载人火星考察与航天医学

　　目前，美国航空航天局的2个火星登陆器已经成功登陆并且开始科学考察。美国航空航天局雄心勃勃的目标是要将宇航员送上火星进行人类实地考察，这样得到的成果的价值是目前机器人获得的信息所无可比拟的。如果得以实现，这将是人类科学发展历史上的又一次壮举。但是人类进入太空完成长期科学考察需要解决一系列极其困难的问题。NASA计划在未来10年内解决基本问题。目前，要解决的科学问题已经比较明确，大量有关宇航员在太空中生存的研究正在紧张进行。本文介绍其中和航天医学有关的情况。

　　太空医生的担忧――细胞战争

　　在微重力或失重情况下长期太空旅行，如果没有保护措施，人体肌肉会萎缩、骨骼会软化、基因会被破坏。人体靠免疫系统消灭入侵(通过食物或呼吸摄入以及肠内寄生)的微生物。图一展示人体免疫细胞的分泌物消灭细菌。图二展示小的T细胞(箭头所示)破坏流感病毒。在太空中，人体免疫系统的行为改变，将导致免疫B细胞抗体释放减少，T细胞识别病原体和活动能力降低，也就是说人的抵抗力将下降。过分紧张会释放使免疫功能降低的激素，宇航员在飞船着陆或起飞时就会出现这种情况。在太空中，宇航员唾沫中病毒的数量会增加。

　　拥有100多名研究人员的约翰逊太空中心生物技术研究项目组设计了一种血管壁生物反应器，图3所示是其不包括其他支撑设备的核心装置。其大小相当于易拉罐。它以每分钟14转的速度缓慢旋转，能够在几个月的连续自由落体运动中使细胞保持悬浮状态，并且在液体环境下使得翻转的细胞尽快朝地球方向下落。其作用是考察低重力对免疫细胞的影响。该生物反应器实际上是能够培养一个细胞厚度的细胞培养器，用于了解癌症、传染病以及其他疾病的机制。它可以使填充到细胞中的液体发生旋转，抵销多数低重力影响并促使细胞以自然方式生长。这种微环境能够研究细胞复制时产生的蛋白质、纤维以及其他化学物质的复杂构成，了解细胞应该如何成形以及对细菌、创伤的反应。地面测试产生的细胞三维组织样本接近于自然生长。

　　防止高能宇宙射线伤害的纳米机器人

　　在太空航行的宇航员离开了地球磁场的保护伞，高能宇宙射线就成为宇航员的致命杀手。它能够破坏DNA(图四)，使得它们的行为异常，有可能导致癌症。太空辐射粒子就像极其微小的炸弹将分子炸碎。深层太空的宇宙射线比地球附近太空的宇宙射线更具有破坏性。为了避免宇宙射线的伤害，首先考虑的是利用能够吸收宇宙射线的屏蔽装置，而能够防高能射线辐射的最佳物质是氢。但是科学家指出，不能利用纯氢进行屏蔽，必须寻找包含大量氢的物质，例如包含一个碳原子和两个氢原子的聚丙烯，也就是我们通常所说的塑料。水含有一个氧原子和两个氢原子，也是很好的屏蔽物质。但是水太重难以携带，其结果是飞船的发射费用十分昂贵，而且使飞船的着陆难度和复杂性增大。要做到完全屏蔽高能射线，氢屏蔽装置的厚度需要2米，其重量和体积都是不可行的。但是科学试验表明了一个奇怪的结果，屏蔽30～35％宇宙射线的装置只需要5至7厘米的厚度，这是目前可以考虑的最佳选择。对于其余70％宇宙射线的屏蔽，科学家将另辟蹊径，寻找其他解决方案。如维生素A和c这样的抗氧化剂，能够在射线产生危害以前吸收射线产生的粒子。

　　科学家还在寻找另外一些途径，能够在人体遭到伤害以后使得受损害的异常细胞自行消灭。而有的科学家正在仔细研究细胞的生命周期。在它分裂的时候让它暂停一下，检查其受到何种破坏并自行修复。

