太空旅行与骨质疏松

太空旅行与骨质疏松

2003年10月15日，我国第一艘载人飞船“神舟”五号在酒泉顺利升空。中国第一位航天员杨利伟在太空遨游21个小时后，顺利返回地球。

“神舟”五号成功发射并顺利返回，是我国航天事业的新起点。可以预料，不久将有更多的航天员，甚至普通人飞上太空，在太空停留更长的时间。生活在航天器中，如何吃、住、睡，身体会发生哪些变化，这些事情不但普通人十分感兴趣，也是飞上太空前科学家必须认真研究的课题。这里就谈谈航天员在失重状态下的骨骼变化。

骨骼的主要功能是保护和支撑机体。在力的作用下，骨骼不断进行新陈代谢，受力最大的部位，密度最大，也最坚强。我们可以观察到，由于外伤、生病等各种原因，肢体肌肉活动减少或受到限制，便会出现骨质疏松。

根据国外资料，航天员在太空失重状态下生活几个月，其骨质的丢失相当惊人。在太空每停留一个月，会失掉骨质的0.5％。而且不论飞行多长时间，这种脱钙总在不断进行，不会终止。据报告，前苏联联盟二号两名航天员在飞行两天后跟骨密度分别下降了8.5％和9.6％。骨质脱钙导致骨质疏松症，引起全身酸痛，容易发生骨折、肾结石，甚至导致肾脏损害。

航天员在太空吃的特制的食物包含了人体需要的所有营养成分，当然不会缺少钙质和维生素D。但是，这并不能阻止骨质疏松的过程（杨利伟在太空时间短，这种变化不明显）。因此，航天员在太空必须设法进行体育锻炼，通过肌肉收缩，使骨骼受力，以防止肌肉萎缩，尽量减少骨质疏松。

航天员身体骨骼的变化，对普通人的保健 保健也颇有启发。中老年人要防治骨质疏松，光注重补充钙质和其他营养物质是不够的，还应运动，尤其是肌肉收缩运动。锻炼方式应根据各人年龄、体质和爱好来定，可选择散步、上下台阶、做体操、游泳等运动，也可利用哑铃、自行车、划船器、股四头肌训练器及综合训练器等进行运动。

