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太空航行对人体的影响本文重定向自 太空航行對人體的影響

人类在生理学上能够良好地适应在地球上生存。载人太空航行会对人体产生许多负面影响。最显著之长期影响是肌肉萎缩英语muscle atrophy以及骨骼退化英语spaceflight osteopenia。其他明显的影响包括心血管系统功能减慢、红血球减少、平衡障碍以及免疫系统衰弱。较少的症状包括液体流动重置(“fluid redistribution”,让处于失重状态的太空人产生“月球脸”似的外观)、 身体质量的损失、鼻部堵塞、睡眠障碍以及过量肠胃胀气。大多数的不良影响会在太空人回到地球后迅速恢复。

前往太空的工程问题及发展太空飞行器推进系统已有超过一个世纪,并耗费数百万小时的研究。近年来对于人类如何在太空中延长生存和工作的时间已有越来越多的研究。这个问题需要从物理和生物科学上来切入,并且已经成为除了资金以外的最大挑战。要克服这个困难,首先就是要尝试去了解长途太空旅行对人体的影响。

太空对人体生理学的影响之研究

太空医学(Space medicine)是研究居住在外太空的太空人健康的一门发展中的医学。它主要研究人们在太空极端环境中所能达到的最大存活时间和存活品质,以及返回地球后最快能够重新适应地球环境的时间。太空医学也会寻求发展预防医学安宁缓和医疗,以减轻人类因为居住在不适应的环境而造成的痛苦。

太空对人体生理学的影响列表

人类在航太中所处的生态环境大多不同于人类在地球上演化适应而来的经历;然而,科技诸如太空载具或是宇航服能够保护人类免于严苛环境所造成的伤害。立即所需的呼吸空气和饮用水可透过许多装置构成的生命保障系统来满足,以让人类能够在外太空生存。生命保障系统供应空气食物。它也必须在可接受的极限下维持温度和压力,并且处理人体的废弃物质。对于像是辐射陨石微粒等的外部防护也是必要的。

当然,我们不可能避免所有危害物;太空影响人体健康最重要的因素就是失重,更精确的定义叫做微重力。生活在这种环境下,对人体会造成三种重大的冲击:肌肉运动知觉的损失、液体分布的改变以及肌肉骨骼系统的退化。

直接暴露在太空的极端环境

人类在没有适当防护之下暴露于太空是致命的,太空的真空环境所造成的最大威胁来自于缺乏氧气和压力,而温度和辐射也同样会有危险。

太空的真空环境

这幅画,气泵里的鸟实验描绘出一个由罗伯特·波义耳在1660年执行的实验来测试真空对生物系统的影响。

人类在生理学上能够适应居住在地球大气之下,并且需要氧气来呼吸。人所能接受的氧气最低浓度,或称气体分压为16kPa(0.16bar)。[可疑] 低于这个限度,太空人就会有失去意识和死于缺氧的危险。在真空的太空中,肺脏的气体交换仍会正常进行,但结果为所有的气体从体内血液中被抽离,包括氧气。在9到12秒之后,缺氧的血液会到达大脑并造成失去意识。大约暴露在真空的两分钟之后,人就会逐渐死亡-然而精确的极限目前尚不了解。

人类和其他动物暴露在真空之下数秒钟会失去意识,并且在数分钟内死于缺氧,但是症状并不像大众媒体所描述的那样。血液和其他体液确实会在气压低于6.3kPa(47Torr) (体温时的水的蒸气压)时沸腾。 这个情况叫做体液沸腾英语ebullism。蒸气会让人体膨胀两倍并减慢循环,但是人体组织有足够弹性和渗透性以防止破裂。 体液沸腾会因为血管的压力控制而减慢,所以一些血液仍保持液态。膨胀和体液沸腾的状况会因为身着飞行服(flight suit英语flight suit)的控制而减少。航天飞机的太空人穿着一种叫做CAPS(Crew Altitude Protection Suit)的弹力材料制的衣服以防止气压低于2kPa(15Torr)时的体液沸腾。 宇航服必须能够防止19公里以上高空所产生的体液沸腾。大多数的宇航服使用20kPa(150Torr)的纯氧,刚好足够维持意识。这个压力够大以防止体液沸腾,但只要血液蒸发或是血液中气体溶解出来的状况未受控制的话,仍然会造成减压症和气泡栓塞(空气栓塞)。

