[科普中国]-失重生理学

航天中失重生理系统变化的原因感觉传入冲动改变

人在长期的进化过程中，逐步产生了适应重力环境的、具有各种特异功能结构的感受器，这些感受器不断地发放冲动到达中枢，使中枢神经系统产生了一系列适应地球环境的调节机制。航天中，由于重力消失，一些与重力刺激有关的感受器，如前庭感受器、压力感受器、触-压力感受器、肌肉与肌腱感受器等的传入冲动发生变化，这些变化势必导致在地面长期形成的、储存于各级神经中枢内的感觉-调节模式紊乱，同时也更新选来储存的信息，出现中枢神经系统的重调和生理系统的改变，以适应新的失重环境。这种中枢感觉冲突的紊乱是引起航天初期出现航天适应性综合症和感觉-运动紊乱的主要原因，也是引起长期航天中一些生理功能紊乱的起因之一。

流体静压消失，血液头向分布在地球上，流体静压对人体内血液的失重时，人体内的血液和其他物体一样失去了重量，结果使人体内的流体静压作用消失。在地球上，流体静压对人体内血液分布、血液的流动和整个血液循环状态都起着十分重要的作用，它的消失会引起血液和体液头向分布。失重时，人体内的血液和其他物体一样失去了重量，结果使人体内的流体静压作用消失。在地球上，流体静压对人体内血液分布、血液的流动和整个血液循环状态都起着十分重要的作用，它的消失会引起血液和体液头向分布。

运动能力减退地球上的人，无论行走、站立、工作都要克服地心引力的作用，经过长时间的发展进化，形成了一套适应重力的、发达的肌肉和骨骼系统。失重时，重力消失，人运动和作功时不需要对抗重力作用及维持体位在一定状态，肌肉和骨骼的作用降低。这是引起肌肉萎缩、骨质疏松、心血管系统和免疫系统变化的重要原因。1

研究方法自从人类开始太空探索以来，人们对失重环境及模拟失重环境下机体各系统的变化开展了大量的研究工作，实验动物应用研究是其中的主要研究方法。

主要方法空问实验能提供真实的失重环境，进行空问实验需要有适当的运载工具，但造价昂贵是最主要的制约因素。在运载工具进行动物实验时都需要有特殊的实验环境和设备。环境控制应符合生命保证的要求，提供适宜的大气压力、气体成分、温度和湿度；控制噪声和振动水平；供应水和食物，实际上构成一个完整的生保系统，实验设备必须完全自动化。设备还应力求体积小、重量轻；在舱内不产生有害成分；电源供应和线路连接等应符合舱内要求；必要时需配备照相等实时记录装置；生物标本的容器必须与生物组织有良好的相容性；所有这些都必须通过大量反复的地面实验才能确定。

应当指出在多数的空间动物实验中，受试动物的生活环境受到极大的限制，有报道表明动物生活环境的狭小和限制同样会造成机体各系统的异常。同时，在太空环境中的动物还不可避免地经受噪声、振动、宇宙辐射以及加速度等诸多因素的影响，这些因素同样可能对动物各系统的稳定和平衡产生影响。此外，由于进行太空飞行的经费昂贵，空间有限，飞行次数也较少，限制了进行有关实验需要达到的数量和分组．导致实验结果准确性下降。

建立模型失重动物模型的方法模拟失重动物模型(animal model of simulated micro—gravity)是指利用科学和有效的办法模拟空间微重力环境(通常也称失重环境)生物学效应的动物模型。

目前，利用实验动物进行地面模拟失重模型研究的方法主要有啮齿类动物后肢悬空+头低位、限制动物活动、实验用兔头低位倾斜法、猕猴头低位模拟失重等。其中利用将啮齿类动物尾部悬吊的方法造成动物后肢全解除负荷，加上尾部悬吊导致体液向上半部分转移的效果，以模拟太空失重环境下的骨骼重力刺激消失及体液的头向分布的情况，是一种国际公认的地面模拟失重模型。研究结果表明动物悬吊后上身器官质量明显增加、循环系统发生紊乱、立位耐力降低、骨膜形成受到抑制、骨质脱钙、肌肉萎缩、免疫能力下降，这些变化与人在失重或模拟失重时的变化趋势一致。

