航天医学效应与防护

**章绪论 　　**节航天医学的概念与发展 　　一、航天医学的概念 　　航天医学（spacemedicine）是医学的一个分支，是主要研究航天飞行对人体生理和生物学影响的一门学科。航天医学是一门特殊的环境医学，是以航空医学为根基发展起来的，也是支撑载人航天事业发展的重要学科之一。在科学研究与发展领域中，航天医学又属于空间生命科学的一个部分，涉及所有的医学专业，包括临床医学和基础医学，其与防病、治病、康复和保健，以及研究人体的潜能都有交叉联系。 　　二、航天医学的形成和发展 　　人类自古以来就对外星世界是否存在生命感兴趣，但是由于缺乏直接的实验手段和检测技术，只能停留在假设和推测上。直到航天技术发展起来，才有真正意义上的空间生命科学的研究。20世纪60年代后期，人类遨游太空的愿望得到实现。航天员进入环绕地球运行的轨道后，处于失重状态。失重对航天员的骨骼系统、肌肉系统、免疫系统、心血管系统等生理系统有显著影响。此外，空间粒子辐射环境对航天员身体健康也有重要的影响。帮助航天员克服航天特殊环境中失重、辐射等因素对人体的不利影响，对载人航天的顺利实施具有举足轻重的保障作用，航天医学因此应运而生。航天医学主要研究载人航天过程的各种空间特殊因素对人体的影响，探讨其作用机制并制定行之有效的防护措施，以确保航天员在太空飞行中安全高效地完成各种任务。 　　航天技术使人类遨游太空成为现实以后，航天医学就在不同层次上开展起来，主要分为三个阶段。 　　（1）航天准备阶段（1945～1961年），也称为高空气球和生物火箭实验阶段。此阶段主要是大量使用一些地基模拟手段，如高空气球、生物火箭等开展空间生命科学实验，研究在空间辐射、失重等条件下的生物学效应。同时在地面模拟失重和短暂时间的失重、超重交替条件下进行了大量实验，检测动物的一些关键性生理指标的变化，以确定航天员进行空间飞行的可能性和安全性。这一阶段除了探讨生物医学本身的科学问题外，很大程度上是为载人航天做技术准备（表1-1），主要以美国和苏联为代表。 　　（2）飞行试验阶段（1961～1980年），也称为生物卫星和载人航天器研究阶段，始于1961年4月12日，当时苏联宇航员尤里 加加林乘“东方一号”（Vostok）飞船进入太空，开启了载人航天新纪元。为了保证航天员在太空的生命安全，科学家进行了大量的生命科学研究。同时美国和苏联都进行了大量的生物卫星试验。其中美国有“发现者（Discoverer）17号、18号、32号和“生物卫星”（Biosatellite）1号、2号、3号。苏联有著名的携带犬“莱卡”的“卫星2号”。这一阶段的主要成果是观察了失重状态下人和动物的生理反应，以及宇宙辐射及其他因素对生物体的影响。此期间也进行了很多有关模拟微重力生理学的研究，主要是观察模拟失重对整个生理系统的影响，并提前探讨这种变化的机制，同时制定一些有效的保护措施（表1-2）。 　　（3）系统实验阶段（1981年至今），也称为空间站和行星探测阶段，这个阶段的特点是长期空间实验站的诞生，包括美国的“天空实验室”（Skylab）、欧洲的“空间实验室”（SpaceLab）以及苏联的“礼炮号”（Salyut）空间站。2021年6月17日，“神舟十二号”载人飞船进入预定轨道，标志着中国进入空间站时代。空间站的出现给空间科学研究提出了新的研究课题。例如，宇航员在太空停留的时间会越来越长，如何解决长期停留在太空的宇航员的医疗问题，其中失重、辐射、心理因素对人体健康造成的影响*为突出。在这个阶段，空间站的建立为航天医学的研究提供了诸多便利条件，不仅可以观察人体长时间的生理变化，而且可以安装一些实验仪器和设备，进行实时监测研究（表1-3）。 　　经过上述三个阶段的发展，逐渐形成了一系列空间生命科学领域，如空间生物学、空间重力生理学、空间辐射生物学、空间植物学、空间微生物学和地外生物学等。 　　第二节航天医学的特点和任务 　　一、航天医学的特点 　　航天医学是伴随着载人航天而产生和发展起来的，目的是研究航天飞行过程中各种环境因素对人体生命健康的影响，并探讨其作用机制，制定行之有效的防护措施，以确保航天员的生命安全、身心健康和工作效率。与一般的医学相比，航天医学有其特殊性，主要表现为以下几个方面。 　　（1）治疗对象：航天医学面对的研究对象是健康状态非常好的健康人，而一般医学面对的是健康状况有问题的病人。 　　（2）引起疾病的原因：航天医学效应是由于太空复杂环境因素或心理因素引起的生理功能失衡，而一般医学疾病是由于身体器质性病变、遗传病或病原微生物感染引起的疾病等。 　　（3）治疗目的和治疗方式：针对航天医学环境引起的效应，航天治疗的目的是恢复健康并保持高效的工作能力，大多采用物理性的防护措施，去除诱因后症状消失；一般医学的目的是恢复健康，多采用药物或手术。 　　此外，航天因素对人体的影响涉及各个生理系统和各层次，因此在研究航天医学过程中还要从系统医学角度进行研究，帮助确定航天因素对人体影响的关键环节，是否会引起健康问题，并检验对抗措施的有效性。 　　二、航天医学的任务 　　航天医学的基本宗旨是保证载人航天任务中航天员的身心健康，包括航天基础医学和航天实施医学两部分。