載人星際考察的生物醫(yī)學保障問題

王永生 周生東（中國航天員科研訓練中心）

載人星際考察的生物醫(yī)學保障問題

王永生 周生東（中國航天員科研訓練中心）

1　引言

空間站的建立與發(fā)展是載人航天發(fā)展的重要階段，人類將以此開展星際飛行，探索月球、火星、小行星及太陽系其他星體。

迄今為止，世界航天大國和組織紛紛制定出了載人星際考察計劃，其中有俄羅斯載人飛行計劃、美國航天計劃、歐洲航天局（ESA）的“奧夫羅拉”（Abpopa）計劃，其中俄羅斯能源公司用于月球、火星及小行星飛行的運載器發(fā)展設想，還包括火星及月球飛行醫(yī)學保障構想等。

火箭航天技術和遠程通信技術的成果及未來發(fā)展水平，長期軌道航天飛行中積累的醫(yī)學保障經(jīng)驗，利用自動飛行器對星際空間及太陽系行星的探測成果，“阿波羅”（Apollo）計劃月球考察成果，大型航天計劃中的國際合作，地面模擬性的、實物性的及實驗性的生物醫(yī)學研究，以上這些，是包括火星飛行在內(nèi)的星際考察的先決條件。

無人星際航天器幫助人們獲得了豐富的有關火星自然條件的知識和星際空間宇宙物理因素方面的知識，這些都是設計和開展未來載人星際考察任務所需要的。近年，俄羅斯準備利用無人探測器開展新的月球研究計劃。

在“國際空間站”上進行的研究，以及在地面相同條件下進行的模擬試驗和科學實驗，對星際考察的準備具有極為重要的意義。通過這些研究和試驗，強化了人們對生物結構（生物體）適應極端因素機制的認識，開發(fā)和試驗了未來健康和績效保障的設備與方法，并制定出了長期考察中的預防措施。

載人星際飛行無論是復雜程度還是風險程度都與軌道飛行有極大的區(qū)別?；鹦强疾斓闹饕攸c是∶飛行持續(xù)時間長和高度的自主性；在星際空間失重、輻射和弱磁環(huán)境會對人體產(chǎn)生作用；登陸火星后將伴有低重力、弱磁環(huán)境、輻射以及極端天氣和氣候的影響。

為了實現(xiàn)載人星際考察，需要開發(fā)專門的生物醫(yī)學保障綜合系統(tǒng)，而在多年考察實踐中所建立和完善的“國際空間站”醫(yī)學保障系統(tǒng)，是開發(fā)這種綜合系統(tǒng)的基礎。對綜合系統(tǒng)的結構，醫(yī)學技術的特性、方法和設備，應當認真地評估、完善和補充。

星際飛行生物醫(yī)學保障的主要功能是∶建立常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)，對健康和居住環(huán)境的狀況進行評價；保障機能診斷；提供全方位的醫(yī)學救助和康復訓練；預防低重力和微重力對機體的影響；對乘組成員進行心理支持；對艙外活動進行醫(yī)學跟蹤；建立自主的生命保障；進行微生物防護并提出行星檢疫的要求?？傊?，醫(yī)學保障的任務就是在考察的所有階段保持乘員的健康和工作能力。

在星際考察自主飛行條件下，信息保障極為重要，對信息保障的要求也會與日俱增。因此，最適宜的辦法是在星際考察的組合體上建立生物醫(yī)學保障信息分析中心，建立全面的醫(yī)學和生物學知識庫、參與考察人員個體醫(yī)學數(shù)據(jù)庫、居住環(huán)境和輻射狀況數(shù)據(jù)庫等。在生物醫(yī)學保障信息中心將充分運用人造智能的能力，發(fā)揮神經(jīng)信息網(wǎng)絡的作用，具有高水平的分析能力，具備科學預警模型及決策制定系統(tǒng)。中心通過接口與醫(yī)學和心理保障、生命保障、輻射安全保障及遠程醫(yī)學機構（結構）保持聯(lián)系。

星際考察過程中對乘組開展醫(yī)學保障時，需要建立自主性的醫(yī)學中心。受過專門培訓且醫(yī)術精湛的醫(yī)生在中心工作，對乘組成員的主要健康指標進行監(jiān)測、對癥狀進行診斷，并開展預防和手術。醫(yī)學中心的結構和功能根據(jù)具體的考察任務、考察時間及乘組成員的人數(shù)來確定。醫(yī)學中心將配備自動化程度極高的儀器，使用計算機設備和軟件，艙載裝置“駕駛”就是此類設備，它能對心理生理參數(shù)及工作效率進行評價，并能根據(jù)工作狀態(tài)給予相關的建議。在醫(yī)學中心應當使用基于最新技術（生物技術、生物芯片、納米技術）研制的設備和方法。完善艙載醫(yī)學中心的遠程醫(yī)學保障，使航天員與地面飛控中心的專家能夠保持聯(lián)系，保障傳遞醫(yī)學數(shù)據(jù)并開展相關咨詢。