啮齿类动物模拟失重模型制作法是将大鼠后肢悬空+头低位，一般保持身体的主轴向(头尾方向)与地面保持约呈30°的夹角，此时的后肢全解除负荷。由于该模型能在相当程度上反映机体(尤其是后肢)去负荷的影响以及血液头向转移的变化，而且没有航天飞行中其他环境因素的干扰，目前在观察失重环境对骨骼肌肉系统和心血管系统所产生影响的研究中得到普遍使用。

限制动物活动方法是将动物养在一个狭小的笼内，使动物不能采取直立姿势，或是用绑带和石膏将动物固定。此方法适用于各种实验动物如猴、狗、兔、鼠等。它可以模拟失重所产生的运动减退对动物的影响，但体液头向分布的影响小。用石膏、绑带固定方法容易引起压疮，观察和测试也有一定困难，只能用于模拟失重时问较短的实验。前苏联将动物限制在小笼内，进行了长时间的模拟失重实验，观察到很多生理变化与航天中很相似。这些变化提示我们长时间不活动也可以引起人体生理系统的变化，它为航天飞行时加强体育训练必要性提供了理论依据。2

国内外失重生理学研究发展历程国外失重生理学研究的概况国外载人航天失重生理学的研究可分为如下三个阶段：

（1）载人航天准备阶段

载人航天飞行前，航天医学家不能回答人是否能在太空中生存的问题，他们担心太空中的失重环境将影响人体的各生理系统，进而危害航天员的健康和生命。因此，载人航天准备阶段失重生理学研究的任务，是观察人和动物在地面模拟失重条件下和短时间的失重飞行中及超失重交替过程中关键生理指标的变化，积累有关的医学和生理学资料，确定人进行太空飞行的可能性和安全性。

在此期间，采用生物火箭和卫星进行了动物飞行实验。1946～1947年间，美国首先采用了生物火箭进行猴失重飞行的研究，失重时间仅2～3s。1949年，前苏联开始在火箭上进行一系列研究，至1959年的10年间，进行了26次火箭实验，52只狗参加实验，失重时间最长是10min。1957年，前苏联把小狗“莱伊卡”送入地球轨道，1960～1961年还成功发射了4个载狗的航天器。在这些实验中记录的是与生命有直接关系的生理学指标，例如心率、血压、呼吸和体温。实验证明，动物可以很好地适应失重环境，没有出现危害动物生命的现象，这为人进入太空奠定了基础。

（2）短期载人航天飞行阶段

1961年，人类开始进行短期载人航天飞行，即少于2周时间的飞行。1961年4月12日，前苏联航天员加加林乘“东方”1号载人飞船进入太空，开创了载人航天的新纪元。之后，前苏联发射了“上升号”和“联盟号”载人飞船，美国则实施“水星”、“双子星座”和“阿波罗”载人飞船计划。在此期间，两国广泛积累了航天员在飞行前、中、后发生的生理变化数据，重点是研究失重对航天员心血管系统、前庭系统和工作能力的影响。短期飞行中记录的医学指标有：心率、血压、呼吸描记图、心电图、心震图、脑电图、眼电图、肌电图、体温及皮肤电活动等。

短期载人航天飞行的医学结论是，尽管失重对航天员的生理系统有一定影响，但航天员可以短时间地在空间环境中生活和工作，也可以适应舱外活动和登月。在此期间，在地面也进行了很多有关失重生理学的研究，主要是从整体上观察模拟失重对人体生理系统的影响，对其变化机理进行初步的研究，并制定一些行之有效的防护措施。此期间失重生理学的研究为后来航天员在空间站上的长期飞行奠定了基础。

