太空旅行與骨質(zhì)疏松

太空旅行與骨質(zhì)疏松

2003年10月15日，我國(guó)第一艘載人飛船“神舟”五號(hào)在酒泉順利升空。中國(guó)第一位航天員楊利偉在太空遨游21個(gè)小時(shí)后，順利返回地球。

“神舟”五號(hào)成功發(fā)射并順利返回，是我國(guó)航天事業(yè)的新起點(diǎn)。可以預(yù)料，不久將有更多的航天員，甚至普通人飛上太空，在太空停留更長(zhǎng)的時(shí)間。生活在航天器中，如何吃、住、睡，身體會(huì)發(fā)生哪些變化，這些事情不但普通人十分感興趣，也是飛上太空前科學(xué)家必須認(rèn)真研究的課題。這里就談?wù)労教靻T在失重狀態(tài)下的骨骼變化。

骨骼的主要功能是保護(hù)和支撐機(jī)體。在力的作用下，骨骼不斷進(jìn)行新陳代謝，受力最大的部位，密度最大，也最堅(jiān)強(qiáng)。我們可以觀察到，由于外傷、生病等各種原因，肢體肌肉活動(dòng)減少或受到限制，便會(huì)出現(xiàn)骨質(zhì)疏松。

根據(jù)國(guó)外資料，航天員在太空失重狀態(tài)下生活幾個(gè)月，其骨質(zhì)的丟失相當(dāng)驚人。在太空每停留一個(gè)月，會(huì)失掉骨質(zhì)的0.5％。而且不論飛行多長(zhǎng)時(shí)間，這種脫鈣總在不斷進(jìn)行，不會(huì)終止。據(jù)報(bào)告，前蘇聯(lián)聯(lián)盟二號(hào)兩名航天員在飛行兩天后跟骨密度分別下降了8.5％和9.6％。骨質(zhì)脫鈣導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥，引起全身酸痛，容易發(fā)生骨折、腎結(jié)石，甚至導(dǎo)致腎臟損害。

航天員在太空吃的特制的食物包含了人體需要的所有營(yíng)養(yǎng)成分，當(dāng)然不會(huì)缺少鈣質(zhì)和維生素D。但是，這并不能阻止骨質(zhì)疏松的過(guò)程（楊利偉在太空時(shí)間短，這種變化不明顯）。因此，航天員在太空必須設(shè)法進(jìn)行體育鍛煉，通過(guò)肌肉收縮，使骨骼受力，以防止肌肉萎縮，盡量減少骨質(zhì)疏松。

航天員身體骨骼的變化，對(duì)普通人的保健 保健也頗有啟發(fā)。中老年人要防治骨質(zhì)疏松，光注重補(bǔ)充鈣質(zhì)和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是不夠的，還應(yīng)運(yùn)動(dòng)，尤其是肌肉收縮運(yùn)動(dòng)。鍛煉方式應(yīng)根據(jù)各人年齡、體質(zhì)和愛(ài)好來(lái)定，可選擇散步、上下臺(tái)階、做體操、游泳等運(yùn)動(dòng)，也可利用啞鈴、自行車、劃船器、股四頭肌訓(xùn)練器及綜合訓(xùn)練器等進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