殖民火星的宇航员的生存问题

进入零重力环境后，人体开始萎缩，骨头密度也会下降，更为危险的是宇航员患癌症的危险大大增加。
除了火箭学和推进物理学，火星之旅还有更严峻的挑战：如何让宇航员活下去，以便完成复杂的体力和脑力任务，让他们健康快乐那是奢谈。进入零重力环境后，人体开始萎缩，包括心脏在内的肌肉在太空中不需要像在地球上那么费力工作，自然而然萎缩。同样，骨头密度也会下降，在太空骨头密度每个月下降1%，而在地球上一生总共下降20%.假如是造访空间站的话，萎缩不是太大的问题，
因为宇航员整个太空之旅都保持零重力状态。但经过6个月旅行飞抵火星后，宇航员将重新面对重力环境，为了生存需要强壮的肌肉。
约翰逊航天中心以及全美的几十个医生被召集解决这些问题。宇航员将会一直服药物biphosphomates，防止骨质疏松以及肾结石的形成，这两者是太空旅行的顽症。NASA正在制造全新的重力机器，模拟零重力状态，一个瘦巴巴的生物学家在这种机器中用小指可以挑起500磅的杠铃。宇航员们也要用特制的自行车等器械锻炼，这对加强心脏尤其重要。
更为危险的是宇航员患癌症的危险大大增加。地球大气层保护人类免受X光和太阳质子放射线的照射，但在太空保护宇航员的只有太空船的薄薄舱壁。为了减少他们受的辐射，NASA在建造太空船时尽可能少用钢铁，这些金属的中子遭到辐射后会游离，假如被人体吸收，可能形成致癌的肿瘤。
NASA可能用船舶外壳的材料，再加上隐形轰炸机用的材料。这些合成材料有密集的电子和质子，宇航员受中子之害会减轻，不过只是减轻少许。Vanderbilt大学负责太空医学研究的大卫·罗伯逊说：“即使我们做了最好的防护，前往火星的宇航员患癌症的几率仍然大为增加，他们返回地球的时候，我们必须非常小心地观察他们。”
此外，还有情感上的问题，工程学对此鞭长莫及。前往火星是史无前例的事，NASA的心理学家不得不研究历史上的探险—————前往新大陆的海上航行，奔赴北极圈的狗拉雪橇旅行—————找出这些探险的成败因素。
NASA遴选委员会主席杜恩·罗斯说，为确保火星探测器上的宇航员可以忍受艰苦环境，“我们必须非常非常谨慎地挑选宇航员”。
罗斯手上符合资格的申请者多得荒谬：每年两万人争夺20个指标，但他看重的不单是智力或男子气概，他更青睐“露营者”，他说：“信不信由你，独自在森林中露营的人，更善于在火星上随机应变。我们送到火星的宇航员可能有两大特征：他们必须周游多个国家，让我们确信他们可以和不同文化背景的人融洽相处，此外他们必须拥有丰富的露营经验。”
火星没有提供任何维持生命的东西，宇航员必须带上所有物资，甚至要带上从尿液提取水的仪器。
假如宇航员安全登陆火星，他们将会发现，火星是不欢迎来客的荒凉露营地。它的地表是不毛之地，无边的戈壁沙漠覆盖了整个星球。
那里没有水，有毒的空气含有高浓度二氧化碳，让人无法呼吸，温度平均是零下81OC，会把人活活冻死。星球上不时刮起邪恶的风暴，比卡特里娜飓风更强大，它鞭打着星球的地面，卷起遮天蔽日的沙尘。
火星没有提供任何维持生命的东西。这意味着他们必须带上所有物资：临时住所，适用所有地形的交通工具，18个月的食物和用品，科学设备，钻探火星取水的工具，还有建立永久性基地的物资。
宇航员可能需要一个小型核装置提供电力，他们还需要超级防腐蚀涂料，保护带来的每样东西，使其免受火星沙暴的侵蚀。他们希望火星基地可以自动组装，几分钟之内各种机关可以把折纸式的装备变成完整的帐篷，宇航员到达时，他们的住处已经自动准备好了。约翰逊航天中心工程师约翰·康纳利说：“我们现在还做不到，但我们准备在月球上搞明白，基地多大程度可以自动建设，多少工作必须人力完成。”
NASA的太空生物学家正在改良能在零重力状态下生存的植物，它们的功用是提供食物，并且把宇航员呼出的二氧化碳转化为氧气。
皮包骨的英国人纳杰尔·帕克汉姆是这一领域的先驱，最近他在一个封闭的生物圈里生活了3个月，试图了解火星宇航员将会遭遇的问题。帕克汉姆和其他3位科学家利用水培的植物再造氧气，利用化学物质处理尿液实现水的再生。实验大获成功，以至于他们不想离去。
帕克汉姆说，“无论是提供食物还是再循环氧气，最有效率的植物竟然是矮小麦。”
因此，火星之旅很可能要带上小麦，氧气转换的剩余工作将依赖化学反应器，电解二氧化碳和水产生可呼吸的氧气。
然后，还有水的问题。
宇航员在太空中每天要消耗三到四加仑的水，用水量太大从地球携带根本不现实。
为解决这一问题，NASA工程师DonHolder一直在马歇尔太空飞行中心努力工作，尝试找到从尿液提取水的途径。在他迄今最好的系统中—————极可能成为火星上用的模型—————小便收集。在太空船上的圆筒形水槽中，圆筒一直旋转，一个精确计温的加热器烧开尿液，然后通过一个精良的过滤系统收集蒸气。剩余的液体，DonHolder说是“污秽、多泥的黑色咸水”。《连线》杂志记者，品尝了从自己尿中提纯的水，他这样评价：“这确实不是Evian矿泉水，但它确实比我喝的许多淡啤酒要美味。”

