航天英雄们请问空间失重环境对人体健康有多大影响?
1.环境因素
宇宙空间是不适合人类生存的极端恶劣的环境,下面的一些因素是不利于航天员的健康的。
辐射 地球外层的辐射环境包括电磁辐射和电离辐射。一般来说,电磁辐射(如无线电波、微波、红外、可见光、紫外光等)贯穿物体的能力很差,对人体伤害较小;电离辐射可以直接或间接地使物质电离或激发,贯穿物质的能力很强,使物体材料及生物细胞受到损害,对载人航天有较大的影响。载人航天的实践证明在近地球轨道较短时间的飞行,若没有太阳斑的发生,谨慎地计划好发射的时间,辐射对航天员的危害不大,在航天中所监测到的航天员辐射计量远远低于为航天员制定的个人计量限值。同时,在400km的低轨道飞行时,太阳质子事件也不会引起航天器舱内辐射剂量率的增加,因此目前的近地球轨道飞行辐射,对航天员健康影响不大。但是,在今后的星际航行中,航天员在太空中停留时间长,宇宙射线辐射剂量增加,加上失重对人体的影响更大,辐射和失重复合效应将会危害到航天员的健康,甚至生命。
在已经过去的40多年载人航天中,由于空间辐射测量和实验条件的限制,只是初步地测量了航天员飞行中所遇到的辐射剂量及在植物中进行了一些生物学效应实验,很多辐射的生物学和医学问题还没有深入研究和解决。今后随着星际航行任务的到来,空间辐射对人体的影响将成为航天医学研究的重点。
大气环境 近地大气环境为人类的生存提供了必要的氧气、温度、压力环境,并可以防止辐射和微流星体对人体的危害。航天时,载人航天器多在200~500km的空间飞行,在这个范围内,大气的环境为真空状态,温度可高达1000°C以上,这种恶劣的环境是不适合人生存的。但是,由于在航天器中设计了一套完整的航天器环境控制和生命保障系统,它提供了一个符合人体要求的压力、气体浓度和温度的大气环境,可以确保航天员在舱内和舱外活动时的安全、健康和高效工作。所以,从目前来看,航天大气环境对人体危害的防护问题基本解决。
振动 载人航天中,振动伴随着航天的整个过程。在航天器的上升阶段,振动主要是由于火箭推进系统和气动力产生的,振动的强度很大;轨道飞行阶段,振动是来自于环境控制与生命保障装置的动力系统,由于航天员这时处于微重力的“悬浮”状态,直接接触到振动的机会大大减少,所以振动对航天员的影响很小;在航天器的返回阶段,除了受到返回过程中的气动与气动力产生的振动外,当飞船溅落到水面,航天员也会受到水中振动的影响,此阶段的振动强度也很大。
失重飞行期间的振动对航天员没有什么影响,在上升段和返回段,振动作用时间相对较短,在航天器的设计中采用了减振设计,控制了振源和振动的传播途径,同时配备了个人防护装具和采用了其它防护措施,所以这两个阶段的振动对航天员的健康和工作也不构成很大的危害。
噪声 航天噪声的产生与航天振动的产生相似,也分为三个阶段。上升段的噪声是由火箭发动机所产生的喷气噪声及通过大气层附面湍流所造成的空气动力噪声,“阿波罗”飞船在发射后60s时噪声最大,舱外噪声约为162db,舱内座椅处为125db。轨道段的噪声主要来源于生命保障系统的设备、电子设备及姿态控制推力设备,轨道段的噪声小,持续时间长,在地面容许水平内。返回段的噪声是由于附面层的湍流产生的动力噪声,其声压级与发射段最大动力区噪声相当,只是高强度噪声保持较长一些时间。在航天中,由于对航天器舱内噪声规定了限值要求,并对航天员采取了良好的个人防护措施,因此航天噪声对航天员的影响是很小的。