殖民火星的宇航員的生存問(wèn)題

進(jìn)入零重力環(huán)境后，人體開(kāi)始萎縮，骨頭密度也會(huì)下降，更為危險(xiǎn)的是宇航員患癌癥的危險(xiǎn)大大增加。
除了火箭學(xué)和推進(jìn)物理學(xué)，火星之旅還有更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：如何讓宇航員活下去，以便完成復(fù)雜的體力和腦力任務(wù)，讓他們健康快樂(lè)那是奢談。進(jìn)入零重力環(huán)境后，人體開(kāi)始萎縮，包括心臟在內(nèi)的肌肉在太空中不需要像在地球上那么費(fèi)力工作，自然而然萎縮。同樣，骨頭密度也會(huì)下降，在太空骨頭密度每個(gè)月下降1%，而在地球上一生總共下降20%.假如是造訪空間站的話，萎縮不是太大的問(wèn)題，
因?yàn)橛詈絾T整個(gè)太空之旅都保持零重力狀態(tài)。但經(jīng)過(guò)6個(gè)月旅行飛抵火星后，宇航員將重新面對(duì)重力環(huán)境，為了生存需要強(qiáng)壯的肌肉。
約翰遜航天中心以及全美的幾十個(gè)醫(yī)生被召集解決這些問(wèn)題。宇航員將會(huì)一直服藥物biphosphomates，防止骨質(zhì)疏松以及腎結(jié)石的形成，這兩者是太空旅行的頑癥。NASA正在制造全新的重力機(jī)器，模擬零重力狀態(tài)，一個(gè)瘦巴巴的生物學(xué)家在這種機(jī)器中用小指可以挑起500磅的杠鈴。宇航員們也要用特制的自行車等器械鍛煉，這對(duì)加強(qiáng)心臟尤其重要。
更為危險(xiǎn)的是宇航員患癌癥的危險(xiǎn)大大增加。地球大氣層保護(hù)人類免受X光和太陽(yáng)質(zhì)子放射線的照射，但在太空保護(hù)宇航員的只有太空船的薄薄艙壁。為了減少他們受的輻射，NASA在建造太空船時(shí)盡可能少用鋼鐵，這些金屬的中子遭到輻射后會(huì)游離，假如被人體吸收，可能形成致癌的腫瘤。
NASA可能用船舶外殼的材料，再加上隱形轟炸機(jī)用的材料。這些合成材料有密集的電子和質(zhì)子，宇航員受中子之害會(huì)減輕，不過(guò)只是減輕少許。Vanderbilt大學(xué)負(fù)責(zé)太空醫(yī)學(xué)研究的大衛(wèi)·羅伯遜說(shuō)：“即使我們做了最好的防護(hù)，前往火星的宇航員患癌癥的幾率仍然大為增加，他們返回地球的時(shí)候，我們必須非常小心地觀察他們?！?br>此外，還有情感上的問(wèn)題，工程學(xué)對(duì)此鞭長(zhǎng)莫及。前往火星是史無(wú)前例的事，NASA的心理學(xué)家不得不研究歷史上的探險(xiǎn)—————前往新大陸的海上航行，奔赴北極圈的狗拉雪橇旅行—————找出這些探險(xiǎn)的成敗因素。
NASA遴選委員會(huì)主席杜恩·羅斯說(shuō)，為確?；鹦翘綔y(cè)器上的宇航員可以忍受艱苦環(huán)境，“我們必須非常非常謹(jǐn)慎地挑選宇航員”。
羅斯手上符合資格的申請(qǐng)者多得荒謬：每年兩萬(wàn)人爭(zhēng)奪20個(gè)指標(biāo)，但他看重的不單是智力或男子氣概，他更青睞“露營(yíng)者”，他說(shuō)：“信不信由你，獨(dú)自在森林中露營(yíng)的人，更善于在火星上隨機(jī)應(yīng)變。我們送到火星的宇航員可能有兩大特征：他們必須周游多個(gè)國(guó)家，讓我們確信他們可以和不同文化背景的人融洽相處，此外他們必須擁有豐富的露營(yíng)經(jīng)驗(yàn)?！?br>火星沒(méi)有提供任何維持生命的東西，宇航員必須帶上所有物資，甚至要帶上從尿液提取水的儀器。
假如宇航員安全登陸火星，他們將會(huì)發(fā)現(xiàn)，火星是不歡迎來(lái)客的荒涼露營(yíng)地。它的地表是不毛之地，無(wú)邊的戈壁沙漠覆蓋了整個(gè)星球。
那里沒(méi)有水，有毒的空氣含有高濃度二氧化碳，讓人無(wú)法呼吸，溫度平均是零下81OC，會(huì)把人活活凍死。星球上不時(shí)刮起邪惡的風(fēng)暴，比卡特里娜颶風(fēng)更強(qiáng)大，它鞭打著星球的地面，卷起遮天蔽日的沙塵。
火星沒(méi)有提供任何維持生命的東西。這意味著他們必須帶上所有物資：臨時(shí)住所，適用所有地形的交通工具，18個(gè)月的食物和用品，科學(xué)設(shè)備，鉆探火星取水的工具，還有建立永久性基地的物資。
宇航員可能需要一個(gè)小型核裝置提供電力，他們還需要超級(jí)防腐蝕涂料，保護(hù)帶來(lái)的每樣?xùn)|西，使其免受火星沙暴的侵蝕。他們希望火星基地可以自動(dòng)組裝，幾分鐘之內(nèi)各種機(jī)關(guān)可以把折紙式的裝備變成完整的帳篷，宇航員到達(dá)時(shí)，他們的住處已經(jīng)自動(dòng)準(zhǔn)備好了。約翰遜航天中心工程師約翰·康納利說(shuō)：“我們現(xiàn)在還做不到，但我們準(zhǔn)備在月球上搞明白，基地多大程度可以自動(dòng)建設(shè)，多少工作必須人力完成。”
NASA的太空生物學(xué)家正在改良能在零重力狀態(tài)下生存的植物，它們的功用是提供食物，并且把宇航員呼出的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。
皮包骨的英國(guó)人納杰爾·帕克漢姆是這一領(lǐng)域的先驅(qū)，最近他在一個(gè)封閉的生物圈里生活了3個(gè)月，試圖了解火星宇航員將會(huì)遭遇的問(wèn)題。帕克漢姆和其他3位科學(xué)家利用水培的植物再造氧氣，利用化學(xué)物質(zhì)處理尿液實(shí)現(xiàn)水的再生。實(shí)驗(yàn)大獲成功，以至于他們不想離去。
帕克漢姆說(shuō)，“無(wú)論是提供食物還是再循環(huán)氧氣，最有效率的植物竟然是矮小麥?！?br>因此，火星之旅很可能要帶上小麥，氧氣轉(zhuǎn)換的剩余工作將依賴化學(xué)反應(yīng)器，電解二氧化碳和水產(chǎn)生可呼吸的氧氣。
然后，還有水的問(wèn)題。
宇航員在太空中每天要消耗三到四加侖的水，用水量太大從地球攜帶根本不現(xiàn)實(shí)。
為解決這一問(wèn)題，NASA工程師DonHolder一直在馬歇爾太空飛行中心努力工作，嘗試找到從尿液提取水的途徑。在他迄今最好的系統(tǒng)中—————極可能成為火星上用的模型—————小便收集。在太空船上的圓筒形水槽中，圓筒一直旋轉(zhuǎn)，一個(gè)精確計(jì)溫的加熱器燒開(kāi)尿液，然后通過(guò)一個(gè)精良的過(guò)濾系統(tǒng)收集蒸氣。剩余的液體，DonHolder說(shuō)是“污穢、多泥的黑色咸水”?！哆B線》雜志記者，品嘗了從自己尿中提純的水，他這樣評(píng)價(jià)：“這確實(shí)不是Evian礦泉水，但它確實(shí)比我喝的許多淡啤酒要美味?！?/p>

