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震惊!太空中待一年 对人体会有这么多影响

www.creaders.net | 2024-06-13 13:01:57  BBC中文网 | 0条评论 | 查看/发表评论

当前美国宇航员单次太空之旅的纪录是371天,但长时间的轨道飞行会以一些令人惊讶的方式改变宇航员的身体,给他们的肌肉、大脑甚至肠道细菌都带来变化。

在几次握手和简短的拍照后,美国国家航空航天局(NASA)宇航员弗兰克·卢比奥(Frank Rubio)挥手告别了国际空间站。这个美式足球场大小的模块和太阳能电池板的集合体曾是他在过去371天的家。他离开国际空间站并返回地球,标志着迄今为止美国人最长单次太空飞行的结束。

2023年3月,他和机组成员原定乘坐的飞船出现冷却剂泄漏,导致在轨时间被延长,这使其在太空的时间超过了美国人此前创下的连续355天的纪录。在太空中多待的几个月让卢比奥总共绕地球飞行了5963圈,行程达1.574亿英里(2.533亿公里)。

即便如此,他距人类有史以来最长的太空飞行纪录还差两个月左右——1990年代中期,俄罗斯宇航员瓦列里·波利亚科夫(Valeri Polyakov)在“和平号”空间站上待了437天。

“联盟MS-23号”飞船在哈萨克斯坦大草原热兹卡兹干镇附近的一片尘土中安全落地,卢比奥带着灿烂的笑容被抬下飞船。由于他在国际空间站的低重力环境中度过如此长的时间,他的身体出现了一定损害,因此他不得不被回收小组抬出太空舱。

不过,他延长的太空之旅将为人类如何应对长期太空飞行,以及如何最好地应对它可能带来的问题提供有价值的见解。他是首位参与研究在健身器材有限的情况下锻炼会对人体产生何种影响的宇航员。

随着人类将目光投向更深入地对太阳系进行载人探索,这些信息将被证明是至关重要的。例如,根据目前的计划,返回火星的旅程预计将耗时约1100天(三年多一点)。宇航员将乘坐的飞船比国际空间站小得多,这意味着需要更小的轻型运动设备。

但是,撇开健身问题不谈,太空飞行对人体有什么影响呢?

震惊!太空中待一年 对人体会有这么多影响

弗兰克·卢比奥以371天的时长创造了美国单次太空旅行最长纪录,但这对他的身体造成了影响。NASA/GETTY IMAGES

震惊!太空中待一年 对人体会有这么多影响

卢比奥带着灿烂的笑容被抬下飞船。在太空待了371天后,卢比奥表示“回家真好”。NASA TV

肌肉和骨骼

在太空中,没有了重力对我们四肢的持续拉力,肌肉和骨量就会迅速减少。受影响最大的是那些帮助我们保持背部、颈部、小腿和股四头肌姿势的肌肉——在微重力状态下,它们不再需要像以前那样努力工作,因此开始萎缩。

仅仅两周之后,肌肉质量就会下降20%,而在三到六个月的长期任务中,肌肉质量会下降30%。

同样,由于宇航员的骨骼不像在地球引力作用下那样承受那么大的机械负荷,他们的骨骼也会开始脱钙并变得脆弱。

宇航员在太空中度过的每个月都会损失1至2%的骨量,在6个月的时间里最多损失10%(在地球上,老年男性和女性的骨量损失率为每年0.5%至1%)。这会增加他们骨折的风险,并延长骨折愈合所需的时间。返回地球后,他们的骨量可能需要长达四年的时间才能恢复正常。

为解决该问题,在轨宇航员每天要进行2.5小时的运动和高强度训练。其中包括使用安装在国际空间站“健身房”中的阻力运动装置进行一系列深蹲、硬举、划行和卧推训练,以及定期在跑步机和健身自行车上进行锻炼。他们还服用膳食补充剂,以尽可能保持骨骼健康。

然而,最近的一项研究强调,即便有这样的锻炼方式也不足以防止肌肉功能和体积的损失。该研究建议测试更高负荷的阻力运动和高强度间歇训练是否有助于抵消这种肌肉损失。

由于缺乏向下拉身体的重力,宇航员在国际空间站停留期间会发现自己长高了一点,因为他们的脊柱会略微伸长。这可能会导致一些问题,比如在太空时背部疼痛,以及回到地球后椎间盘滑脱。

