您当前的位置: 首页 >  博客资讯

可能站不起来?神十二航天员太空呆了三个月,身体究竟有何变化?

2021年6月17日,酒泉卫星发射中心使用长征二号F运载火箭发射,将聂海胜、刘伯明和汤洪波三名航天员送到天宫空间站,展开为期三个月的空间站任务。

这是我国空间站的第一批乘客,三名航天员抵达空间站后经历了繁忙而又有趣的三个月,历经两次太空行走,还有别开生面的太空第一课,当然更有各位吃货口水直流的太空大餐,更有紧张的设备安装与调试,最令人欣喜的是航天员们还拍摄了大量精美的地球照片,瞬间逼格提升几个数量级!

然而三个月很快就过去,据公开报道,航天员们将于9月中旬返回地球,那么三个月过去了,航天员们的身体究竟会怎么变化,回到地球后会怎么样?

太空生活,对人体有什么影响

空间站生活,其实要比出趟差近得多,因为我国的天宫空间站距离地面高度也就390千米左右,不过它却在以7.8千米/秒的速度运行着,离心力和重力几乎就一致的区域,而且这个高度也超过了卡门线,所以那里是一个失重的太空世界!

但人类却是一个适应了一个重力环境下长期生存的生物体,比如心脏距离头部比较近,因为大脑需要更多的供血,即使站立也能保证下肢的血液回到心脏,人体的平衡需要重力环境下前庭器官的传感保持。

还有吞咽与消化以及体内的内脏器官等等,都适合在重力环境下生存,那么长期在失重环境下,对人体究竟有多大影响呢?

真的只是失重影响吗?

长期的失重对人体影响是挺大的,比如肌肉萎缩就是一个非常典型的问题,重力环境下,就算是躺着身体仍然在对抗重力,但在失重状态下却不需要任何支撑就能保持最舒适的状态,肌肉彻底放松,因此长期不用的肌肉萎缩是非常自然的事情。

另一个则是骨骼退化,失重状态下钙质流失机制到现在也不是特别清楚,但一般认为是失重环境下人类的成骨细胞几乎不活跃所致,NASA的曾对宇航员骨质做过统计,每月流失可达总量的1%~1.5%,这相当于地球上骨质疏松患者10年的流失量,俄罗斯宇航局也发现,“和平号”空间站上一名航天员在4个半月内骨质丧失约12%,而返回地面1年后,也才恢复6%。

还有则是红细胞减少等问题,失重状态下自然舒展,造成全身血液重新分配,身体下半部分的血液回到上半身,内脏、头部以及胸腔静脉曲张,鼻咽部堵塞,人体感受到血液增加,会调节系统减少体液,比如排尿增加,血容量减少,血红蛋白减少,结果则是心率不齐甚至心肌缺氧等心脏功能障碍等。

另外还有平衡障碍,这个比较容易理解,前庭功能器官在失重状态下无法给出身体状态的判断,造成眩晕,并且即使是经过严格训练的宇航员仍然会因为眩晕而呕吐,1961年8月6日发射的Vostok 2任务中,宇航员格曼・蒂托夫就意外地遭遇了恶心的呕吐事件,尽管宇航员经过了严格的训练,但仍然吐了,这点也成了后续前庭功能研究的重点,不过这样的案例不多,但仍具参考价值。

还有免疫系统也会受到影响,2003年12月3日,俄罗斯科学院生物医学问题研究所的专家布拉夫科夫介绍说,实验结果表明,单个的人体免疫细胞没有受到失重状态的影响,仍然能够寻找、识别、攻击“异类”细胞,但是整体的免疫系统在失重状态下可能会发生功能减弱,但仍然需要进一步研究。

除了这些以外,还有体重减轻、鼻塞与肠胃胀气以及睡眠障碍等等,绝大部分影响可以适应一段时间或者通过回到地面锻炼后快速恢复,但有一个问题似乎比较严重!

DNA变异,会不会恢复原状?

地面上不只是重力条件,还有厚厚的大气层,高能粒子在穿过大气层时会因为碰撞密集的大气原子核而无法到达地面,但在太空中则没有,只有一层飞船的外壳,而太空行走时甚至只有宇航服这层织物构成的“小飞船”。

地球表面1年的辐射剂量只有约1000~2000微西弗,国际空间站工作的宇航员们1年一般所受到的辐射总剂量约达10万~16万微西弗,是地表的80倍,并且在遭遇太阳活动高峰的话,辐射剂量短时间内会上升十倍甚至百倍。

辐射会打断DNA链而造成变异,当然因为DNA为双链,纠错能力还是很强的,那么结果究竟如何呢?

