科学好故事

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出品:新浪探索 《科学好故事》第六期 作者:Christopher Wanjek 来源:WIRED 编译:任天 太空是一个对人类极其不友好的环境:没有空气,充满了以高能光子和高能原子核形式存在的致命粒子。失重也会影响你身体的各个部分,甚至连你身体里的蛋白质也无法分辨上下的方向。许多医生仍然认为将人类送到月球以外是非常危险的,这无异于自杀 有关太空旅行的书籍和杂志文章经常把这种冒险比作穿越变幻莫测的海洋,前往神奇美丽的新大陆。人类祖先用原始工具,手工制作了木舟穿越南太平洋,他们在出发时,并没指望能安全归来。他们在开阔的水面上度过了几天、几星期甚至几个月,暴露在恶劣的环境中,只有少量的食物和水。许多人在途中死去,但也有少数人到达目的地开始了新的生活。 毫无疑问,数万年前人类的早期迁移充满了危险,但海水不会破坏你的DNA;海雾也不会破坏你的脑细胞;波涛再汹涌也不会导致眼睛里出现积液,更不会造成永久性的视网膜损伤。在最终到达陆地时,你可以步行,不会因为双腿过于虚弱而需要医生和工程师把你抬下船,而且,当你到达目的地时,你很有可能会立刻找到食物和水。 简而言之,尽管人类不能在海水里生存,但我们可以借助浮木穿越大海。然而,太空与海洋完全不同。在过去的几百年甚至几千年里,人类在地球上的每一次旅行所面临的挑战,无论多么艰巨,与月球以外的太空旅行相比,都显得苍白无力。从工程学的角度来看,太空旅行在技术上是可行的。毕竟,50年前我们就把人类送上了月球。我们也向太阳系发射了众多探测器,在金星、火星、土卫六、彗星67P/丘留莫夫-格拉西缅科和一些小行星上进行了软着陆。不过,许多医生仍然认为将人类送到月球以外是非常危险的,是一种无异于自杀的行为。 太空有多危险? 宇航员在火星旅行时的辐射暴露水平远远超过地球工作场所的辐射水平。在考虑派宇航员前往火星时,美国国家航空航天局(NASA)需要得到基于“最低合理可行”(As Low As Reasonably Achievable,简称ALARA)原则的特别豁免。这项豁免要求NASA在发射前仔细评估宇航员的健康风险。我们可以做些什么来降低宇宙辐射的威胁?防护,很多很多的防护 但是,辐射暴露只是危险之一。NASA的“人类研究路线图”确定了34种已知的健康风险和233个有关风险认知的“缺口”。例如,有4种已知的健康风险与辐射有关:太阳耀斑造成的辐射中毒;脑损伤;心血管损害;以及普通的癌症。而对于认知缺口,主要是关于遗传、生育能力和空间辐射对不育的影响等问题。因此,太空旅行者很可能会遇到更多超出我们认知的健康风险。以下就是34种已知的太空旅行风险(基本的机械故障,如火箭爆炸等不在此列): 1、与临床相关的不可预测的药物影响; 2、再次暴露于重力环境后出现椎间盘损伤的风险; 3、辐射暴露导致急性(飞行中)和晚期中枢神经系统反应的风险; 4、太阳粒子事件导致急性辐射综合症的风险; 5、不良认知或行为反应以及精神障碍的风险; 6、暴露在宇宙尘埃中可能对健康和工作表现产生不利影响的风险; 7、由于宿主与微生物的相互作用而产生不良健康影响的风险; 8、免疫反应改变导致不良健康事件的风险; 9、由于飞行中医疗状况而导致不良健康结果和工作表现下降的风险; 10、居住地设计不合理的风险; 11、由于太空飞行引起骨骼变化进而导致骨折的风险; 12、心脏节律问题的风险; 13、辐射暴露与次生太空飞行压力源导致心血管疾病和其他退行性组织问题的风险; 14、减压病的风险; 15、太空飞行导致早发型骨质疏松症的风险; 