乘员舱的化学污染 载人航天器的乘员舱是一个典型的密闭环境,舱内存在着有害的化学污染物质,它的主要来源是人体的代谢产物,舱内非金属材料的脱气和热分解产物,舱内仪器设备运转时释放的或设备系统故障时泄漏的物质。在正常飞行条件下,航天器舱内的环境控制与生命保障系统可以使污染物不致超过允许水平,40多年的载人航天实践表明这个系统的设计是成功的,没有发生过重大的毒理学问题。
上述几种因素都是危害人体的因素,但是在太空中,航天员是生活在航天器的舱内,这种密闭的舱体将人与宇宙空间隔离,舱内有效的环境控制和生命保障系统,为航天员创造了一个较舒适的生活和工作环境,因此除星际航行时的辐射问题外,其它因素对航天员健康无明显的影响,影响人体最大的是重力的改变。
超重 航天器在发射和返回的过程中,由于加速度的关系,出现了超重现象。通常采用G值的方法来表示。如果一个50公斤的人在1G的环境下他的体重是50公斤,在2G的环境中就成为100公斤,3G的环境是150公斤。过高的G值对人体是有害的,甚至致命。早期的火箭超重值是7~8G,新式火箭已降低到不超过5G。近年来由于推进技术的发展,航天飞机发射时的峰值可控制在3G 水平。正常返回的最大再入过载为+4Gx~+5Gx。航天飞机再入返回时,乘员遇到的是+Gz方向的超重作用,过载不大于3G。在发射段这种超重作用对人体影响不大,航天员都能忍受。但是,经过一段失重飞行,航天员心肺系统调节能力下降,航天中的超重对人体还是有些影响的。
失重 在太空环境中,其它对人体有影响的物理因素都可以通过飞船座舱的设计和有效的生命保障系统加以克服。但失重这个特异因素却是人在地球上所未遇到过,而且长时间地作用于人体,它对航天员健康的影响也是最大的。
2.心理因素
心理障碍的表现 随着载人航天事业的不断发展,人在太空中停留的时间越来越长,现在已吹响了向火星和其他星球进军的号角,这意味着人至少要在太空中停留两年以上。随着飞行任务的复杂化,乘员不断增加,也会导致空间站乘员人际关系和心理状态越来越复杂,处理也越来越困难,从而造成航天员的心理障碍,影响航天员的工作和健康。因此,航天医学家们认为影响长期载人航天的三大要素是失重、辐射和心理。
什么是航天员的心理障碍呢?这是由于航天员在太空飞行时,长期处在与世隔绝的太空中,密闭狭小的座舱、静寂无声的太空环境、规定好的交际方式、与地面有限的联系及失重所造成的不适感,使航天员产生了一种被遗弃的感觉,他们出现了一系列的心理问题如忧虑、厌倦、抑郁、思念亲人、人际之间关系紧张等。这些心理反应如不克服,将会影响到航天员的健康和工作。从载人飞行以来,最长的飞行时间是一年,在飞行中美国和前苏联都采用了多种措施来防止心理障碍的发生,使心理学问题没有严重地影响到航天任务的完成,但飞行中仍出现心理障碍,主要表现在思乡病、恐惧症和人际关系等方面。心理障碍对航天员的健康和工作效率也有影响,尤其在长期航天中的影响更大。据有关人员说,不管事先心理准备如何,经过何种选拔和训练,飞行30天后乘员之间可能产生敌意。一名前苏联航天员在谈体会时说:“太空的共同飞行不会是宁静的,我们在飞行中会有意见分歧,甚至对我的同事极为恼怒。但在失重状态下站立不稳,想打人都很困难,有时即使感到灰心丧气也没办法,只觉得非常疲劳,常不知为哪件事会引起争论。”