航天基础医学的主要目的是探究人体生理和心理系统在各种航天环境因素下的反应变化规律，积累实验数据，并依据这些规律，提出相应的防护或对抗措施，为航天实施医学提供科学依据。航天实施医学的主要任务则是监测在空间飞行前、飞行中和飞行后的航天员健康状况，及时发现航天员身体状况的异常，并选择相应对抗措施，以保证航天员身心健康；同时监督涉及航天员安全和健康的生命保障系统、通信系统和救生系统中的设备、仪器的故障，提出和制定医学监督和医学保障的标准和方法，确保顺利完成航天任务。 　　第三节航天医学的主要内容 　　航天医学的主要内容包括：航天环境医学、航天重力生理学与医学、航天心理学、航天分子细胞生物学、航天员选拔训练、航天员医学监督和保障技术。 　　一、航天环境医学 　　航天环境医学主要开展航天环境因素对人体效应影响和防护技术研究，包括航天环境医学标准和载人飞船舱内环境工程设计的医学要求标准的制定，研究内容涵盖航天作业环境与生活环境中的气体环境、缺氧与供氧、有害气体、乘员舱温度环境、航天振动冲击环境、航天噪声环境、航天辐射环境等对航天员生理和心理的影响及防护措施。 　　二、航天重力生理学与医学 　　航天重力生理学与医学主要指特殊的失重、超重环境对航天员生命过程的影响，主要包括对呼吸系统、运动系统、心血管系统、免疫系统、神经系统、血液系统等的影响，引起的效应包括空间运动病、骨质流失、肌肉萎缩、体液头向转移、心血管功能障碍等。航天因素对人体的影响涉及各个生理系统，因此，航天重力生理学研究的目的是为航天医学提供理论基础，帮助确定航天环境因素对人体影响的关键环节是否可能引起健康问题，并验证对抗措施的有效性。 　　三、航天心理学 　　航天心理学是特殊人群心理学的分支，其对载人空间飞行中航天员的特殊心理需求及心理变化进行研究，并进行预防和干预。研究内容包括空间飞行特殊环境因素对航天员的心理状态、心理过程和个性特质的影响，有助于航天员的心理选拔和训练、航天员的心理咨询和心理治疗，以及航天活动中的人际关系的处理等。 　　四、航天分子细胞生物学 　　航天分子细胞生物学以离体细胞为研究对象，观察失重、辐射等航天因素对细胞结构、功能影响的规律及分子机制，并评价细胞水平变化对整体系统的影响，为航天医学提供理论和实验数据支持。航天分子细胞生物学研究的重点内容包括重力、辐射等特殊环境对细胞代谢过程的影响及其分子机制、航天类老化现象及机制、航天环境下DNA复制的错误率等。 　　五、航天员选拔训练 　　随着长期载人航天的特殊需求，以及医学、生理学和心理学的不断发展，航天员选拔方法必然会不断改进和提高。如何将航天分子细胞生物学的成果与航天员的外表症状和机体功能结合起来，可从基因组、代谢组、转录组等图谱特征中获得更深层次信息。心理选拔结合*新的虚拟现实研究技术、人工智能技术等，以克服传统方法的缺点，可以更精准、更科学地选拔合适的航天员。此外，对长期空间飞行或地外居住来说，心理调控能力的训练、航天员-机器人共生模拟训练等具有非常重要的意义。 　　六、航天员医学监督和保障技术 　　航天员医学监督和保障技术是针对航天员在航天飞行中的身体、心理问题，以临床医学、预防医学、心理医学和航空航天医学的基本原理、技术方法及研究成果为基础，预防和消除航天环境中不利因素对航天员生命健康的影响，从而维护航天员生理、心理健康，使航天员能够适应于航天特殊环境和空间，顺利执行载人航天任务。航天医学监督的主要内容包括航天员信息的检测、航天医学信息的放大与记录、航天医学信息的记录与输出、航天医学信息的分析与显示等，将它们进行分析后，把结果分门别类地显示出来，以供航天医护人员作为判断的依据。 　　第四节航天医学实验条件 　　一、飞行实验条件 　　（一）亚轨道飞行 　　亚轨道一般是指距地球表面20～100km的空域，位于飞机的*高飞行高度和卫星的*低轨道高度之间，也称为空天过渡区或临近空间。这一区域既不是航空区域，也不是航天区域[7]。 　　1.生物火箭 　　生物火箭（biorocket）用于生物科学实验研究的探空火箭称为生物火箭，其主要任务是将实验生物样品送至高空，研究实验生物对太空飞行的适应性。生物火箭可以达到弹道顶点在60～500km的高度，可获得数分钟到1h的持续微重力时间，平均微重力为10_4～10_2g（表1-4）。1964年7月19日，我国**枚生物探空火箭“T-7A（S1）发射成功，火箭搭载了4只大白鼠、4只小白鼠、果蝇等其他生物样品，为我国空间生物学研究和航天医学保障积累了宝贵的经验。 　　2.抛物线飞行 　　抛物线飞行（parabolic flight）是指利用失重飞机沿开普勒抛物线连续飞行，可制造人工微重力环境。一般飞行高度是6～10km，俄罗斯、美国、法国都有抛物线飞机。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的抛物线飞机每次起落可以有24次25s的低重力状态（10_3～10_2g）。我国在20世纪70年代曾将一架“歼5”改装为失重飞机，这也是世界上第三架失重飞机，用于后来的航天员选拔，但是因空间太小、年代久远，已被淘汰。