[科普中国]-空间辐射生物学

特点

空间辐射是在空间飞行中导致生物体损伤的主要因素之一。根据辐射来源不同，可把空间辐射分为三部分，银河宇宙射线、太阳粒子事件和地磁场俘获带辐射。其中银河宇宙射线由来自太阳系的粒子组成，其中98%是质子及更重的粒子，只有2%是电子和正电子；太阳粒子事件发射大量的带电粒子如质子、氦核及更重的粒子，这些粒子的能量范围一般在10～200 MeV；俘获带主要由质子和电子组成，也包括少量的其他粒子，如氦，碳和氧；人们一般把比氦粒子更重的粒子称为高能重粒子，这三类辐射中，银河宇宙射线中的高能重粒子所占的比例最大。与其他粒子和射线相比，高能重粒子具有更高的传能线密度(Linear Energy Transfer，LET)，其相对生物学效应(Relative Biological Effects，RBE)要远大于其他的粒子和射线。因此，高能重粒子是空间环境产生诱变效应的最主要因素，能够造成基因组水平的不可恢复性损伤。

对空间飞行搭载的生物体而言，接受空间辐射的影响与如下三个因素有关：一是飞行高度。当飞行高度增加时，地球磁场强度下降，对辐射的屏蔽作用减弱，同时，飞行器穿过俘获带的频率增加，所受辐射强度增加。二是太阳黑子活动周期。在高峰年和低峰年之问太阳粒子事件辐射强度差别显著。三是受试生物体对辐射的敏感性不同也会造成对空间辐射产生不同的反应。对同一种受试生物在同一时间进行的空间飞行实验中，其所受空间辐射的影响主要与飞行轨道的高度有关。

根据不同的飞行参数，其所接受的俘获带辐射剂量约为20 mSv/m。需要特别指出的是在南大西洋异常区(South Atlantic Anomaly)，内部质子辐射带的边缘可以下降到约400 km的高度，飞行器在该区域所接受的辐射可占地轨道辐射总剂量的90%。飞行器内部的辐射剂量除与飞行轨道参数有关外，还与屏蔽材料的屏蔽能力及产生次级辐射的能力有关。

深空飞行的轨道远离地球磁场的保护及俘获带辐射的作用，因而认为与银河宇宙射线和太阳粒子事件有关。其他行星表面的辐射与这些行星的自身磁场和大气状况相关。例如，月球所接受的辐射条件与地球类似，但其缺乏磁场，粒子或射线到达其表面引起二次辐射形成电离带，产生辐射屏蔽作用；火星同样缺乏磁场的保护，低能量粒子直接被大气阻挡；木星强大的磁场俘获电子，产生类似地球的俘获带。屏蔽材料为4 g/cm2的飞行器穿越木星俘获带时，监测到每天3 mSv的舱内辐射剂量。2

防护电离辐射生物学效应防护空间电离辐射可对生物体带来严重危害，为此，需要针对空间辐射对生物体的危害进行防护。对于空间站的航天员来说．由于需要在空间站长期驻留．会受到太阳宇宙射线、GCR、地球辐射带等的高能带电粒子带来的辐射损伤。此外，对未来的深窄载人航天飞行而言，由于缺乏地球磁场的保护作用．且受辐射时间较长．辐射危害的可能性加大．必须解决辐射防护问题。

空间电离辐射生物学效应防护通常可以采用以下几种措施。

(1)物理屏蔽防护

针对空间电离辐射生物学效应的物理屏蔽防护可以分为主动屏蔽和被动屏蔽。主动屏蔽防护是用强磁场使带电粒子偏离弋行器．主动屏蔽目前的缺点是可靠性差。被动屏蔽主要是利用一定质量厚度的物质减弱或阻止一定能量的粒子辐射的质量屏蔽防护措施．利用飞行器、登月舱、居住舱或航天服的结构材料或其他防辐射材料对高能辐射粒子进行屏蔽。被动屏蔽的优点是技术简单、可靠性高和造价低廉．缺点是会使飞行器等显得笨重。

通过增加飞行器舱体厚度的被动防护方法将会增加飞行器的质量，这将对运载器带来极大的挑战。因此，可以通过建立容积较小的应急屏蔽室．利用飞行器舱内各种仪器设备、燃料、食物等物质进行科学布局，使各个方向上有大体均匀的质量屏蔽厚度．对航天员的若干重要器官进行局部防护等来实现埘空间生物的更好防护。