美国和前苏联飞行的经验表明敌意不仅限于航天员之间,航天员与地面控制人员之间也会发生争吵。航天员有时故意不接受地面人员的指挥,而想自由飞行;有的需要安静地呆一会儿,不喜欢地面人员不断地打扰他们;他们有时掩盖自己的情绪和反应,当爆发时,则将怒气发泄到地面人员身上,以减轻他们的烦恼。这种情绪常有周期性的变化,时好时坏。
飞行中的心理障碍常常影响到航天员工作情绪,甚至飞行任务的完成。例如地面指挥站需要德国航天员克雷蒂安在“和平”号飞行中进行一系列的生理功能测试。测试实验时,需要安装一些仪器,这名航天员抱怨实验太复杂,他在飞行报告中说他要花2.5小时来安装这些仪器,复杂的实验使人觉得像实验动物一样,如果“和平”号上窗开着,他将把这些装置扔出去。此外,美国“阿波罗—9”号的航天员在飞行中发生过激烈的争论,最后通过协商较好地解决了不同看法,取得一致意见。但是“阿波罗—13”号上的航天员却争论得很激烈,并和地面指挥人员也发生争执,以至航天员们坚持在飞行中停止一天工作,专门解决他们之间的分歧。航天员的这种心理障碍直接影响到任务的完成。地面指挥人员为了避免争论扩大,造成不良的后果,曾想让他们提前返回地面。虽然最后他们是按原计划的日期返回,专家们仍认为这是一次由心理障碍造成的“失败的飞行”。
美国的哥伦比亚号航天飞机失事后,在国际空间站的三名航天员不能按时返回。对于航天专家来说,最担心的不是物资的补充,因为俄罗斯的“联盟号”货船已经送上去的物品足够航天员们在太空再停留一年。他们最担心的是航天员是否能够承受长期飞行的心理压力。因为这些航天员在地面进行的是短期飞行的心理训练,而没有进行长期飞行的心理训练。在2005年5月,美国的NASA就进行了航天员在太空长时间的生活与工作是否和谐的模拟测验,测验的结果表明航天员在地面有限的空间中长期生活和工作在一起,相互关系容易变得十分紧张,他们很难创造和谐的工作和生活的气氛。美国NASA的航天心理学家认为如果让3名国际空间站的航天员在空间站呆上一年,最可怕的莫过于心理健康,航天对他们最大的心理压力是对死亡的恐惧,当他们想到与真空的太空相隔只有一层薄薄的舱壁,随时都可能出现流星撞击飞船、氧气爆炸、太阳能帆板失灵、航天员突发心脏病等,这些都会使航天员产生恐惧的心理。
因此,人类在征服宇宙的过程中,不仅要解决动力、运输方面的问题,也要解决航天员社会心理学方面的问题。如果人类能利用心理学方面的知识,使空间站中航天员的人际关系和心理健康都处于最佳状态,人类征服宇宙的能力也将随之推进一步。
