火星旅途艰险 健康怎样保证

科幻电影中,宇航员飞往火星看来很容易。例如,在一部火星题材的影片中,男主人公飞往火星之旅一帆风顺,直到登陆火星后遇到沙尘暴才让他寸步难行。在另一部同类题材的影片中,男主人公飞往火星的过程也很顺利,直到在火星移民局遭遇武装袭击才出现挫折。

充满风险

但在现实中,不要说火星上的极端天气,也不要说火星移民局的武装人员,只说往返火星的旅途就充满危机。首次载人火星之旅,很可能由4~6名宇航员用大约3年时间来完成。这3年中,他们在火星表面要停留6~9个月,其余的时间均是在狭小空间里完成往返火星的旅途。

载人飞船离开地球去火星(想象图)。载人飞船离开火星返回地球(想象图)。

一旦离开地球引力和磁场的保护,太空中的微重力和辐射就成为很大的担忧:微重力导致宇航员颅内堆积体液,这可能引发视觉障碍;在整个行星际旅途中,宇航员都会被高能带电粒子持续轰击,因为这些粒子能轻易穿透飞船的保护壳。科学家尚不清楚这种粒子辐射的危害究竟有多大,但实验室研究表明,太空辐射会增加宇航员患癌症和其他疾病的风险。

载人火星任务的时间之长也意味着风险。与载人登陆火星相比,载人登月只算是小菜一碟。撇开几个宇航员因长时间困在飞船上的狭小空间里而可能出现的心理障碍之外,因火星之旅耗时比月球之旅长很多倍,所以宇航员在火星之旅途中患病或受伤的风险也大得多。火星与地球之间的距离是月球与地球之间距离的大约600倍,从火星发出的光速通信信号要20分钟后才能到达地球。因此,一旦火星机组出现紧急情况,向地面控制中心求助就根本来不及。美国宇航局的最坏打算是:首次载人火星之旅过程中可能出现人员死亡。

尽管有这些风险,一些国家仍都已宣布有意送宇航员(航天员)去火星。美国宇航局希望在2030年前后执行载人火星任务。为此,该局科学家正在研发载人火星之旅所需的一系列医疗设备和药物。必须承认,载人火星之旅的医疗装备仍处在早期研发阶段,其中一些项目可能完全行不通,例如万能诊断手杖仍是一个遥远的梦想。但科学家正在研发反重力太空服、抗辐射药物和微型医疗工具,并且希望它们在大约10年后就能被用于保障火星宇航员的健康和安全。

制造引力

在微重力环境中飘浮看起来是那么轻松惬意,但实际上对健康很不利。当身体无须承受自身重量时,肌肉和骨骼就会退化。在载人太空飞行初期,这是一个大问题。1970年6月,苏联的“联盟9号”机组在太空生活18天(这创下了当时的纪录)后返回地球,当时一名航天员在走出登陆舱时身体虚弱得都无法自己拿头盔。今天,国际空间站上的宇航员通过每天锻炼几小时来保持体力。但在微重力条件下生活会遇到的其他问题,依然悬而未决。

地球引力让人体的体液通常停留在下半身。而在太空中,体液因不受引力影响而流向人的头部,颅内压因此增加。这种感觉有点像是人坐在椅子上,然后把头夹在双膝之间。

宇航员在太空中每天需要锻炼几小时,才能让自己的肌肉和骨骼不会严重退化。下身负压服使用真空压强令受试者的体液流向足部,从而模拟引力效果。

科学家推测,眼球后面的压力持续升高会造成视觉障碍,例如大约半数太空宇航员所出现的远视。能感知引力的内耳前庭器官在平衡和运动控制中起着重要作用,而太空中的失重会影响前庭器官。一名宇航员说,在太空长时间生活后返回地球当天他就能很容易地走直線,但好几天后才能绕着圈子走而不至于撞墙。

为确保宇航员在火星旅途中行走和工作方便,火星飞船可能会配备人工重力机,例如下身负压舱。该装置向人的下半身施加真空压强(将人从腰部到脚都封闭起来)。真空的作用是重建向下的引力——让人的双足紧贴下身负压舱地面,从而让体液流向腿足。

在一项实验中,已被植入装置以检测颅内压的志愿者的下半身被封闭在下身负压舱内。在实验中,志愿者必须躺着,让颅内压接近宇航员在太空中的颅内压。当人在地球上从站立改为躺卧,其颅内压会从约为0升到大约15毫米汞柱,而宇航员在太空中的颅内压就约是15毫米汞柱。在2019年发布的另一项研究中,随着科学家缓慢增加志愿者下身负压舱的真空压强,他们的平均颅内压从15毫米汞柱降到9.4毫米汞柱。