(2)辐射风险的监测与预警

对辐射风险进行监测和预警是实现空间辐射生物学效应的一种重要方法。呵以通过建立空间辐射风险性分析与预警模型和空间辐射剂量监测来实现。其空间辐射剂量监测包通过增加飞行器舱体厚度的被动防护方法将会增加飞行器的质量，这将对运载器带来极大的挑战。因此，可以通过建立容积较小的应急屏蔽室．利用飞行器舱内各种仪器设备、燃料、食物等物质进行科学布局，使各个方向上有大体均匀的质量屏蔽厚度．对航天员的若干重要器官进行局部防护等来实现埘空间生物的更好防护。

(3)辐射防护药物

采用航天辐射防护药物进行防护是航天员辐射防护的重要部分．研制高效低副作用的航天抗辐射药物也是载人航天防护的重要方向。

辐射防护药物可以分为抗辐射药物和生物防护药物两类。抗辐射药能降低辐射危害，但存在一定的毒副作用，且只有在大剂量辐射后才能发挥最大效果．如氨硫基类化合物、色氨类化合物等；生物防护药物则是通过增强机体对外界不良因素的抵抗力．从而达到减轻辐射损伤的目的，优点是无毒副作用，如维生素类药物和人参等中成药物。

此外，研究也发现，通过对植物种子涂覆一层抗辐射材料，也可避免辐射对植物种子的辐射损伤，这可以用来研究非辐射效应对空问诱变育种的效应和机理。

目前，辐射防护药物尚远远不能满足航天员的需要．因此．需要加强针对质子、重离子、X射线和Y射线等辐射粒子具有良好防护效果、较低毒副作用的辐射防护药物的研究。

(4)航天员的选拔

由于不同的生物个体对相同的辐射环境及剂量有着不同的敏感度，因此，可以从遗传学和基因工程角度人手．研究耐受空间辐射、不易产生辐射生物学效应或辐射敏感性较低的筛选方法，作为航天员选拔的参考。3

非电离辐射生物学效应防护非电离辐射的危害程度与其强度和作用时间有关，人体接受的辐射剂量愈大．发病率越高．辐射损伤程度越严重。在航天活动中．非电离辐射剂量相对较小．易于防护。对其的防护一般包括制定安全容许标准和采取防护方法使受照射量低于安全容许标准。

(1)制定非电离辐射安全容许标准

制定紫外线辐射暴露容许标准，应考虑到眼睛和皮肤的急性损伤与长期损伤两方面的危险。标准应当防止急性效应发生，并降低产生远期效应的危险。紫外辐射产牛损伤的阈剂量与波长有很大的关系。对微波与短波等射频辐射暴露容许标准的制定则需要考虑其致热效应与非致热效应。

(2)紫外线辐射防护

紫外光贯穿能力很弱，而且许多可见光透明的材料．对红外线和紫外线都有强烈的吸收作用，如普通玻璃可以完全吸收紫外线和波长在2 000 nm以上的红外线，闪此采用2 mm厚的普通玻璃即可屏蔽。当航天员出舱活动时，可以利用航天服或头盗防护罩光学窗口镀制滤光片实现对紫外线的反射。

(3)射频辐射防护

射频辐射防护可以从以下3个方面开展：一是尽量减少辐射体的泄漏并防止直接辐射航天员，航天员出舱活动时，应避免天线直接射向航天员，保持一定距离或者加强屏蔽设施；二是可采用防护服、防护眼镜或防护罩对航天员或生物体进行防护；三是加强对航天员加强健康检测，包括血象、眼科、心血管系统和脑电图等。3

未来发展空间辐射环境对生物的辐射效应以及空间辐射与微重力等环境对生物的协同作用将对生物的性能带来较大的影响。一方面，人们可以利用空间独特的环境资源开展空间育种和生物改性，利用其有利的方面为人类谋福利；另一方面，对航天员等空间生物在轨期间，也要对空间辐射对生物的不利因素进行有效防护。为此，需要从以下几个角度开展工作。

一是加强空间辐射环境及其与其他环境因素协同效应对牛物的作用机理研究，为空间育种、微生物改性及空间生物防护提供理论支持；

二是加强空间辐射生物学效应的地面模拟方法研究，对空间辐射及其与其他空间环境因素对生物的地面模拟等效性进行探讨；

三是加强空间辐射生物飞行试验技术研究，开发空问辐射牛物飞行试验装置；

四是针对空间辐射开展空间生物，尤其是航天员的辐射防护技术与防护方法研究．为生物的在轨安全提供防护手段和防护方法。3