在返回地球之前,卢比奥本人在国际空间站上的一次简报会上说,他的脊椎正在生长,并表示这可以帮助他避免常见的颈部损伤。当飞船撞击地面时,如果宇航员试图从座位上抬起头来看发生了什么,就可能会遭受这种损伤。

“我觉得我的脊柱已经伸展到了足够的程度,我就好像被卡在座椅衬垫里了,所以我应该不会动太多。”他说。

体重减轻

虽然体重在轨道上意义不大——微重力环境意味着任何没有被拴住的东西都可以在国际空间站内自由地漂浮,包括人体——但在轨道上保持健康的体重是一项挑战。

尽管美国国家航空航天局努力确保宇航员吃到各种营养食品,包括最近在空间站上种植的一些沙拉叶,但这仍然会影响宇航员的身体。

NASA宇航员斯科特·凯利(Scott Kelly)参加了一项最广泛的针对长期太空飞行影响的研究。他在国际空间站上待了340天,而他的双胞胎兄弟则留在地球上。在轨期间,他的体重减少了7%。

“研究人员在斯科特·凯利从国际空间站返回后对他进行了检查,发现他肠道中的细菌和真菌与进入太空前相比发生了很大变化。”

视力

在地球上,重力会迫使我们体内的血液向下流动,而心脏则会将血液重新泵送上来。然而,在太空中,这一过程会变得混乱(尽管身体在一定程度上会适应),血液会比正常情况下更多地积聚在头部。其中一些血液会积聚在眼球后部和视神经周围,导致水肿。

这会导致视力变化,如锐度下降和眼睛本身的结构变化。这些变化可能在两周后开始出现。随着时间的推移,风险也会增加。有些视力变化会在宇航员返回地球后的一年内逆转,但有些则可能是永久性的。

暴露于银河宇宙射线和高能太阳粒子也会导致其他眼疾。地球的大气层有助于保护我们免受这些伤害,但一旦进入国际空间站轨道,这种保护就会消失。

虽然航天器可以携带屏蔽装置来帮助阻挡多余的辐射,但国际空间站上的宇航员报告说,当宇宙射线和太阳粒子击中他们的视网膜和视神经时,他们的眼睛会看到闪光。

神经变化

研究人员发现,在国际空间站上长时间停留后,凯利的认知能力变化不大,与他兄弟在地面上的认知能力相对持平。不过,研究人员确实注意到,凯利认知能力的速度和准确性在他落地后的大约六个月内确实有所下降,这可能是由于他的大脑重新适应了地球重力,以及他回家后截然不同的生活方式。

2014年,对一名在国际空间站停留169天的俄罗斯宇航员进行的研究显示,在轨道上,人类大脑本身似乎也发生了一些变化。研究发现,大脑中与运动功能有关部分的神经连通性水平发生了变化,前庭皮质也发生了改变,前庭皮质在定向、平衡和感知我们自己的运动中起着重要作用。

考虑到太空失重的特殊性,这也许不足为奇;宇航员通常必须学会如何在没有重力的情况下有效地移动,将他们固定在任何物体上,并适应一个没有上下的世界。

最近一项研究引起了人们对宇航员长期进行太空任务期间大脑结构可能发生其他变化的担忧。大脑中被称为右外侧脑室和第三脑室的空腔(负责储存脑脊液、为大脑提供营养和处理废物)会膨胀,并需要长达三年的时间才能缩小到正常大小。

友善细菌

近年来的研究表明,保持身体健康的一个关键是生活在我们体内和体表微生物的组成和多样性。这些微生物群可以影响我们的消化食物方式,影响体内炎症的水平,甚至改变我们大脑的工作方式。

研究人员在凯利的国际空间站之旅后对他进行了检查,发现他肠道中的细菌和真菌与进入太空前相比发生了很大变化。这也许并不完全令人惊讶,因为他吃的食物与以前大不相同,而且与他朝夕相处的人也发生了变化(我们从生活在一起的人身上获得了数量惊人的肠道和口腔微生物)。但是,暴露于辐射和使用循环水,以及他身体活动的变化也可能是原因之一。