短时间暴露在真空中30秒是不太可能造成永久性的身体伤害。 动物实验显示出暴露在90秒以内是可以快速和完全的恢复,而更长时间的全身暴露则是无法恢复伤害乃至致命的。 目前仅能从少量的人体意外中得到数据,但这跟动物的实验数据一样符合。若呼吸没有受损的话,肢体可以暴露在真空中更久的时间。快速的失压可能会比暴露在真空中更危险。就算受害者没有憋气,气体从气管的泄漏可能太慢而无法防止致命的肺脏肺泡破裂。鼓膜和静脉窦可能会因快速失压而破裂,软组织可能瘀伤和渗血,并且惊吓所受到的压力会加速氧气的消耗而导致缺氧。由快速失压造成的伤害叫做(气压损伤英语barotrauma),并且在水肺潜水意外中很常见。当压力缓慢降低至100Torr(13kPa)时不会有症状出现,但快速降低的话则会致命。

大多数的人体反应资料是从意外失压,特别是在实验太空飞行计划中得知。一个案例已在美国国家航空航天局的技术报告中讨论了:”发生在压力服使用者身上的快速(爆炸性)失压”:[页码请求]

“在美国国家航空航天局的载人太空载具中心(现改名为林顿•詹森太空中心),我们在65年有一个实验对象意外地在真空室中因为宇航服的泄漏而暴露在接近真空(低于1PSI)[7kPa]的状态。他维持意识大约14秒,也就是缺氧血液从肺脏到大脑的时间。宇航服大概没有达到真正的真空,然后我们在15秒内开始对真空室重新加压。实验对象大约在相当于15,000呎(4,600米)的海拔高度恢复意识。实验对象后来回报说他可以感到和听到气体的外泄,并且他在失去意识前的最后记忆是舌头上的水分开始沸腾。”

有纪录的一个太空航行失压造成的死亡事件是发生在1971年联盟11号的失压意外事件,当时有三名太空人在返回地球途中因意外失压死于舱内。

温度的极端变化

在真空中,人体的热能无法在没有媒介之下以传导或对流的方式移除。损失的热能是以辐射的形式从人体表的310K度散射至外太空的3K度之中。这是一个缓慢的过程,特别是对于一个有穿着衣物的人,因此不会有立即的冻伤危险。 在真空中皮肤湿气迅速的蒸发性降温可能会结霜,特别是在嘴里,但这不是一个重大的危害。

直接暴露在强烈的辐射、未过滤的太阳光之下会造成局部加热,尽管这个状况会被身体的传导性和血液循环充分的散布。其他的太阳辐射,特别是紫外线会在数秒内造成严重的晒伤。

增强的辐射水平

辐射剂量的比较-包括了火星科学实验室上的辐射评估探测器在从地球到火星的航程中侦测到的剂量(2011-2013)。

在没有地球的大气层磁层的保护下,太空人会暴露在高度的辐射水平下。待在近地轨道一年就会吸收在地球表面上一年剂量的十倍辐射。[来源请求]高水平的辐射会伤害维持免疫系统运作的淋巴细胞;这种伤害会导致太空人免疫系统的降低。辐射也在近期被发现对太空人白内障的发生率提高有关连。在近地轨道的保护之外,宇宙射线会进一步对载人太空航行造成困难,若暴露在宇宙射线之下十年或更长时间的话会显著地增加患癌几率。太阳闪焰事件(虽然很少发生)可在数分钟内散发致命的辐射剂量。目前的观点认为保护装置和药物能够最终降低这些风险到可接受的水平。

居住在国际太空站的组员们位处在地球的部分磁场保护之下,因为磁层能偏移太阳风。然而,太阳闪焰强大的能量足以弯曲和穿透磁场的保护,因此对于组员来说仍是个危害。在2005年,远征10号英语Expedition 10的组员就躲在站上为此种情况设计的厚重防御部分下。然而,在地球磁层有限的防护之下,内太阳系载人任务会更为脆弱。田纳西大学的劳伦斯‧唐森德(Lawrence Townsend英语Lawrence Townsend)和其他人研究了1859年太阳风暴。太空人会从闪焰中吸收到导致放射病甚至死亡的辐射剂量。