太空里出差半年身體會(huì)有什么影響？

太空中的零重力使宇航員必須應(yīng)對(duì)許多風(fēng)險(xiǎn)，比如高壓的環(huán)境、噪音、隔離、晝夜節(jié)律的打亂、輻射暴露以及漂浮時(shí)發(fā)生的液體逆流等，這些也是科學(xué)家一直致力于解決的主要威脅。

普拉特斯說(shuō):“當(dāng)我們進(jìn)入太空后，會(huì)經(jīng)歷微重力，并以每小時(shí)17500英里的速度飛行。我們的身體會(huì)逐漸適應(yīng)，并繼續(xù)發(fā)揮功能?？傮w來(lái)說(shuō)，人體的功能是非常好的?！?#160;然而，這項(xiàng)研究也存在一些局限性，因?yàn)樗谎芯苛怂箍铺睾婉R克，其研究結(jié)果并沒(méi)有在其他宇航員身上得到驗(yàn)證。而且斯科特在空間站的地磁場(chǎng)保護(hù)罩內(nèi)，并沒(méi)有受到深空的輻射傷害。但是研究人員依然認(rèn)為，該項(xiàng)研究結(jié)果并非偶然，他們相信這會(huì)是“太空人類基因組學(xué)的黎明”。 “雙胞胎研究計(jì)劃是人類太空飛行中用于了解表觀遺傳學(xué)和基因表達(dá)的重要一步?！?NASA首席健康醫(yī)學(xué)官波爾克（J.D. Polk）說(shuō)，“它揭示了個(gè)體化藥物的需求，以及在進(jìn)行深空探測(cè)時(shí)保持宇航員健康的重要性。目前NASA正在計(jì)劃進(jìn)行月球和火星的太空任務(wù)?！?/p>