未來將開發(fā)多種形式的醫(yī)學中心∶可針對星際飛船開發(fā)醫(yī)學中心，也可針對月球和火星基地開發(fā)醫(yī)學中心。中心的結構和保障能力將根據(jù)考察任務、乘組人數(shù)及任務時間來確定。

星際考察的成效在很大程度上取決于乘組的選拔，在乘組選拔中將使用生理學、心理學和職業(yè)標準，進行精神病學鑒定。在選拔時拓展使用現(xiàn)代遺傳學的方法非常重要，包括評價機體對極端因素影響的穩(wěn)定性，評價個體對輻射、應激、骨質疏松發(fā)展的穩(wěn)定性。

在選拔中應側重有長期太空飛行經(jīng)驗的人員，因為他們能很好地適應并知曉機體對航天飛行因素的反應。

在星際考察的訓練中，會產(chǎn)生考察乘組，開展基礎和專業(yè)訓練，熟悉技術系統(tǒng)和生物醫(yī)學系統(tǒng)并掌握其維護技能，對乘組進行醫(yī)學培訓，了解不同文化間的相互作用，詳細掌握考察計劃等。

在訓練和考察過程中，應當堅持以人為本的原則，重視“人-機”系統(tǒng)的構建，并關注其相互作用，應當使用機器人參與繁重的工作。

在星際考察中心理問題越來越重要，影響心理的因素包括∶遠離地球、與世隔絕、疲勞、責任感、飽和的科學計劃、個體心理問題及乘員的相互影響。

預防系統(tǒng)在星際考察生物醫(yī)學保障中占有非常重要的位置，該系統(tǒng)能夠有效預防各種程度重力所產(chǎn)生的作用。在“國際空間站”上進行失重對抗過程中使用了各類訓練器材，發(fā)展和完善了電刺激和足感受器激活的方法，這是星際考察預防系統(tǒng)開發(fā)過程的重要階段。

人工重力的產(chǎn)生對預防系統(tǒng)的發(fā)展做出了巨大貢獻，該方法早在20世紀70年代就被建議用于星際考察，并且在模擬研究和生物衛(wèi)星實踐中證明了其功效。利用短半徑離心機有可能模擬出地面和火星上的重力。

利用特殊裝置，原則上可消除星際空間和行星表面弱磁環(huán)境的不良作用，使用這些裝置，可以在居住艙內(nèi)保障一定強度的磁場分布，模擬出地面條件下相應磁場的作用。

2　星際考察乘員生命保障系統(tǒng)

為乘員開發(fā)生命保障系統(tǒng)（簡稱生保系統(tǒng)）是載人星際考察需要解決的最重要的問題之一，其任務就是為乘員提供適宜的生存條件。生保系統(tǒng)的結構取決于動力裝置的使用時間，取決于其功能作用及使用現(xiàn)有資源的能力。與現(xiàn)在空間組合體上的生保系統(tǒng)相比，星際組合體要求極大地降低生保系統(tǒng)的外形尺寸和質量，使用基于物質循環(huán)原理的再生式生保系統(tǒng)能夠滿足這種要求。這種在深空探測條件下所使用的生保系統(tǒng)，與近地軌道上使用的生保障系統(tǒng)會有很大的區(qū)別。主要體現(xiàn)在，星際考察中耗材、部件、組件不可補充和恢復，星際考察中需要具備開發(fā)和利用行星資源的能力。

在禮炮號系列空間站、和平號空間站及“國際空間站”多年的軌道飛行中，在使用再生式生保系統(tǒng)（包括以耗材儲備為基礎的系統(tǒng)）方面積累了成功經(jīng)驗，為開發(fā)星際載人航天器生保系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。星際載人航天器生保系統(tǒng)包括∶氣體成分保障系統(tǒng)、水系統(tǒng)、飲食系統(tǒng)、衛(wèi)生保健保障系統(tǒng)以及水質監(jiān)測系統(tǒng)、大氣物化指標和微生物指標監(jiān)測系統(tǒng)。

在這種情況下，可以利用經(jīng)過和平號空間站長期檢驗的常規(guī)生保系統(tǒng)來開發(fā)星際航天器生保系統(tǒng)的部分功能?？傮w上講，當今的生保系統(tǒng)經(jīng)過相應的改進后，能夠為開發(fā)深空探測所需的生保系統(tǒng)奠定基礎。