16、由于与太空飞行相关的前庭/感觉运动能力发生改变,导致无法完全控制航天器/相关系统并出现工作表现下降的风险; 17、由于肌肉质量、力量和耐力受损而导致工作表现下降的风险; 18、人类和自动化/机器人集成设计不足的风险; 19、人机交互不足的风险; 20、任务、流程和任务设计不充分的风险; 21、营养不足的风险; 22、由于长期储存而导致药物无效或有毒的风险; 23、舱外活动(EVA)操作导致受伤和工作表现下降的风险; 24、动态负载的损伤风险; 25、在再次暴露于重力时,有直立不耐受的风险; 26、由于团队合作、协调、沟通和心理社会适应不足,导致工作表现和行为健康下降的风险; 27、由于食物系统不充足导致身体机能下降和生病的风险; 28、由于睡眠不足、昼夜节律失调和超负荷工作而导致的工作表现下降和不良健康结果的风险; 29、由于培训不足而导致工作出错的风险; 30、辐射致癌的风险; 31、由于低压缺氧导致宇航员健康和工作表现下降的风险; 32、由于有氧能力下降而导致身体机能下降的风险; 33、肾结石形成的风险; 34、太空飞行相关神经视觉综合征的风险。 在这34种风险中,有三种是宇航员潜在的“终结者”:辐射、重力(或缺乏重力)以及需要手术或复杂医疗程序的情况。 重力的重要性 让我们来探讨一下重力问题。 20世纪中期的一些科幻小说作家推测,零重力让让人重获新生:血液会更容易流动;关节炎将成为过去;背痛会被永远治愈;就连衰老本身也会减慢。然而,我们从早期的太空计划中得到的信息显示,这样美好的场景是不真实的。 有三种风险是宇航员潜在的“终结者”:辐射、重力(或缺乏重力)以及需要手术或复杂医疗程序的情况 当宇航员从好几天的失重状态回到地球时,会感觉很虚弱,但他们很快就会恢复过来,于是很多人以为,失重也许并没有那么糟糕。我们来看看那些在太空中度过了更多时间的人。在和平号空间站上生活数月的俄罗斯航天员在返回地球时,似乎出现了一些严重、持续更久的健康问题。一些被奉为英雄的航天员在回到地球后很少公开露面。正是国际空间站的任务向我们传达了这样一个信息:长期处于失重状态会在很多方面伤害人类的健康。NASA在这方面做了许多工作。 在继续讨论之前,让我们先定义一些术语。首先是“零重力”,尽管看起来是这样,但在近地轨道的背景下这可能有点用词不当。国际空间站上的宇航员并不是生活在没有重力的环境中。相反,他们是在自由落体,永远落在地平线上,不会落向地球。国际空间站和其他卫星并不是因为摆脱了地球引力而漂浮在太空中,而是因为它们惊人的水平速度。国际空间站以平均每小时27743.8公里的速度运行。如果它以某种方式完全停止的话,就会直接掉到地球上。事实上,地球的重力使运行中的卫星在轨道上保持着完全的平衡,如果没有地球的重力(比如地球突然神奇地消失了),卫星就会以发射时设定的横向速度直线发射出去。因此,在描述国际空间站上缺乏重力的感觉时,更准确的术语应该是“微重力”和“失重”。 不过,这两个术语也不够完美或准确。国际空间站上的宇航员本身是有重量的,大约是他们在地球上体重的90%,而地球就在他们脚下约320公里。宇航员在月球上的重量要轻得多,大约只有自身体重的16%。绝对零重力是不可能实现的,因为任何两个物体之间都存在引力。但在太空深处,远离任何月球、行星或恒星的引力牵引时,引力就几乎为零。在太空旅行中,我们或许可以交替使用“零重力”、“微重力”和“失重”这三个术语。 重力对人体的影响可以用两个数字来理解:1和0。在地球上,我们受到的重力是1G;在国际空间站上,宇航员受到的重力是0G。我们对介于二者之间的情况一无所知。