一段由国际太空站组员拍摄,太空环境中之高能粒子所造成的极光

有科学上的担忧表示长时间的太空航行可能会降低人体抵抗疾病的能力。辐射能够穿透活体组织并造成骨髓干细胞短期和长期的伤害。特别的是,它会造成淋巴细胞的染色体异常。由于这些细胞是免疫系统的中枢,任何对于系统的伤害就意味着已存在于身体原本受到压制的病毒将会活化。在太空中,T细胞(一种淋巴细胞)更不容易正确的重新产生,并且重新产生的T细胞也较难抵抗感染。长期的免疫不全将会造成组员之间的快速感染,特别是在太空载具的封闭空间内。

辐射也对于太空人增加的白内障罹患率有所关连。前苏联太空人Valentin Lebedev英语Valentin Lebedev于1982年在轨道上待了221天,因而导致白内障造成的视力损失。他表示:“我承受了太空中大量的辐射。这些都在前苏联时代被隐瞒下来,但是我现在可以说我因为那趟旅程而遭受健康损失。”

在2013年5月31日,美国国家航空航天局的科学家报告了一趟可能的载人火星任务 或许会遭遇到大量的辐射威胁;这是基于2011至2012年从地球前往火星的火星科学实验室上的辐射评估侦测器所侦测到的游离辐射剂量。

失重的影响

国际太空站的太空人在失重环境。可见到Michael Foale英语Michael Foale于前景中正在运动。

动晕症

Bruce McCandless穿着宇航服与载人机动装置(Manned Maneuvering Unit英语Manned Maneuvering Unit)自由的漂浮在轨道上。

骨头和肌肉质量的损失

在国际太空站,太空人Frank De Winne英语Frank De Winne用松紧索(bungee cords)系在T2跑步机上(T2 treadmill)。
太空人Clayton Anderson英语Clayton Anderson观察水滴漂浮在他面前。水的内聚力(凝聚力)在微重力状态下比在地球上扮演更大的角色。

液体流动重置(Fluid redistribution)

微重力对于身体周围液体分布的影响(过度夸张的形容)。

视力扰乱

由于失重状态增加了上半身的体液量,太空人会经历到颅内压的增加。这会造成眼球后方的压力增加,影响到眼球形状并且轻微地挤压到视神经。 这个现象在2012年,对于待在太空中至少一个月的太空人返回地球后用核磁共振成像进行研究之后被注意到。如此的视力问题可能成为包括前往火星的载人太空等未来深空航行任务的主要事务。

味觉扰乱

其他的身体影响

太空航行的心理影响

俄罗斯(前苏联)太空人的研究,像是在和平号太空站上,提供了长期待在太空环境对人体影响的资料。

未来的前景

太空移民的努力必须将太空对人体的影响纳入考量中。

参见

进一步阅读

  1. Nasa Report: Space Travel 'Inherently Hazardous' to Human Health. Leonard David. 2001
  2. Space Physiology and Medicine. Third edition. A. E. Nicogossian, C. L. Huntoon and S. L. Pool. Lea & Febiger, 1993.
  3. L.-F. Zhang. Vascular adaptation to microgravity: What have we learned?. Journal of Applied Physiology. 91(6) (pp 2415–2430), 2001.
  4. G. Carmeliet, Vico. L, Bouillon R. Critical Reviews in Eukaryotic Gene Expression. Vol 11(1-3) (pp 131–144), 2001.
  5. F.A. Cucinotta et al. Space radiation cancer risks and uncertainties for Mars missions. Radiation Research. Vol 156:5 II;pp 682–688, 2001.
  6. F.A. Cucinotta et al. Space radiation and cataracts in astronauts. Radiation Research. Vol 156(5 I) (pp 460–466), 2001.
  7. Styf, Jorma R. MD; Hutchinson, Karen BS; Carlsson, Sven G. PhD, and; Hargens, Alan R. Ph.D. Depression, Mood State, and Back Pain During
  8. Altitude Decompression Sickness Susceptibility, MacPherson, G; Aviation, Space, and Environmental Medicine, Volume 78, Number 6, June 2007, pp. 630–631(2)
  9. Decision Analysis in Aerospace Medicine: Costs and Benefits of a Hyperbaric Facility in Space, John-Baptiste, A; Cook, T; Straus, S; Naglie, G; et al. Aviation, Space, and Environmental Medicine, Volume 77, Number 4, April 2006, pp. 434–443(10)
  10. Incidence of Adverse Reactions from 23,000 Exposures to Simulated Terrestrial Altitudes up to 8900 m, DeGroot, D; Devine JA; Fulco CS; Aviation, Space, and Environmental Medicine, Volume 74, Number 9, September 2003, pp. 994–997(4)

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