如今的生保系統(tǒng)主要是基于物化過程而建造，它所產(chǎn)生的居住環(huán)境與地面生物原環(huán)境還不完全相同。

為了使航天員居住環(huán)境與地面接近，需要在星際飛船和行星基地上建造基于物質生物-物理-化學（生化-物化）循環(huán)的生態(tài)化的閉合生保系統(tǒng)?，F(xiàn)如今在空間站上由于動力的局限暫時還不能建造此類的生保系統(tǒng)，也沒有達到完全的物質循環(huán)，二氧化物、氫、含有水汽且稠密的排泄物需要排出到外太空。

建立符合星際考察要求的生保系統(tǒng)是生物醫(yī)學技術發(fā)展的主要任務，主要包括以下幾個方面。

氣體成分保障系統(tǒng)

1）開發(fā)用于濃縮（集中）二氧化物的技術和裝置；

2）將二氧化物氫化作用變?yōu)樗图淄榛驅⒍趸餁浠癁樗吞?，以此來提高氧和水循環(huán)的閉合程度。在禁止將甲烷排出到外太空的情況下，可以將甲烷變?yōu)榧兹┖筒粨]發(fā)的單醣碳水化合物；

3）使用化學活性結構材料用于內(nèi)部構件以吸收有害成份。

水保障系統(tǒng)

1）增加從尿液中提取水的比例，從80%增至95%～98%；

2）開發(fā)生物催化和電物理的方法，在空氣中的冷凝水進入飲用水再生系統(tǒng)之前，深度氧化其中的有害混合物；

3）開發(fā)專用方法和裝置，獲取重穩(wěn)定氫同位素（重氫2H2及氧同位素17O2和18O2）含量低的水。

眾所周知，重氫同位素（重氫）能延緩生物化學變化的過程，并使水具有毒性，而重氫和同位素18O2含量較低的水則具有正面的生物醫(yī)學特性∶能增加高等植物的替換物，可提高鵪鶉的產(chǎn)卵率，能降低腫瘤的轉移速度，具有防輻射特性。

一個有效降低航天飛行不良因素的方法是∶建立適宜的居住環(huán)境，其中含有適宜的生物化學元素的同位素成分。

衛(wèi)生保健保障系統(tǒng)

1）開發(fā)用于水洗（沐浴）和熱洗（桑拿?。┑姆椒ê驮O備；

2）開發(fā)用于清洗紡織品的技術和設備（洗衣機）。

稠密排泄物收集、隔離和保存系統(tǒng)

開發(fā)稠密排泄物的消毒和保存方法，預防其微生物變異并污染航天器內(nèi)部及行星表面。

水質量、空氣物化和微生物指標常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)

開發(fā)用于水和空氣分析的方法和設備，建立總的監(jiān)測系統(tǒng)，對居住環(huán)境的質量，以及星際航天器生保系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)技術程序的運行情況進行常規(guī)監(jiān)測。

維生素溫室

開發(fā)維生素溫室，在能耗、質量和外形尺寸方面符合長期星際考察的要求。

當航天員在行星表面短期駐留時，使用基于耗材儲備的生保系統(tǒng)比較合理，這種系統(tǒng)特點是質量小且可靠性強。其中的氧源可以是固態(tài)氧，這種方法已經(jīng)成功用于和平號空間站和“國際空間站”。去除二氧化物可以使用裝有氫氧化鋰的吸收罐。

為了保存排泄物和廢棄物（尿液、糞便、空氣水汽冷凝物、嘔吐物，包裝材料），需要預先研制具有消毒和儲存能力的收集器。利用活性碳可以凈化空氣。可以使用小塊織物作為個人衛(wèi)生用品。

在行星基地進行長期考察時，當能源保障充足時，應當建立閉合式生態(tài)生命保障系統(tǒng)。在這種情況下可以充分利用當?shù)氐馁Y源（水、氧和土壤）。

美國火星著陸器著陸示意圖

3　火星考察的輻射安全問題

在航天飛行中當超越地球磁層后，就會缺少地球磁場的防護作用，如果缺少應有的防護措施，太陽宇宙射線的劑量就會達到對健康和生命構成危害的程度。在這種情況下，銀河系宇宙射線的輻射劑量也會增大，會增加對人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)和視覺器官的危害。

應當指出的是，目前在對太陽系宇宙射線進行分析時可能還存在極大的誤差。為此，有必要開發(fā)出太陽系宇宙射線由太陽向地球傳播的模型。

與輻射安全問題緊密相關的是，應當真實和詳細地說明宇宙射線對人體造成的不同程度的危害，也就是應當從對基因、亞細胞、細胞，器官及系統(tǒng)級的影響，直到對整個機體的影響都應加以說明。在這方面應當進行廣泛的和有針對性的研究。