空军飞行员在加速时,有时可能体验到5G或更高的加速度,这有时会导致晕厥。5G就是正常地球重力的5倍,能将血液从飞行员的大脑中挤出。但是,这种力量通常只持续几秒钟;飞行员并不会在超重力环境中生活。无论如何,我们不太关心大于1G的力,因为太阳系中我们想去的每一个地方——L2轨道、月球、火星等等——的重力都小于1G。 1G有什么特别之处?简单来说,这就是伴随我们演化的力。我们的骨头厚度就源于这种精确的重力水平。如果没有无处不在的重力作用向细胞发送持续的信号,骨骼就会开始流失矿物质,变得脆弱。类似的,肌肉的收缩也适应着一定的阻力。没有重力的控制,肌肉就会萎缩,失去弹性。你可以在太空中锻炼。在国际空间站上,宇航员被要求每天锻炼两个小时,以减少骨质流失和肌肉萎缩。这在某种程度上是可行的。但无论如何,在失重状态下,骨骼的密度平均每个月会下降1%或2%,而地球上老年人每年才下降1%。我们可以通过一个事实来更直观了解太空中骨质流失的严重程度:在国际空间站上,尿液完全循环成为饮用水的主要障碍是过滤器会定期被钙沉积堵塞。钙从骨骼释出到了尿液中,这也使宇航员不得不面对患肾结石的短期风险和患肾病的长期风险。 尽管宇航员在特制的跑步机上进行了大量肌肉锻炼,但在太空中生活数月后,他们仍然难以行走,甚至拿不动杯子。更糟糕的是,大多数肌肉得不到锻炼。太空锻炼主要集中在活动四肢和躯干的主要骨骼肌上,但还有成百上千块其他肌肉——心肌、平滑肌和其他骨骼肌——锻炼不到。重力在地球上锻炼着这些肌肉,而在国际空间站上,它们无能为力。宇航员脸部和手指上那些细小的肌肉都变弱了,肌腱和韧带也开始在失重状态下衰退。脊柱变长,使宇航员的身高在太空中增加2.5到5厘米,这会导致背部疼痛。由欧洲空间局(ESA)运营的“欧洲宇航中心空间医学办公室”正在设计一种高科技“紧身衣”,以帮助宇航员克服太空中的背部问题。 在人体内部,1G的作用更多体现在细胞水平上。正常情况下,由于重力作用,血液会在脚部淤积。经过演化,我们的循环系统已经可以将血液向上推入大脑——人体最重要的器官。在没有重力的情况下,血液循环系统会像间歇泉一样向上推动血液,如果不加以控制,你的头部会有一种砰砰作响的感觉。你的心脏会开始加速跳动,将血液输送到身体的下部;而你的身体会认为体内有多余液体,于是你的肾脏开始超速运转,通过尿液排出多余的水分。如此这般,你开始脱水,血液变得浓稠。这反过来又会触发身体停止制造红细胞,于是你会慢慢变得贫血,行动迟缓,呼吸急促,容易感染……这真是整体医学的一场噩梦。 眼睛特别容易受到体内液体不自然“晃动”的影响。超过三分之二的宇航员报告称,在轨道上生活数月后,他们的视力都有所下降。液体压力会挤压眼球后部,使视神经发炎,破坏脆弱的血管。NASA宇航员约翰·菲利普斯是最先报告这一问题的人之一。当他望向窗外时,他发现地球似乎一个月比一个月模糊。返回地球后,NASA检查了菲利普斯的视力,发现他的视力在进入轨道6个月后从20 / 20(1.0)下降到20 / 100(0.2)。这意味着,前往火星的宇航员可能需要一副功能强大的眼镜,以帮助他们度过视力逐渐丧失,甚至永久失去视力的每个阶段。NASA认为,视力问题是宇航员面临的最严重的短期健康风险。 和眼睛一样,我们的整个大脑也悬浮在液体中。在一项对34名宇航员的研究中,科学家采集了他们执行任务前后的核磁共振图像,发现微重力诱导的大脑变化可能是永久性的:基本上就是大脑向上转移时受到压缩,以及大脑的中央沟变窄。中央沟是大脑最为显著的脑沟之一,在皮层的顶部附近分隔顶叶和额叶。这些都是大脑中控制精细运动和高级执行功能的部分。在国际空间站上呆的时间越长,这些变化就越严重。 