在太空生存的這段時(shí)間內(nèi)，斯科特出現(xiàn)了頸動(dòng)脈和視網(wǎng)膜增厚、認(rèn)知能力下降、DNA損傷等問(wèn)題，基因表達(dá)、腸道微生物以及染色體末端端粒的結(jié)構(gòu)也都發(fā)生了變化，但研究顯示，他的DNA并沒(méi)有發(fā)生變異。 基因表達(dá)的變化與DNA修復(fù)系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)有關(guān)。在斯科特到達(dá)太空時(shí)，就有1000多個(gè)基因發(fā)生了變化。有些變化是意料之中的，比如與骨骼生成有關(guān)的變化或DNA修復(fù)。宇航員在太空中會(huì)出現(xiàn)骨質(zhì)疏松，DNA也會(huì)受到輻射損害，但是線粒體和免疫系統(tǒng)基因的改變，可以產(chǎn)生能量，保護(hù)身體。這也正是機(jī)體在太空中的壓力適應(yīng)性，說(shuō)明斯科特的免疫系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化時(shí)刻保持著高度的警惕。 研究者之一，威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院生理學(xué)和生物物理學(xué)副教授克里斯托弗·梅森（Christopher Mason）說(shuō)：“斯科特的基因表達(dá)發(fā)生了巨大的變化，雖然他回到地球后很多變化都已經(jīng)恢復(fù)，但是認(rèn)知能力的下降、DNA損傷和一些T細(xì)胞活化的變化，我們不知道是好是壞。這可能只是身體的應(yīng)激反應(yīng)，但是由于基因受到了干擾，我們還是想搞清楚背后的原因以及后續(xù)的影響?！?#160;據(jù)研究人員觀察，斯科特和馬克的表觀基因組差異不到5%。表觀基因組是一種化合物，相當(dāng)于基因的開(kāi)關(guān)。表觀變化是對(duì)基因活動(dòng)的調(diào)整，并不會(huì)改變遺傳密碼。對(duì)斯科特來(lái)說(shuō)，這些變化與他的免疫反應(yīng)和炎癥相關(guān)。 讓研究人員意外的是，斯科特的端粒長(zhǎng)度在太空中是增加的。端粒長(zhǎng)度的變化與衰老或疾病有關(guān)，且隨著年齡的增長(zhǎng)而縮短，它就像健康的生物標(biāo)記物一樣，這也提示了端粒長(zhǎng)度的改變可能是航天飛行的長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)。 回到地球后，斯科特的染色體端粒長(zhǎng)度很快就縮短了，甚至比去空間站之前還要短。端粒縮短又與衰老加速、心血管疾病和某些癌癥的高風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)，可能會(huì)影響他的健康。

除此之外，因?yàn)榱阒亓Φ念^端液體轉(zhuǎn)移，斯科特的眼球也變形了。他的視網(wǎng)膜神經(jīng)扭曲，脈絡(luò)膜層出現(xiàn)褶皺，這些都會(huì)影響他的視覺(jué)清晰度。這種現(xiàn)象也被稱為太空相關(guān)性視神經(jīng)綜合征，簡(jiǎn)稱SANS。液體轉(zhuǎn)移也導(dǎo)致他的頸靜脈擴(kuò)張、頸動(dòng)脈壁增厚、心輸出量增加、前額皮膚增厚、膠原蛋白水平改變，這些都與心血管危險(xiǎn)因素有關(guān)。在太空旅行開(kāi)始和結(jié)束的一段時(shí)間內(nèi)，他的乳酸水平也升高了，但是在回到地球6個(gè)月后，幾乎所有的變化都回到了基線水平。

 讓研究人員感興趣的是斯科特的腸道微生物群雖然數(shù)量發(fā)生了變化，但其多樣性并沒(méi)有改變。厚壁菌門腸道細(xì)菌數(shù)量增加了，而擬桿菌門則減少了。 斯科特表示，在回到地球的前幾天，他覺(jué)得自己像是得了流感，關(guān)節(jié)肌肉疼痛，小腿腫脹，出現(xiàn)了蕁麻疹、皮疹、頭暈、惡心和疲勞等癥狀。他認(rèn)為這一切都是由于重力的恢復(fù)、接觸不同的人和免疫系統(tǒng)，以及對(duì)這種戲劇性經(jīng)歷的情感反應(yīng)所引起的。

普拉特斯說(shuō)，“斯科特身上的變化，絕大多數(shù)在返回地球相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)都已回到了基線，那些沒(méi)有很快恢復(fù)的也在意料之中，比如壓力和炎癥標(biāo)記物?！?#160;這項(xiàng)研究在分子水平上證明，人體擁有適應(yīng)太空飛行環(huán)境的彈性和韌性，它揭示了個(gè)人對(duì)流感疫苗、基因表達(dá)環(huán)境因素、顱內(nèi)壓相關(guān)疾病、視覺(jué)系統(tǒng)損傷以及動(dòng)脈粥樣硬化等心血管疾病的反應(yīng)。研究人員還將繼續(xù)對(duì)影響端粒動(dòng)態(tài)變化的個(gè)體因素進(jìn)行探索。 這項(xiàng)研究將影響未來(lái)的幾代人，它是未來(lái)生物空間研究的墊腳石，也為其他研究的進(jìn)步打開(kāi)了大門。 