限制空間輻射的影響，不僅涉及到乘員，而且還涉及到航天器上所有的生物體（動物、植物、微生物）。其中，如果長期連續(xù)受到小劑量輻射的作用可能會激活生物體的活性，其中包括微生物，這會使設備結構出現(xiàn)生物性損害，從而對考察的可靠性和安全性產(chǎn)生影響。目前在該領域的數(shù)據(jù)還有一定的局限性，需要進行分析和論證。

下面的重要問題與中子作用相關，中子出現(xiàn)在航天器上，是第一宇宙射線與航天器材料及生物用布原子核相互作用的結果。

星際考察中輻射對人的危害非常明顯，這要求必須建立輻射安全系統(tǒng)。

建立輻射安全系統(tǒng)的重要意義主要體現(xiàn)在∶在飛行線路上輻射作用的特性變化非常大，而且人在空間駐留的時間相當長。此外，在執(zhí)行星際考察任務時，人機體所有的器官長期處于緊張狀態(tài)，這就要求嚴格限制輻射及其他極端因素對機體的影響。

當今人們對火星任務中的輻射源有充分的認識。輻射源主要有三類∶地球輻射帶、太陽系宇宙射線和銀河系宇宙射線。在航天器中使用反應器及核動力裝置的情況下，來自其中的輻射也可作為補充的輻射源。這里所闡述的限制乘員輻射程度的問題，主要是指來自銀河系宇宙射線和太陽系宇宙射線的輻射源。

銀河系宇宙射線可以說是航天員長期的輻射源，其強度變化周期約為11年。用約10g/cm的鋁進行防護時，當最大太陽活性時，輻射日劑量當量約為1.5×10-4Sv，相應的年劑量當量值約為0.5Sv。當最小太陽活性時，年劑量當量值增加1倍，約為1Sv。為此，依靠防護物質很難減弱銀河系宇宙射線，由體表到體內(nèi)深處輻射劑量下降得很小，其放射生物學效應由體內(nèi)深處器官所受到的影響來確定。鑒于對銀河宇宙射線的防護很復雜，建議在太陽活性周期最大的階段進行太空飛行，這樣可以極大地減少飛船的質量。

太陽系宇宙射線是太空中偶發(fā)的電離輻射源。它們是極具危害性的輻射源，特別是在太空耀斑時，更具危險性。太陽質子事件的時間在幾個小時至幾晝夜之間。在耀斑期間總的輻射劑量可能會在幾個至幾千個cSv之間變化，這將取決于事件的強度和防護的特性。

上述的輻射劑量會導致乘組輻射風險的增加。為了對輻射加以限制，應當建立相應的劑量限額。但是，將輻射程度降至與地面相當?shù)乃?，需要建立相當厚度的防護，但這樣就無法實現(xiàn)火星飛行。因此，在建立標準和輻射安全體系時，只能在可以接受的不良輻射后果與實現(xiàn)火星飛行的可能性之間采取折衷的方案。

當今，使用因輻射作用而導致個體死亡的概率來說明輻射風險，這是輻射危險程度的量化特征。

在星際考察的輻射安全保障中，輻射監(jiān)控系統(tǒng)應當具有特殊的作用，因為使用該系統(tǒng)不僅能夠在規(guī)定的輻射劑量測定值內(nèi)，確定出對每名乘員所產(chǎn)生的輻射負荷，而且能夠預報飛行航線上和飛船內(nèi)部的輻射環(huán)境，能夠預報采取防護措施的有效時間。

在制定火星飛行的標準時需要解決的一個重要問題是∶在確定輻射風險時，哪些醫(yī)學和輻射生物學效應應當考慮，哪些數(shù)量模型應當使用或需要開發(fā)。

多數(shù)放射生物學后果的量化概念具有不確定性，特別是間接輻射效應更是如此。這種不確定性是解決火星考察乘組輻射安全保障最關鍵的問題之一。需要認真研究和解決的問題包括以下幾個方面∶

1）評價身體單獨器官定位防護的效果；

2）開發(fā)適合于星際飛行條件的藥物化學預防和防護方法；

3） 針對飛行計劃和火星飛行線路，研究輻射作用對航天員工作能力的影響；

4）研究航天員主動防護的技術方法，即利用特殊排列的強磁場將太空射線的帶電粒子從居住艙移開。

在星際考察中必須保證合理地消耗飛船的資源，保證飛船有最佳的質量，其前提條件就是確保整個航天員生物醫(yī)學保障系統(tǒng)的合理性。要做到這一點，必須制定航天員安全和生存能力整體指標（健康和工作能力）的量化標準，其中包括醫(yī)學風險的數(shù)值，這是順利完成火星考察任務的必須條件。

朱敏悅／本文編輯

Biomedical Support Problems of Human Interstellar Exploration