（3）长期载人航天飞行阶段

美国于1973年发射了“天空实验室”试验性空间站，先后有3批航天员在上面分别生活和工作了28天、59天和84天。美国在“天空实验室”上进行了大量医学实验，并研究了航天员在长期飞行过程中心血管系统、骨骼系统、血液系统和水、电解质的动态变化过程。前苏联从1971年起先后发射了“礼炮”1～7号和“和平号”空间站，航天员在上面分别生活与工作了30～438天。在载人空间站上，前苏联进行了大量的医学观察和研究，并开始从细胞和分子水平上进行一些医学研究。长期航天飞行的医学研究结果表明，人可以适应失重环境，不同生理系统的适应过程不同。失重首先引起人机体内环境机制的紊乱，然后激活特殊的功能系统以适应新环境。但是，长期航天飞行也使人体生理系统出现一定程度的病理学改变，如抗重力肌萎缩、骨质疏松、立位耐力下降和心电图改变等。同时，在长达1年多的航天飞行中，人可以在失重环境中很好地生活和工作，这是由于采取了防护措施的结果。如果不采取防护措施，航天员就不可能维持飞行中的身体健康和工作能力以及返回后的再适应能力。尽管采取了不同的防护措施，但还是不能防止失重的不利影响。因此，目前对于载人航天飞行中航天员机体的一些变化机理还不清楚。

所有载人航天飞行中的失重研究都是在地面模拟失重实验的基础上进行的，每次航天飞行前都要在地面进行相同时间的模拟失重实验，然后才进行失重飞行。尤其是航天飞行中航天员机体改变的机理性探讨和防护措施的研究也大多是在地面进行，只是利用实际的航天飞行条件进行验证和检验。

国内失重生理学研究的概况我国失重生理学的研究始于20世纪60年代。当时，中国科学家曾用狗进行了少量的生物火箭实验。1968年，航天医学工程研究所成立，开始了系统的航天医学研究。20世纪90年代，第四军医大学航医系也开始了失重生理学的研究。我国失重生理学的研究是在地面模拟状态下进行的，尽管一些实验结果和假说还没有接受实际失重飞行的考验，但我国失重生理学的研究方法和分析法具有一定的特色，并取得了很多有价值的研究结果。1

我国失重生理学未来发展研究目标21世纪我国失重生理学的研究是进一步了解失重和失重与其他因素（辐射、心理、重力）综合作用对航天员整体与各个生理系统的影响，探讨其机理并制定有效的防护措施。其目标是：

（1）确保航天员在航天飞行期间和进入其他星球时具有健康、安全、良好的工作状态及高的工作效率。

（2）通过对空间环境的研究，进一步了解重力对生理系统的影响。

（3）利用空间环境解决地面医学研究方面存在的问题。其具体目标是：描绘出失重时人体生理系统变化的动态过程；了解失重与其他因素（重力、辐射、心理）复合作用时人体生理系统的变化；3.初步确定载人航天飞行中人体的病理性改变； 基本了解失重时人体生理系统变化的机理；5.制定出具有中国特色的综合性失重防护措施；建立装备先进仪器的空间站医学研究实验室，并进行失重生理基础研究；建立失重生理学研究数据库系统，对实验数据和样品进行综合分析和分发；建立失重对人体生理系统影响的数学模型，证实航天飞行中的测试结果，探讨机理，并进行健康风险评价。

实施方法一、根据国情，在失重生理学的某些领域进行深入研究

美国和前苏联/俄罗斯为了保证载人航天任务的顺利进行，不仅建立了庞大的航天医学研究机构，投入了巨额的经费、充足的人力、先进的技术和设备，而且它们拥有丰富的载人航天实践经验和大量的实验数据。而我们必须根据我国的实际情况，在认真调研和地面实验的基础上，找出失重生理学研究中急待解决的和有重大意义的问题，进行深入研究。

目前，失重生理学的许多研究还局限于寻找失重时人体生理系统变化的规律性上，大多是从宏观的水平进行研究，而微观层次上的研究很少。在深入研究人体生理系统变化的机理时，需要将整体－细胞－分子水平的研究结合在一起。这样做，一方面可以分析整体变化的原因，另一方面可以更好、更深入地了解空间生命活动的规律性以及变化发生、发展的细胞学与生物学机理，从而可以进一步推动失重生理学在载人航天飞行中的应用。