太空里出差半年身体会有什么影响？

太空中的零重力使宇航员必须应对许多风险，比如高压的环境、噪音、隔离、昼夜节律的打乱、辐射暴露以及漂浮时发生的液体逆流等，这些也是科学家一直致力于解决的主要威胁。

普拉特斯说:“当我们进入太空后，会经历微重力，并以每小时17500英里的速度飞行。我们的身体会逐渐适应，并继续发挥功能。总体来说，人体的功能是非常好的。” 然而，这项研究也存在一些局限性，因为它只研究了斯科特和马克，其研究结果并没有在其他宇航员身上得到验证。而且斯科特在空间站的地磁场保护罩内，并没有受到深空的辐射伤害。但是研究人员依然认为，该项研究结果并非偶然，他们相信这会是“太空人类基因组学的黎明”。 “双胞胎研究计划是人类太空飞行中用于了解表观遗传学和基因表达的重要一步。” NASA首席健康医学官波尔克（J.D. Polk）说，“它揭示了个体化药物的需求，以及在进行深空探测时保持宇航员健康的重要性。目前NASA正在计划进行月球和火星的太空任务。”

在太空生存的这段时间内，斯科特出现了颈动脉和视网膜增厚、认知能力下降、DNA损伤等问题，基因表达、肠道微生物以及染色体末端端粒的结构也都发生了变化，但研究显示，他的DNA并没有发生变异。 基因表达的变化与DNA修复系统及免疫系统有关。在斯科特到达太空时，就有1000多个基因发生了变化。有些变化是意料之中的，比如与骨骼生成有关的变化或DNA修复。宇航员在太空中会出现骨质疏松，DNA也会受到辐射损害，但是线粒体和免疫系统基因的改变，可以产生能量，保护身体。这也正是机体在太空中的压力适应性，说明斯科特的免疫系统对环境变化时刻保持着高度的警惕。 研究者之一，威尔康奈尔医学院生理学和生物物理学副教授克里斯托弗·梅森（Christopher Mason）说：“斯科特的基因表达发生了巨大的变化，虽然他回到地球后很多变化都已经恢复，但是认知能力的下降、DNA损伤和一些T细胞活化的变化，我们不知道是好是坏。这可能只是身体的应激反应，但是由于基因受到了干扰，我们还是想搞清楚背后的原因以及后续的影响。” 据研究人员观察，斯科特和马克的表观基因组差异不到5%。表观基因组是一种化合物，相当于基因的开关。表观变化是对基因活动的调整，并不会改变遗传密码。对斯科特来说，这些变化与他的免疫反应和炎症相关。 让研究人员意外的是，斯科特的端粒长度在太空中是增加的。端粒长度的变化与衰老或疾病有关，且随着年龄的增长而缩短，它就像健康的生物标记物一样，这也提示了端粒长度的改变可能是航天飞行的长期风险。 回到地球后，斯科特的染色体端粒长度很快就缩短了，甚至比去空间站之前还要短。端粒缩短又与衰老加速、心血管疾病和某些癌症的高风险有关，可能会影响他的健康。

除此之外，因为零重力的头端液体转移，斯科特的眼球也变形了。他的视网膜神经扭曲，脉络膜层出现褶皱，这些都会影响他的视觉清晰度。这种现象也被称为太空相关性视神经综合征，简称SANS。液体转移也导致他的颈静脉扩张、颈动脉壁增厚、心输出量增加、前额皮肤增厚、胶原蛋白水平改变，这些都与心血管危险因素有关。在太空旅行开始和结束的一段时间内，他的乳酸水平也升高了，但是在回到地球6个月后，几乎所有的变化都回到了基线水平。