宇宙辐射的威胁 无论是在地球上还是在国际空间站上,我们都免受大多数宇宙辐射的影响,这些辐射也被称为星系宇宙射线或高能重粒子(HZE)。偶尔也会有一些粒子会窜入大气层,撞击上层大气,造成二级和三级粒子的级联。 通常的情况是,宇宙射线与大气中含量最丰富的两种原子——氮和氧——发生碰撞,释放出中子、电子,以及更奇特的物质,如μ介子、π介子、α粒子,甚至X射线。不过,厚厚的大气层会使宇宙辐射在到达地表之前衰减或被吸收。事实上,直到1912年,奥地利物理学家维克多·弗朗茨·赫斯才通过装有静电计的高空气球探测到了宇宙射线。与普通人群相比,喷气式飞机驾驶员和空乘人员受到的辐射水平更高,其中大部分是宇宙辐射。 阿波罗任务的宇航员亲眼见到了宇宙辐射的影响。经常会有个别宇宙粒子穿过宇航员的眼窝,产生闪光。这就是“宇宙射线可视现象”,其中的生物学过程尚不清楚。可能是一束宇宙射线撞击到视神经,或者穿过凝胶状的玻璃体,产生一系列亚原子粒子级联,就像大气层中发生的过程一样。 阿波罗任务的宇航员在前往月球的途中经过了磁层,他们每隔3到7分钟就能感觉到一次闪光。对闪光的描述有很多种,这可能表明了不同的物理相互作用。据报道,宇航员看到了点状、星状、条纹状,或者类似彗星、斑块或云团的形状。宇航员还报告称,即使闭上眼睛也没用,在他们想要睡觉的时候也会出现闪光。 当然,眼睛只是身体的一小部分。宇宙射线可视现象的存在,暗示着我们整个身体都会受到宇宙辐射的影响;每秒钟都会有成千上万的射线穿过你。在星际空间中度过一年,你体内三分之一的DNA都会被宇宙射线切割成碎片。人体自身的DNA修复机制无法控制这种损害。还必须记住的是,我们在太空中并不孤单。人体携带着数十亿的细菌、病毒和真菌,它们以微生物群的形式存在,在维持健康方面发挥着重要作用,比如肠道中的微生物群就有助于消化食物。宇宙辐射可能杀死这些微生物,或者以其他方式导致微生物突变,对人体造成未知的危险。 只有非常厚的防护罩,或者在飞船或基地周围建立某种微型磁气圈,才能阻止宇宙射线的威胁。无论是对太空飞行,还是对太空生活,这都有重大影响。在月球、火星和其他地方建立基地时,一旦超出磁气圈范围,不管距离太阳有多远,如果没有适当的防护,我们都会被宇宙射线淹没。在磁气圈外部工作时,你将被迫承受眼睛里的闪光,面临不可估量的损害,更不用说这种辐射暴露的其他后果。与科幻作品中愚蠢的比喻相反,宇宙射线并不会给人带来超人的力量。 啮齿动物和空间辐射实验的研究结果一直模棱两可。美国加州大学欧文分校医学院的放射肿瘤学教授查尔斯·利莫里(Charles Limoli)主持了一项由NASA资助的研究,将实验室小鼠暴露在相当于6个月火星单程旅行的辐射环境中。该团队发现,辐射会造成严重的长期脑损伤,包括认知障碍和痴呆,这是小鼠大脑炎症和神经元受损的结果。小鼠脑细胞的树突和棘突急剧减少,就像一棵树失去了叶子和树枝,从而扰乱神经元之间的信号传输。辐射还会影响大脑的某些区域,通常与抑制先前不愉快和压力联想有关。这一抑制过程被称为“恐惧记忆消除”,如果被破坏,就会导致焦虑。利莫里在2016年的研究中指出:“对于被派往火星进行两到三年往返旅行的宇航员来说,这可不是好消息。” 然而,和许多动物实验中经常看到的一样,该研究的剂量率在每分钟0.05至0.25戈瑞(Gy)之间,远高于人类在火星任务中所预期的辐射剂量。据估计,为期6个月的火星任务所受到的辐射总剂量为1戈瑞(=100rad),在任务期间均匀分散。科学家没办法将小鼠安置在一个连续6个月持续暴露在太空辐射下的栖息地,而是在布鲁克海文国家实验室NASA空间辐射实验室中,用粒子加速器发出的大量辐射轰击小鼠,然后进行6个月的“观察”。