失重是航天飞行中的一个特殊物理现象,载人航天实践证明,失重对人体的生理功能有很大影响,但不像原先想象的那样严重。 生物在长期的进化过程中,形成了与地球重力环境相适应的生理结构与功能特征,但进入太空后,由于地球重力作用几乎完全消失,生物有机体处于一种失重状态。人类40多年的航天实践表明,微重力环境对宇航员的健康、安全和工作能力会产生重要影响,中长期被过滤广告被过滤广告航天飞行可导致宇航员出现多种生理、病理现象,主要表现为心血管功能障碍、骨丢失、免疫功能下降、肌肉萎缩、内分泌机能紊乱、工作能力下降等。 失重可引起心血管功能的改变。失重时人体的流体静压丧失,血液和其他体液不像重力条件下那样惯常地流向下身。相反,下身的血液回流到胸腔、头部,可引起宇航员面部浮肿,头胀,颈部静脉曲张,鼻咽部堵塞,身体质量中心上移。人体的感受器感到体液增加,机体通过体液调节系统减少体液,出现体液转移反射性多尿,导致水盐从尿中排出,血容量减少,血红蛋白量也可相应减少;还可出现心律不齐、心肌缺氧以及心肌的退行性变化,并出现相应的心脏功能障碍,如心输出量减少、运动耐力降低等,返回地面后对重力不适应而易于出现心慌气短以及体位性晕厥等表现。这些可严重影响人体健康和工作效率,因而成为中长期载人航天飞行的一大障碍,也是迫切需要解决的航天医学问题。随着航天飞行的时间延长,心血管功能可在新的水平上达到新的平衡,心率、血压、运动耐力以及减少的血容量和血红蛋白可逐步恢复到飞行前的水平。 长期失重会引起人体的骨钙质代谢紊乱。人体失重后,作用于腿骨、脊椎骨等承重骨的压力骤减,同时,肌肉运动减少,对骨骼的刺激也相应减弱,骨骼血液供应相应减少,在这种情况下,成骨细胞功能减弱,而破骨细胞功能增强,使得骨质大量脱钙并经肾脏排出体外。骨钙的丢失会造成两个后果:骨质疏松和增大发生肾结石的可能。失重所导致的骨丢失随飞行时间的延长而持续进行,而且这种骨质疏松一旦形成,回到地面重力环境下也难以逆转。俄国宇航员在和平号空间站上曾试验多种对抗措施,如每天2小时的跑台运动,穿企鹅服给以人工加载及服用特殊药物等,但未能完全解决问题。目前这仍然是航天医学需要解决的难点问题。 长期失重还可引起对抗重力的肌肉出现废用性萎缩,宇航员在长期的航天飞行中加强肌肉锻炼可以延缓这种肌肉萎缩,回到地面重力环境中后,进行积极的肌肉锻炼可以逐步使肌肉萎缩得到一定的恢复。
人类在太空生活中要面临一些问题,人体要发生很多变化,让我我们来看一看有些什么:人类适应力的限度
人类具有适应环境的本能,如安底斯山脉和我国西藏地区的山脉都在海拔3000米以上,这里的居民已经习惯呼吸含氧量低的稀薄空气。据研究,当地居民每1立方毫米血液中含红血球只有50~100万个(平原地区居民为450~500万),每100毫升血液中含血红蛋白5克,这是长期适应低氧环境的结果。但人的适应力是有限度的,超过限度就会死亡,如从平地骤然快速升入6000米的高空,那里只有0.5个大气压,超过这个限度就有意识丧失、休克等生命危险,当达到9000米高度时,停留在1分30 秒,意识就会完全丧失。因此,喷气式战斗机驾驶员一定要戴氧气罩。但仅有氧气还不够, 还必须有一定的气压。因为氧气只有通过肺泡膜才能溶解到血液中,送往全身,而通过肺泡膜必须有一定气压才能实现,否则身体血液及组织中仍然缺氧。
在7500米以上的高空,气压只有280mmHg(毫米水银柱),会出现各种减压症,比如腹腔内气体膨胀,引起腹痛甚至休克,神志不清,接着气体在组织内发生气化膨胀,造成关节和神经麻痹;当高度达到12000米以上时,即使吸入100%的纯氧,肺泡里的氧分压也低于60mmHg;到19000米时,气压只有47mmHg,虽然吸入纯氧,但因为肺泡内已经充满饱和水蒸气和二氧化碳 ,因此氧气不能被吸入肺泡,人必然会死。当气压降到47mmHg以下时,处于37℃的饱和水蒸气压与体温37℃的体内饱和水蒸气压相等,体液就会沸腾起来。我们知道人体重量的70%是水分,如果这些水分全部沸腾蒸气,人就会以破裂而告终。