 让研究人员感兴趣的是斯科特的肠道微生物群虽然数量发生了变化，但其多样性并没有改变。厚壁菌门肠道细菌数量增加了，而拟杆菌门则减少了。 斯科特表示，在回到地球的前几天，他觉得自己像是得了流感，关节肌肉疼痛，小腿肿胀，出现了荨麻疹、皮疹、头晕、恶心和疲劳等症状。他认为这一切都是由于重力的恢复、接触不同的人和免疫系统，以及对这种戏剧性经历的情感反应所引起的。

普拉特斯说，“斯科特身上的变化，绝大多数在返回地球相对较短的时间内都已回到了基线，那些没有很快恢复的也在意料之中，比如压力和炎症标记物。” 这项研究在分子水平上证明，人体拥有适应太空飞行环境的弹性和韧性，它揭示了个人对流感疫苗、基因表达环境因素、颅内压相关疾病、视觉系统损伤以及动脉粥样硬化等心血管疾病的反应。研究人员还将继续对影响端粒动态变化的个体因素进行探索。 这项研究将影响未来的几代人，它是未来生物空间研究的垫脚石，也为其他研究的进步打开了大门。 

为什么人在太空中衰老得快？

人们早就知道，暴露于辐射之中会破坏脱氧核糖核酸（DNA），但一项新的研究发现，宇航员面临一个额外风险：DNA的复制在失重状态下更容易出错。
科学家测试了酶在失重状态——飞机以抛物线飞行模式自由落体时产生的无重力状态——下，是否能准确复制细胞中的DNA。当所谓的“呕吐彗星”飞机（美国国家航空航天局对零重力飞机的昵称——译者注）在20秒内下降超过两英里（约合3.2公里）时，近乎失重的状态复制了太空中的条件。DNA在太空中准确复制对宇航员和未来太空旅行至关重要。
这项发表在《细胞与发育生物学前沿》杂志上的研究报告通讯作者、多伦多大学的阿龙·罗森斯坦说：“所谓的DNA聚合酶是复制和修复DNA的重要酶。它们肯定不完美：即使在最佳条件下，它们有时也会犯错。这里我们发现，从大肠杆菌中提取的DNA聚合酶在失重状态下更加容易出错，比如在太空中出现的情况。”
报道称，科学家已经意识到，当暴露于宇宙射线和太阳粒子时，DNA出现变异的概率更高。太空辐射会导致单核苷酸替换、交联、倒位和缺失，从而增加患癌症、正在发育的胎儿和未来后代出现基因缺陷以及组织和白内障退化的风险。
报道还称，直到现在，人们还不知道人类DNA的复制是否会受到失重状态影响。如果DNA聚合酶副本不那么精确，那么DNA每次复制时高变异率就会增加，从而导致癌症发病率上升。2020年，罗马第二大学科学家发现，暴露在宇宙辐射下会损伤细胞，导致通常与衰老有关的疾病发生。
报道介绍，这项新研究的作者首次证明，在失重状态下，大肠杆菌中DNA聚合酶的错误率在失重状态下更高。他们利用半自动微型实验室，在模拟太空飞行条件下，观察喷气式飞机抛物线飞行过程中一段长为1000个核甘酸的DNA碎片的一轮复制过程。
报道指出，在从失重到超重力——也就是地球表面重力的两倍——的飞行条件下，科学家在使用他们的微型实验室时面临挑战。
研究报告的作者们得出结论说，宇宙辐射和失重状态下DNA的不准确复制在未来的月球和火星任务中对宇航员的健康构成双重威胁。这项研究强调，未来宇宙飞船需要创造人造重力，以防止航天员在太空深处可能受到负面的健康影响。
研究报告的作者之一、加拿大金斯顿女王大学的弗吉尼亚·沃克说：“我们已经证明，DNA聚合酶（与线粒体——细胞的动力源——中发现的聚合酶类似）会在失重状态下犯更多错误。损伤更大、复制准确度降低的综合效应可能导致宇航员过早衰老。”

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