2019年4月份,网上突然爆出一个大新闻,说是NASA宇航员史考特在太空待了近1年,返回地球后检出8.7%的DNA发生永久突变,但其实是误传了,因为人和猩猩之间的差异也就1%,这要是8.7%的差异,连哥斯拉都可能出来了!当时《科学》上的原文翻译是:

“NASA双胞胎研究”论文中所描述关于DNA变异部分:“研究发现在空间站飞行中细胞发生基因改变的大部分(91.3%)在飞行后6个月内恢复正常”

不过转载的却没有说明究竟有多少发生了变异,这是把细胞变异没有恢复部分给贴出来了,吓了大家一跳,因为史考特有一个同卵双胞胎兄弟在地球上,他们可以做一些比较研究,人体修复能力还是很强的,但变异会造成什么结果,仍待持续观察,不过也没听说过宇航员罹患肿瘤更高的记录出现。

NASA也和以色列StemRad公司在开发“防辐射背心”,希望以更好的方式保护宇航员,在未来的登月空间站以及国际空间站中使用。

有办法解决这些问题吗?未来将如何改善?

针对太空失重以及辐射对人体的影响,也可以针对性地做出一些改善措施以降低对航天员身体的影响,比如各位看到的神舟十二航天员在空间站内正在使用“动感单车”锻炼。

刘洋在用太空健身车锻炼

这只是其中一个方式,在国际空间站的器械中,还有躯体拉伸,使用弹力器械让身体舒展过程中得到锻炼,还有跑步,使用拉紧机构让宇航员可以足部接触跑步机进行锻炼。

但这些锻炼并不能解决所有的失重问题,只是保证肌肉不萎缩,其他诸如血液与骨骼问题于事无补,它需要的是重力环境!

太空模拟重力:绝不是梦想

在地球上要模拟失重很难,除了自由落体以外就只有零重力飞机两类,但其实原理是一样的,这个成本很高并且持续时间很短。

但在太空模拟重力环境就很简单了,至少从结构和原理上来看,只要足够的离心力来保持即可,唯一的问题是要模拟出重力并且还让人感觉不出来,种花家大概算了下,假设要在太空中模拟出0.5G的重力加速度,然后又要让人不眩晕(控制在1.5~2转/分以内),那么大概需要这个回转需要111米左右的半径,也就是直径222米。(国际空间站的尺寸为73米x109米)

当然并不一定要做成环形,也可以制造成一条超级长的横杆,在横杆的不同位置设置不同重力环境的舱室,以便逐渐过度,唯一的麻烦是这种状态下的发动机只能安装在中间,而且中间铰链密封是个运动部件,否则中心舱室会跟着一起转。

不过就现在而言,如此庞大的规模来制造一个重力环境还是困难重重,原本国际空间站也曾打算发射过离心重力舱,但后来被取消了,但即使发射了效果也不会好,因为尺寸过小,要模拟的话必须高转速,人在这样的环境下会非常不舒服。

防辐射环境比较容易解决,只是质量比较大这个问题难以解决,而且国际空间站上也有额外的聚乙烯屏蔽,这些包裹层在遭遇粒子碰撞时不会产生次级辐射,比铝合金等空间站常用材料要优秀得多,但也只能减少几个百分点,效果并不明显。

神舟十二航天员回到地面:究竟会怎么样?

2021年9月6日,中新网发布新闻,祝贺聂海胜成为首位“在轨100天”中国航天员!

聂海胜曾于2005年10月12日至16日执行神舟六号载人飞行任务,又在2013年6月11日至26日执行神舟十号载人飞行任务,被授予“英雄航天员”称号。2021年6月17日,聂海胜乘神舟十二号,再次登入太空执行载人飞行任务!截至北京时间2021年9月6日,聂海胜成为首位在轨100天中国航天员!

当然累计时间和持续时间还是有些差异,与回到地面时身体状态相差比较大的是单次持续时间,相信各位朋友应该发现了,航天员回到地面出舱时基本都是坐在椅子上,其实道理很简单,就像在水里玩了半天,突然出水面会感觉身体很重。

因为人体密度和水差不多,人在水中基本也是“失重”的,因此现代航天员模拟失重训练都在水下就是这个道理,因此长时间在太空工作后,回到地面由于不适应,两腿发软,人站不起来是必然的,不过这种状况适应性训练一下即可很快恢复。

而其他的人体生理指标恢复表面是看不出来的,比如DNA损伤是一个长期研究的项目,而我国的航天医学也需要这样的案例加入研究,尽管国际上都有公开的航天医学研究资料,但拿到第一手资料是我们所希望的,毕竟我国未来的空间站是需要常驻航天员,而在未来,星辰大海才是我们真正的目标。

参考资料:

http://news.sina.com.cn/w/2003-12-05/01191259563s.shtml

https://news.sina.cn/sa/2005-09-30/detail-ikknscsi7898397.d.html

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01149-y