太空的环境比这还要恶劣得多。首先是没有空气,人呆几秒钟就会死去,加之气压为零,人就像上述所说的那样会变成破气球;其次是温度高,白天最高温度达130℃,夜间最低温度只有零下146℃;此外,宇宙间到处充满了致死量的紫外线和宇宙线,一瞬间就可以杀死人的基因和细胞。
太空晕动症
人在太空飞行时处于失重状态。在失重状态下出现的第一位问题就是太空晕动症,每两名宇航员中就有一人患此症,表现为面色苍白、出冷汗、呕吐,像晕船一样。因此首先要对宇航员进行旋晕适应能力的检查,这种检查绝不像一般人所想象的那么简单,因为在地面上即使经过严格训练,被认为是完全不会旋晕的宇航员,当他在太空“飘”起来时,立刻就会发生晕动病。因此,学者们认为这种太空晕动症与晕车晕船的机制有所不同。
目前乘车船晕的机制还不完全清楚,比较有根据的是感觉紊乱学说。概括来说就是人姿势要靠大脑综合位于内耳的前庭器官以及由眼睛、皮肤、肌肉、关节而来的信处来保持,其中前庭器官中的平衡砂最重要,而在失重状态下,原来能够达到重力的平衡砂出现异常,因而与位置有关的信息便不能在大脑进行综合,所以引起紊乱。而晕车晕船则是与前庭器官内三个不同方向的半规管异常有关。
太空晕动症不是什么重病,五天后身体适应了症状就会消失,但它对人体会不会引起不可逆的损害,目前还不很清楚。也就是说,关于人类在太空长期停留的医学和生理学方面的资料几乎还没有。
心血管系统也有变化
目前学者们对失重状态下心脏及血液循环系统机能低下问题比较感兴趣。在失重时物体没有重量,身体内的血液及其它体液就会涌向头部和胸部,与在地面时相比增加了2升,结果宇航员的头、颈部明显肿胀,心脏的搏出量也增加,疲劳过度、很快就会心力衰竭。但也有人认为,由于血液涌向上部,心脏体积将缩小10%,并且到达地面后一年才能复原。
除此以外,宇航员血液中的红血球将减少15%,这种减少的高峰大概持续40天,之后缓解,3 个月恢复正常,因而这种变化还属于对宇宙空间的适应性。但另外还有一类不属于适应性的范畴,其中最危险的就是体内钙的减少。
钙不断地在减少
钙是人体生命活动必不可少的元素。人进入太空后的第一个月失去6克钙,相当于体内总钙量的0.5%,如果这样持续地丢下去而得不到补充,那么8~9个月后再用任何方法补钙都无济于事。假若持续15个月缺钙,就会有生命危险。此外肌肉退化也是问题。
缺钙的原因目前认为是与激素有关。人体在异常情况下有一种保持平衡的反应,称为“内环境稳定”,而在失重情况下,正如前面谈到的体液分布平衡失常,因而“内环境稳定”受到破坏,其结果必然造成激素分泌异常,因而“内环境稳定”受到破坏,其结果必然造成激素分泌异常,以及钙、钠等电解质发生紊乱,从而引起全身各部分连锁反应,发生异常。 目前日本学者已经提出了一种独特的测定方法。采用这种方法,只要分析呼出的气体成分变化就可以精确地了解体内呼吸、循环、代谢、体温等多方面的变化。这种设备轻便,约20公 斤,适合在宇宙空间携带。
有可能产生新人类?
