧∪饫鞄淼谋惩础Ｖ档米⒁獾氖牵@種疼痛可以使得航天員們可以在睡夢中醒來。

味覺的改變

味覺的改變就像每個人對食物的品味不同一樣，無法具體描述出來這種變化。一個航天員本來在地面上很愛喝咖啡和茶，但是在太空里嘗起來完全是另外一個味道，導(dǎo)致他返回地球之后對這個東西有了心理陰影，不想再去碰它，哪怕他的味覺又恢復(fù)到了正常。

航天員在太空中味覺會發(fā)生變化的主要理論依據(jù)之一是許多航天員在太空中會感受到“頭悶”。在微重力環(huán)境下，通常聚集在腿部的血液會均勻地分布在全身，這會導(dǎo)致航天員覺得他們感冒了。這種鼻塞感會影響航天員的味覺。當(dāng)你感冒的時候，可以稍微留意一下，感冒前所喜歡的食物的味道會否因?yàn)楦忻岸l(fā)生變化，如果有的話那應(yīng)該和一些航天員的感受相似。

視力的改變

根據(jù)美國宇航局贊助的一項(xiàng)研究，持續(xù)6個月或更長時間的太空飛行會導(dǎo)致航天員的眼睛和視力發(fā)生變化。該研究深入檢查了7名航天員，發(fā)現(xiàn)他們所有人的眼睛結(jié)構(gòu)和視力都出現(xiàn)異常。最常見的結(jié)構(gòu)變化是眼球后部變平，視網(wǎng)膜、眼睛后部的感光區(qū)域和視神經(jīng)也發(fā)生了變化，并且一些航天員在返回地球后，這些變化仍然存在了很長時間。

一種理論認(rèn)為，在7名航天員身上發(fā)現(xiàn)的異常是由于長時間生活在微重力條件下而導(dǎo)致的液體向頭部移動造成的。根據(jù)美國眼科學(xué)會的專家學(xué)者的研究，航天員們視神經(jīng)和眼部變化可能是長時間暴露在微重力下引起的頭側(cè)液體轉(zhuǎn)移所致。因?yàn)轶w液的重新分布，體液在頭部聚集，引起顱內(nèi)壓升高，壓迫了航天員的視神經(jīng)。根據(jù)該學(xué)會在2011年10月發(fā)布在其雜志《眼科》的論文，其中總結(jié)了航天員們填寫的300 份的視力調(diào)查記錄，分別有大約 30%執(zhí)行短期任務(wù)的航天員和60%執(zhí)行長期任務(wù)的航天員出現(xiàn)視力下降，前庭眼反射出現(xiàn)變化。其中一些視力變化在飛行多年后仍未解決。

還有一個問題，就是空間站中的灰塵、金屬碎屑、塑料碎片，甚至航天員自己的頭皮屑和皮膚碎屑等并不會“掉在地上”，而會漂浮在空中，有時會直接碰到航天員的眼睛，造成眼部感染。

以上這些不良反應(yīng)都是由失重環(huán)境帶來的，但這些還只是人體在失重環(huán)境中面臨的挑戰(zhàn)中的一部分。除此之外，宇宙輻射所帶來的癌癥風(fēng)險(xiǎn)也是不可預(yù)料且無法計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)。

航天員是值得尊敬的。他們作為人類的先行者進(jìn)入宇宙，用身軀探索未知，將勇氣與堅(jiān)毅銘刻于星空之上。在此文最后，讓我們向航天員們致以最崇高的敬意。