需要在下身负压舱中待多久,才能让人体免遭体液在太空中上升到头部所带来的负面效应?科学家对此还不清楚。但考虑到待在下身负压舱里可能是一天中大部分时间的要求,科学家已研发出在日常活动期间可以穿戴的下身负压服雏形。它包括有内置鞋和环腰密封器的两条工作裤。真空压强迫使穿戴下身负压服者的体液流向足部。科学家说,虽然下身负压装置仍是人工重力的初级形式,但这类装置比另一些种类的人工重力装置(如离心机)更容易被送到太空。

通过让人体旋转,离心机模拟了地球引力对人的作用。

大猎鹰飞船

大猎鹰飞船是第一艘已经开始建造并测试的载人火星飞船,其最终目标是同时运送数十名宇航员前往火星。一旦抵达火星,飞船上的推进剂制造工厂就会立刻以火星上的本地资源为原料,制造飞船返回地球所需要的甲烷和氧气。该飞船全长55米,直径9米,不装载燃料时净重85吨。

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离心机通过离心力来模拟重力。当你把绳子的一端系在一个装着水的桶上,手拿绳子的另一端用水桶旋转,水桶到达你头顶上时水不会流下来,这便是离心力的作用。旨在帮助宇航员适应微重力的离心机的外形有点像一台旋转木马,但旋转的不是小马,而是床。“骑马人”躺在床上,头朝“旋转木马”的中心。“木马”旋转,施加水平方向的向外离心力,作用于“骑马人”的脚。这种离心力犹如地球对人的引力。发射一台房间大小的离心机到太空飞船上,比发射一件下身负压服困难得多。但一些科学家认为,全身离心体验有助于对付下身负压服不能解决的问题(如内耳问题)。

为了调查离心机对感觉控制的效果,科学家让22名志愿者在离心机上躺了60天,以此模拟微重力条件下的生活。其中16名志愿者每天接受旋转总共30分钟。另外6名未被旋转。在志愿者躺上离心机实验前后,科学家测试他们的平衡功能,让他们参加翻越障碍课程并记录相关数据。虽然测试数据还很有限,但看来人工重力对运动控制有帮助。

抵御辐射

微重力对火星机组可能会是一个挑战,但宇航员对这个挑战很熟悉,毕竟很多宇航员都已在太空接受了微重力的考验,科学家也找到了一些對付微重力影响的办法。而另一方面,宇航员迄今没有长期接触的深空辐射的确是一大风险。

太阳系充满被称为星系宇宙射线、以接近光速穿行的带电粒子。这些粒子可以轻易穿透金属。它们可杀死细胞,或在DNA内部导致变异。与身在地球上的人一样,空间站上的宇航员在很大程度上也受到地球磁场保护,基本上避开了这些小小的“宇宙核弹”。但在前往火星途中,预计宇航员每天所接受的辐射量几乎达2毫西弗,相当于每6天接受一次全身CT检查。

迄今为止,唯一遭受过深空辐射的人是登月宇航员,但他们受到深空辐射的时间不到两周。火星之旅却要漫长许多,科学家尚不确定宇航员在此期间会遭遇多么严重的深空辐射伤害。但通过对动物和细胞的实验,科学家判断结果不妙。

在2018年进行的这类实验中,模拟太空辐射的粒子束损害了心脏和血管组织,这表明火星机组在任务过程中患上心血管疾病的风险较高。在2019年进行的一项同类实验中,接触模拟深空辐射的实验鼠显示出认知功能损伤。还有大量动物实验数据表明,深空辐射可能引发肝癌、肺癌和脑癌等多种癌症。

大约30名非医学人士从一个旨在帮助宇航员的软件系统学习紧急救助。经过几个月训练后,他们表现出色,只在插呼吸管和静脉插管方面表现不是太好。

这看起来很恐怖,但动物和细胞实验结果并不等同于人体实验结果。实验鼠不是人,培养皿中的脑细胞也不是大脑。另外,在动物和细胞实验中,动物或细胞是一次性或在数周或数月时间里接受总量为高剂量的辐射,而火星宇航员是在几年时间里连续接受低剂量辐射,因此两者有本质区别。不过,由于动物和细胞实验结果令人担忧,因此科学家正在测试多种不同的抗辐射药物。

这些药物中最有希望测试成功的是抗氧化剂。高能带电粒子可通过把人体内的水分子分裂成被称为活性氧的有毒化合物而对人体造成损害。为身体输入抗氧化剂,可能有助于控制一些活性氧的害处。可选的抗氧化剂中包括维生素A、维生素E和硒代蛋氨酸(一些膳食补充剂中的成分之一),所有这些抗氧化剂都已被证明能在不同程度上降低辐射的负面效应。

就算是浆果类所含的天然抗氧化剂,也可能有帮助。在2017年进行的一项记忆能力实验中,连续四周食物中被添加冻干蓝莓粉,然后接触高剂量辐射的实验鼠比不添加天然抗氧化剂的实验鼠表现优异。在测试中,实验鼠看到两个物体:其中一个它们以前见过,另一个则没见过。被喂食蓝莓粉的实验鼠,把70%的探索时间花在对未见过物体的探索中,这对认识旧物体(之前见过的物体)的实验鼠来说并不意外,而未被喂食蓝莓粉的实验鼠,花在见过与没见过物体上的探索时间各占一半,这说明它们已经忘了之前见过的物体。