上面主要谈的是宇宙空间对人体的不良影响,下面谈谈宇宙对人体的好处。据研究,在宇宙 ,人的神经知觉和能力都有增强。如宇航员曾从空间捕捉到加勒比海上船的航路并且进行了拍照,但底片上却没有船的痕迹,当时还以为是一时的幻觉,但后来经过调查,在拍摄当时 ,那个地方确实有船在行驶。据宇航员J·欧文说,他从空间归来后感到头脑变明晰了,感知敏锐,精力也更加充沛了。阿波罗14号的宇航员E·米切尔为了证实一点,还在宇宙飞船和地球间进行了精神感应(telepathy)试验。
今后人类进出空间所遇到的最大问题是:人类在空间时脑和思维将发生什么变化,或者说人脑怎样适应空间环境。因为如果设置一个这样的环境:空间狭窄,空间以外一片漆黑并且只用细绳与地球相连,那么人在这样的环境内不可避免就会有孤独、生疏感和恐怖不安的情绪 。
宇宙空间站是一个空间狭窄、约有数十人的微型社会,因此地面上人与人之间的关系问题在这里同样存在,并且关系更加直接和密切,而且这里也没有什么消遣解闷的娱乐场所,因此,人的情绪与在地面有所不同。再一个问题就是应付自动化装置的能力,在宇宙空间站可能到处是自动装置,而人类还不具备与这些自动仪器直接进行“对话”的能力,而当能够圆满地适应宇宙空间各种自动仪器以及无重力的狭窄空间的人也可能已经不是一般意义下的空间人 了。因此,科学家们推测:占领空间的第一代人在那儿所生育的第二代、第三代,具有与地球上孩子不同的生理特点。首先,直立行走的功能可能会退化,由于形体变了,估计意识也会随之有较大的变化,这样就有可能出现新的人种。
阿波罗9号的宇航员R·斯韦卡特曾说过:“环境的多样性对保持物种健全的生命力是必需的 ,尤其是恶劣和不稳定的环境。而地球上的人类环境是稳定划一的,那么处在这种环境下的物种就会退化,甚至总有一天会因某种原因而绝种。”美国陆续出现热气流致死人命的事实 ,就是因为人靠自身能力调节体温的能力下降了。
因此有人预言,人类定居空间这个恶劣的环境后,将有可能以一种新种的形式顽强地发展下去。
自古以来,人们一直幻想着在太空中建造琼楼玉阁,幻想着在地球外的仙境中生活和居住。在古书中也常有嫦娥奔月等神话传说。
那么在地球上生活的人类到底能否在太空中生活?这个问题从载人航天任务一提出,就成为航天科学家们所追求的最终的目标。众所周知,人类在太空中处于失重状态,这种状态是人们在地球上无法体验到的。它对人体的体位感觉和运动都有很大影响。生活在地球上的人,由于受地心引力作用可以分得清上下、左右、前后。可是到了太空中这种概念就不存在了。人在空中不会掉下来,要行动就是漂浮状态。太空中无重力,也无上下之分,航天员在舱内不知道自己是站着还是躺着,他们常常忘记了自己手脚所在的位置,尽管心里明白,但他们还是觉得手脚不知去向,他们也时常产生跌入无底深渊的感觉。
因此,要想在太空中生活,最关键的是要解决人类适应失重环境。在载人飞行前,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。为保险起见,人类在载人飞行前就进行了一系列的生物失重飞行实验。前苏联和美国曾将小狗、猴子、大白鼠、黑猩猩送入太空,发现失重并非像一些人预料得那样可怕,失重似乎不会对生物造成太大的损伤。于是在1961年4月12日将前苏联航天员加加林送上天,开辟了载人航天的飞行史。
但要想让人适应失重的环境需要有段时间适应。科学家们通过对每次飞行的研究,将人进入太空生理系统的变化分为三个适应阶段:初期反应期、适应形成期、适应巩固期。通过三个阶段的适应后,人们还必须要进行一定的措施如体育锻炼来增强人体肌能,提高生理系统的适应性。
在太空中,除失重外,还有其它因素如辐射、大气压力变化、多种有害气体也对人体有影响。此外,人类要想在太空中生活还要面临成家立业、生儿育女等许多问题,以及心理健康的问题。从前几次人类在太空的飞行中就产生了思乡病、恐惧症、人际关系紧张等心理变化,如果长期在太空,人的心理障碍会更加明显。因此人类最终能否实现在太空中生活这一愿望,还有待于科学家今后飞行的研究结果。
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