震惊!太空中待一年 对人体会有这么多影响

斯科特·凯利前往国际空间站进行了为期340天的旅行,研究人员借此研究了太空对他的影响,并与他在地球上的双胞胎兄弟进行了比较。

皮肤

虽然现在已经有五名NASA宇航员在轨道上度过了超过300天的时间,但我们还是要感谢凯利,因为他让我们了解他的皮肤在轨道上的变化。

在他从空间站返回后的六天左右,人们发现他的皮肤变得更加敏感,并出现了皮疹。研究人员推测,在执行任务期间缺乏皮肤刺激可能是导致他皮肤不适的原因。

基因

凯利延长的旅行所带来最重要的发现之一是他DNA所遭受的影响。在每条DNA链的末端都有一个被称为端粒的结构,它被认为有助于保护我们的基因免受损伤。随着年龄的增长,端粒会越来越短,但对凯利和其他宇航员的研究表明,太空旅行似乎会改变端粒的长度。

“然而最令人震惊的是,我们发现在太空飞行中端粒的长度明显更长。”科罗拉多州立大学环境与放射健康学教授苏珊·贝利(Susan Bailey)说。

她对另外10名无关的宇航员进行了单独研究,这些宇航员参加的任务时间较短,约为6个月。“同样出乎意料的是,所有宇航员的端粒长度在返回地球后都迅速缩短。与长期健康和衰老轨迹特别相关的是,宇航员在太空飞行后的端粒普遍比飞行前短得多。”

她说,这种情况发生的确切原因仍在研究之中。“我们有一些线索,但更多的长期乘员——比如在太空中度过一年的卢比奥——对于真正描述和理解这种反应及其潜在的健康结果至关重要。”

一个可能的原因或许是在太空中人暴露在了复杂的辐射组合中。她说,在轨道上长期暴露在辐射中的宇航员会出现DNA损伤的迹象。

震惊!太空中待一年 对人体会有这么多影响

国际空间站的微重力环境会对人体产生重大影响,这对人类进一步探索太阳系将是一个挑战。

在凯利身上还看到了基因表达的一些变化,这可能与他的太空之旅有关。基因表达是读取DNA以在细胞中产生蛋白质的机制。其中一些变化与身体对DNA损伤的反应、骨骼形成和免疫系统对压力的反应有关。然而,这些变化中的大多数在他返回地球后的六个月内就恢复了正常。

2024年6月,一项新的研究强调了男性和女性宇航员的免疫系统对太空飞行的反应方式之间有一些潜在差异。这项研究利用从2021年秋天在轨道上飞行了不到三天的SpaceX公司“灵感4号”任务人员身上获得的基因表达样本数据,确定了与免疫系统、衰老和肌肉生长相关的18种蛋白质变化。

研究将他们的基因活动与之前执行任务的其他64名宇航员的基因活动进行了比较,发现与飞行前相比,三种在炎症中发挥作用的蛋白质的表达有所变化。男性往往对太空飞行更加敏感,他们的基因活动受到更多干扰,返回地球后需要更长时间才能恢复常态。

研究人员特别发现,与女性相比,男性体内两种蛋白质的基因活动受到的影响更大,其分别是有助于控制体内炎症水平的白细胞介素-6(Interleukin-6),以及将免疫细胞送到感染部位的白细胞介素-8(interleukin-8)。另一种参与凝血的蛋白质纤维蛋白原,在男性宇航员中也受到了更大的影响。

但研究人员表示,他们仍需弄清为什么女性似乎对太空飞行的这些特殊影响不太敏感,但这可能与她们对压力的反应有关。

听到NASA宇航员佩吉·惠特森(Peggy Whitson)描述她在太空中的生活是如何改变她的身体的。惠特森在太空中累计停留了675天,是在轨道上停留时间最长的美国人,不过世界纪录目前由俄罗斯宇航员奥列格·科诺年科(Oleg Kononenko)保持,他在太空中累计停留了878天。

免疫系统

凯利在进入太空之前后和停留在太空站期间都接种了一系列疫苗,他的免疫系统反应正常。但贝利的研究发现,宇航员的白细胞数量确实会减少,这与他们在轨道上接受的辐射剂量有关。

然而,关于太空旅行会对在地球上进化而来的双足、大脑袋生物产生什么影响,还有许多问题有待解答。当研究人员仔细检视在太空中呆了371天的卢比奥的医学检测、血液样本和扫描结果时,他们无疑希望能了解到更多信息。

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