然而,单靠抗氧化剂并不足以提供全面的辐射保护。科学家正在测试阿司匹林等抗炎药物是否有助于减少高能粒子造成的细胞损伤。为了抵御深空辐射侵害,可能需要多种药物配伍。如何挑选出最优的抗辐射药物或最优药物组合呢?科学家仍在探索中。

自己治疗

在人工重力条件下轮班和吞服抗氧化剂,或许将成为宇航员的常态。但火星机组必须在没有地面控制中心指导的情况下独自应对突发疾病和伤害。

训练成功率

火星机组可能会包括一名医生,但医生也可能会得病,而且火星机组的医生必须是个万能医生。这样的人看似很难找到,因此,理想情况是火星飞船配备能考虑宇航员症状、建议医学检查、做出诊断和给出疗法的人工智能系统。不过,这样的系统距离现实依然遥远。

目前,被用于医院和诊所的最先进的症状检查工具是“视觉Dx”。视觉Dx的使用者回答关于患者的一些问题(例如症状和人种),筛选可能的诊断结果。对于25d858de82614ba3301384b05fd80b6e皮肤症状来说,视觉Dx软件能分析患者的皮肤照片,还能帮助使用者分析超声波扫描结果。视觉Dx的研发者已经设计了一种可在不联网的情况下,用在手提电脑上的深空视觉Dx版本。该软件不会考虑所有可能的诊断结果(例如不会考虑热带传染病,因为深空和火星都很寒冷),而是专注于宇航员在深空可能有较高概率患上的疹子和肾结石等疾病。

为帮助宇航员进行急救和医学检查,科学家研发了一种名叫“自主医疗官支持”(简称AMOS)的软件系统。该系统的初级版本采用图片和视频,教不懂医学的人学会进行眼睛检查和插呼吸管等。科学家对30名非医学专业志愿者测试了AMOS的雏形。在测试中,AMOS教这些志愿者学习怎样执行多个医学程序。学完后3-9个月,这些志愿者再次执行这些程序,可以借助AMOS,以此模拟宇航员在实际飞行前的AMOS训练,和在执行火星任务过程中紧急情况出现时的医学应对。

大约80%的志愿者准确执行了眼睛检查和超声波检查。大约70%的志愿者正确进行了静脉插管,但只有大约一半的人插呼吸管成功。2020年4月,在没有地面控制中心帮助的情况下,空间站上的宇航员使用AMOS,成功执行了肾和膀胱超声8ea299aafdb7f74100acb4caf1f02c95波检查。

在执行医学檢查时,宇航员将不会拥有科幻影片中巨型飞船上那样很地球化、设备很完整的医务室,而是需要安装在并非宽敞的飞船上的微型医疗设备。在飞船的医学成像方面。现在科学家的目光聚焦的是一种叫“蝴蝶智商”的新型超声波装置,它只用一根电动剃刀大小的探测仪就替换了通常超声波检查所需的各种传感器。标准超声波检查仪的重量是“蝴蝶智商”的16倍,后者把图像显示在手机APP上。

火星宇航员用来相互治疗伤口的医药箱必须轻质、紧凑。为决定火星飞船急救包中该有些什么,科学家运用的是美国宇航局的集成医疗模型。该模型预测的是宇航员在特定任务中最容易出现的健康问题。科学家把任务细节(比如宇航员前往的目的地、宇航员性别和已有健康风险等)输入模型,然后模型通过上万次模拟来预测特定机组所面临的从便秘到心脏病等各种健康风险,由此决定医疗箱中该装些什么。

大猎鹰飞船新型超声仪“蝴蝶智商”运用一根包含一块芯片、发出蜂鸣声的探头产生各种频率的超声波。来进行全身扫描。“蝴蝶智商”比目前国际空间站上的超声仪小巧和容易使用。

一家正在研发用一滴指尖血探查多种疾病化学指标的芯片(信用卡大小)的公司,也在为宇航员研发便携式查血芯片。

一家公司正在研发信用卡大小的芯片,来探查一滴血中多种疾病的化学标志物。芯片上的一系列探测器包含的化合物会在锁定一个特殊生物标志物后发出荧光。血液中该标志物浓度越高,荧光越亮。阅读器将荧光信号转译出来。该芯片可检测心脏病、肺部血栓及肝肾问题。美国宇航局计划于2022年执行的载人月球任务,将可能使用包含该芯片的急救包。因为这次载人旅行为期仅三周,所以急救包也简单:只包含治疗背痛、晕动病之类疾病的药物。

载人火星之旅是一大全新挑战。不过,科学家依然有至少十年时间来研发微型医疗设备和火星飞船医药箱。我们有理由相信,载人火星之旅迟早会成行。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午9:40。
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