　　科学家正在研究的一种高技术手段是所谓纳米微粒、纳米胶囊、纳米机器人或者“纳米外科医生”。这种大小从几个纳米到数百纳米的“纳米级机器人”远比细胞或细菌小，甚至比可见光的波长还短小。它们能够在血流中作任何方向的自由翻动和发现有病的细胞，并渗透细胞膜注入准确的药物剂量。图五是纳米机器人工作的示意图。NASA已经正式启动纳米胶囊的研究项目。数以百万计的纳米胶囊经皮下注入体内以后，利用人体细胞的天然信号系统寻找遭到辐射破坏的细胞。当细胞被宇宙射线辐射破坏以后，产生特殊种类的称为CD－95的蛋白质。这种蛋白质成为存在于细胞外表面的标记物。将分子植入纳米微粒外表面并且和CD-95结合以后，科学家可以为纳米微粒编制寻找受辐射破坏细胞的“程序”。如果辐射破坏非常严重，纳米微粒将进入破坏的细胞，并释放能够使细胞启动自我破坏程序的酶，这一过程称为细胞凋亡(apoptosis)。否则，纳米微粒将释放DNA修复酶修复细胞，使它们恢复正常功能。人类和其他有机体均具有和DNA亲和的并能够修复错误的酶。

　　有一些有机体吸收高辐射剂量的能力更强。科学家已经能够合成被纳米微粒释放的DNA修复酶。

　　纳米胶囊对癌症治疗有巨大潜力。它能够在灭杀癌细胞的同时，避免了通常化疗产生的破坏性副作用。纳米机器人的种类可以说形形色色。其结构将越来越复杂，可以包括天线、图像获取、电池、控制引擎等。

　　宇航员的保健

　　1和失重作斗争

　　宇航环境和地球环境最大的不同是失重。重力是一种信号。它规定身体内部应该如何工作，包括肌肉、骨骼和血液。失重对宇航员的健康有严重影响。在深层太空，人的肌肉萎缩很快，因为身体感觉到不需要它们了。而实际上，肌肉用于和重力作斗争，例如腓肠和脊柱的肌肉是为了保持姿势，如果不使用它可以减少20～30％。在太空中，人的肌肉以每周5％的高速度消失，而骨骼的损失更为严重，其损失速率为每月1％，测试表明总的损失可达40～60％。血液也感知重力的变化。在地球上，人的血液滁留在脚上，脑部的血压可以为60～80毫米汞柱，而脚部的血压可以高达200毫米汞柱。在太空中重力消失了，人从头到脚的重力梯度也就消失了，血压均衡化，全身为100毫米汞柱。宇航员出现面部充满体液、气喘以及腿部萎缩(每月减少1升液体)等奇怪现象的原因就在于此。血压的变化也会发出信息。我们的身体期待血压梯度，而头部血压的升高对身体发出警告：血液太多!宇航员在失重两到三天内可以失血22％。这种变化也影响了心脏。心脏感到其泵的功能不需要那么强了，从而出现萎缩。如果人永远停留在太空也许问题不大，但是回到地球就必须重新调整对重力的适应性。虽然多数宇航员的损失是可以弥补的，但是重新调整也并不容易，血容的调节需要数天。于是，宇航员会感到口渴，因为身体感到体内没有那么多血液，所以需要多喝水，而排尿却不多。肌肉的恢复需要1个月左右，骨骼的恢复要花更多时间。宇航员在太空飞行3～6月，需要2～3年才能恢复。有的研究表明还必须辅以运动和锻炼。

　　为了使得以上的损失减轻和加快恢复，宇航员需要进行特殊锻炼，于是出现了一系列运动器械。例如，图六是为了降低身体负压的锻炼器械。美国航空航天局开发的一种阻力装置，可以为各种锻炼方式提供约136公斤的阻力。图七是宇航员在空间站上穿特制的马甲进行耐力锻炼。

　　宇航员疾病的医疗也是大问题。对于内科疾病，可以利用医学专家系统进行诊断和治疗。在某些情况下，需要特殊的药物和医疗器械。图八展示的是在月球基地工作的三个宇航员，其中的一个宇航员在约28米高的悬崖上安装天线时摔了下来，结果发生骨折。另外两个宇航员利用便携式全息CT扫描装置和头盔上的显示器确定了其外伤的严重程度，并在他的腿部安装了薄的夹板。

　　对于外科手术，需要研制特殊的微创手术机器人装置。许多药物通过注射纳米胶囊注入人体治疗各种疾病。

　　航天医学将是崭新的医学领域。航天医学的成就，例如远程医疗，也完全可以在地球上发挥作用。本文来自《中华航空航天医学》杂志