為什么人在太空中衰老得快？

人們?cè)缇椭?，暴露于輻射之中?huì)破壞脫氧核糖核酸（DNA），但一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，宇航員面臨一個(gè)額外風(fēng)險(xiǎn)：DNA的復(fù)制在失重狀態(tài)下更容易出錯(cuò)。
科學(xué)家測(cè)試了酶在失重狀態(tài)——飛機(jī)以拋物線飛行模式自由落體時(shí)產(chǎn)生的無(wú)重力狀態(tài)——下，是否能準(zhǔn)確復(fù)制細(xì)胞中的DNA。當(dāng)所謂的“嘔吐彗星”飛機(jī)（美國(guó)國(guó)家航空航天局對(duì)零重力飛機(jī)的昵稱——譯者注）在20秒內(nèi)下降超過(guò)兩英里（約合3.2公里）時(shí)，近乎失重的狀態(tài)復(fù)制了太空中的條件。DNA在太空中準(zhǔn)確復(fù)制對(duì)宇航員和未來(lái)太空旅行至關(guān)重要。
這項(xiàng)發(fā)表在《細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)前沿》雜志上的研究報(bào)告通訊作者、多倫多大學(xué)的阿龍·羅森斯坦說(shuō)：“所謂的DNA聚合酶是復(fù)制和修復(fù)DNA的重要酶。它們肯定不完美：即使在最佳條件下，它們有時(shí)也會(huì)犯錯(cuò)。這里我們發(fā)現(xiàn)，從大腸桿菌中提取的DNA聚合酶在失重狀態(tài)下更加容易出錯(cuò)，比如在太空中出現(xiàn)的情況?！?br>報(bào)道稱，科學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到，當(dāng)暴露于宇宙射線和太陽(yáng)粒子時(shí)，DNA出現(xiàn)變異的概率更高。太空輻射會(huì)導(dǎo)致單核苷酸替換、交聯(lián)、倒位和缺失，從而增加患癌癥、正在發(fā)育的胎兒和未來(lái)后代出現(xiàn)基因缺陷以及組織和白內(nèi)障退化的風(fēng)險(xiǎn)。
報(bào)道還稱，直到現(xiàn)在，人們還不知道人類DNA的復(fù)制是否會(huì)受到失重狀態(tài)影響。如果DNA聚合酶副本不那么精確，那么DNA每次復(fù)制時(shí)高變異率就會(huì)增加，從而導(dǎo)致癌癥發(fā)病率上升。2020年，羅馬第二大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，暴露在宇宙輻射下會(huì)損傷細(xì)胞，導(dǎo)致通常與衰老有關(guān)的疾病發(fā)生。
報(bào)道介紹，這項(xiàng)新研究的作者首次證明，在失重狀態(tài)下，大腸桿菌中DNA聚合酶的錯(cuò)誤率在失重狀態(tài)下更高。他們利用半自動(dòng)微型實(shí)驗(yàn)室，在模擬太空飛行條件下，觀察噴氣式飛機(jī)拋物線飛行過(guò)程中一段長(zhǎng)為1000個(gè)核甘酸的DNA碎片的一輪復(fù)制過(guò)程。
報(bào)道指出，在從失重到超重力——也就是地球表面重力的兩倍——的飛行條件下，科學(xué)家在使用他們的微型實(shí)驗(yàn)室時(shí)面臨挑戰(zhàn)。
研究報(bào)告的作者們得出結(jié)論說(shuō)，宇宙輻射和失重狀態(tài)下DNA的不準(zhǔn)確復(fù)制在未來(lái)的月球和火星任務(wù)中對(duì)宇航員的健康構(gòu)成雙重威脅。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)，未來(lái)宇宙飛船需要?jiǎng)?chuàng)造人造重力，以防止航天員在太空深處可能受到負(fù)面的健康影響。
研究報(bào)告的作者之一、加拿大金斯頓女王大學(xué)的弗吉尼亞·沃克說(shuō)：“我們已經(jīng)證明，DNA聚合酶（與線粒體——細(xì)胞的動(dòng)力源——中發(fā)現(xiàn)的聚合酶類似）會(huì)在失重狀態(tài)下犯更多錯(cuò)誤。損傷更大、復(fù)制準(zhǔn)確度降低的綜合效應(yīng)可能導(dǎo)致宇航員過(guò)早衰老?！?/p>

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