二、失重生理学的研究采用多方合作的方式

1、国际合作

国际合作是整个高科技发展的大趋势，也是快速、经济和高效发展航天医学的重要途径。在失重生理学的研究方面，也需要采用国际合作的方式。在此方面，航天生理学的研究是有教训的。到目前为止，失重生理学尽管已进行了40多年的研究，但还没有找出航天飞行中航天员各生理系统变化的规律。这其中很主要的一个原因，是各国或各个专家仅根据自己的实验项目进行实验设计，由于实验条件（观察指标和仪器、飞行时间、测量时间、航天员状态）不同和参加实验的人数有限，因此得出的结论很不一致，甚至是相反的结论。所以，很多科学家提出，在进行失重生理学研究时应制订统一的实验设计方案，以便从中发现变化规律。我国在进行失重生理学研究时，应加强国际合作，进行国际学术交流，并争取参加国际空间站方面的一些医学课题研究，同时也可以争取其他国家参加我国航天医学的研究。

2、国内合作

航天飞行中，航天员的生理变化不仅是局部生理系统的生理改变，而且涉及到多个生理系统的相互关系，是不同器官、组织在不同层次上发生的生理、生化、形态和结构的改变。对人体生理变化的研究涉及到多学科、多层次和多部门，仅仅依靠某一个研究单位是很难完成任务的，需要组织多学科、多部门的协同作战，围绕着一个研究方向或一个重大课题集中攻关。在具体实施方式上可以综合美国和前苏联/俄罗斯的研究方式，以医学工程研究所为核心，制定协调一致的计划，通过招标的方法建立协作课题组，对研究课题进行突破性研究。

三、应用研究与基础研究相结合

失重生理学是一门应用科学，其研究的最终目的是为了保证载人航天计划实施。它的研究与型号任务有十分密切的关系，最理想的研究是在航天员失重飞行时进行。但是，在航天飞行中进行大量的医学实验也是不现实的。因此，在选题和进行实验设计时，应考虑一次实验，多方收获。同时，在解决应用研究课题时，也可以为基础研究提供有用的信息、数据和思路。基础研究的目的也是为了应用，因此基础研究得出的成果，可以为应用研究提供指导性的意见和理论依据。所以，基础研究与应用研究必须紧密地联系在一起。

四、防护措施的研究应具有中国特色

目前，在航天飞行中航天员采用运动、下体负压、穿特种服装、饮盐水和服用药物等措施来对抗失重的影响，但仍出现了很多不利于航天员身体健康的生理－病理变化。因此，失重防护措施的研究仍然是今后研究的重点课题。在防护措施的研究上，我们可以突出中国医学的特色，用整体和辩证的方法分析失重时的生理改变，以中国医学的辩证论治的理论为基础，采用具有中国特色的中药、气功、针灸等方法，进行防护措施的研究。我们在这方面进行的地面实验证明，中药、气功、针灸等在改善模拟失重时人和局部生理系统的变化是有效的。进一步的研究是制定综合的防护措施，调整航天飞行中整个人体的机能状态，加快对航天飞行的适应和返回后的再适应过程。

五、地面模拟失重研究与航天飞行失重研究相结合

在进行失重生理学研究时，应注意将航天飞行失重研究与地面模拟失重研究有机地结合在一起。由于经费和实验条件的限制，在空间不能进行大量的医学实验，很多实验必须在地面模拟失重的情况下进行。地面模拟失重实验具有经费少、样本大、实验条件易控制、可进行深入机理和防护措施研究等优点，实践证明它可以预测、补充或证实航天飞行中的一些变化。但是，在地面上无法模拟长期完全失重的状态，因此，地面模拟失重研究只能作为航天飞行失重研究的补充。失重生理学中的一些重大问题还需要在航天飞行中进行研究。地面模拟失重研究与航天飞行失重研究二者之间的关系是：以航天飞行失重研究为主，地面模拟失重研究为辅，地面上研究结果需得到航天飞行研究的验证才有意义。

六、利用空间站进行失重生理学基础理论研究，并着重探讨变化机理

空间站是研究失重影响的最理想实验室。1983～1993年，国外发射了10个空间实验室，专门用于生命科学研究。从这些研究中得出的结论，对于研究失重时心血管功能失调、红细胞减少、骨质疏松和肌肉萎缩等原因提供了十分有价值的依据。我国今后也应在空间实验室中装备一些测试设备，进行失重状态下的人体生理学研究。1