但是,剂量率很重要。1小时内喝6瓶啤酒可能会让你醉倒,但是在6小时里喝6瓶啤酒,你也许并无大碍。相同的辐射量,不同的暴露速率,会带来不同的结果。我们需要设计更好的研究,来真正测试宇航员到达火星时依然保持神志清醒,还是被辐射“灌得酩酊大醉”。 其他研究人员发现,在模拟的太空环境中,质子辐射会导致大鼠的注意力缺失,任务表现,而高能重粒子会导致与阿尔茨海默病相关的β淀粉样蛋白斑块的增长。此前的临床研究显示,有些脑癌患者可以通过某些类型的放疗治愈,但他们的认知功能会明显下降。这就是所谓的“辐射诱导认知能力下降”。在所有接受颅脑放射治疗并存活至少6个月的患者中,有超过一半出现了渐进性认知障碍,尤其是在思维速度(快速思考)和记忆力方面。不过,这一结果可能不能直接套用到太空中:癌症患者是在几个月的时间里接受强烈的辐射,而在太空中,比如火星旅行中受到的辐射会分散在将近三年的时间里。 如何进行防护? 我们可以做些什么来降低风险? 防护,很多很多的防护。宇宙辐射的能量比太阳辐射更大。基本上,宇宙辐射移动得更快;其中一些原子,如铁原子核,比太阳风中的质子和电子要重得多。氢原子核就是质子,而铁原子核的能量是氢原子核的数百倍。脆弱的防护比什么都没有还更糟糕,因为会发生二级粒子的级联,就像横飞的弹片。宇宙飞船薄薄的金属外壳只是分散了宇宙射线的影响,如同将一颗快速的子弹变成几十颗稍慢的子弹。飞船需要非常厚实的防护,至于防护到什么程度,则是一个简单的物理学和经济学问题。 几厘米厚的铅其实就可以了,但是,这将给太空任务增加数百吨的载荷,意味着成本增加数十亿美元。水可以作为有效的屏障,而且无论如何我们都需要带水。因此,工程师们正在考虑建造一个充满水的外壳,将整个船体包裹起来。不过,为了保护一艘足以胜任火星旅行任务的宇宙飞船,你就需要大量的水——比饮用所需的水要多得多。你也可以用垃圾作为额外的防护材料。另一个非常有效的低质量防护介质是氢气,但你需要一个加压室来容纳这些氢气,于是又回到了控制飞船质量的问题。 防护问题的答案可能在于让各种材料发挥双重功能。在这方面,氢化氮化硼纳米管或氢化氮化硼纳米管(BNNTs)显示了巨大的潜力。这些纳米管由碳、硼和氮制成,质量非常轻,能承受高温和压力,而且足够坚固,可以作为整个航天器的主要承重结构。这些纳米管中还可以充入氢气或水,作为主要的辐射防护材料。硼是一种很好的吸收次级中子的物质,能使辐射级联效应最小化。与碳纳米管一样,氮化硼纳米管目前价格昂贵,但在不久的将来可能会降价。如果整个飞船做不到这样的防护,那或许可以只用在睡眠舱。如果宇航员每天睡觉或休息8个小时,就可以有效地减少三分之一的辐射暴露。达到地球上所拥有的完美保护可能不现实,但部分保护可以降低健康风险,足以缓解每个太空旅行者的担忧。 瑞士欧洲核子研究中心(CERN)的研究人员正在研究一种作为迷你磁气圈的磁场,以自然地偏转宇宙射线。2014年,CERN打破了一项纪录,在24开尔文(约–249℃)的温度下,在两条由20米长的二硼化镁(MgB2)超导体电缆组成的输电线路中产生了2万安培的电流。这很好地预示了地球上的电力传输将更便宜、更可靠,但CERN也希望在“欧洲空间辐射超导屏蔽项目”中应用这一技术,为航天器和太空定居地提供保护。他们的目标是创造一个比地球磁场强3000倍的磁场,其直径为10米,以保护宇宙飞船内外的宇航员。目前,CERN正在研究一种用MgB2超导带材重新配置太空电子线圈的方法。所有这些,包括神奇的新材料和磁力场,距离实际应用还需要许多年时间。就目前而言,我们除了希望宇宙辐射问题不要像实验室研究预测的那样糟糕之外,没有其他的解决办法。(任天) 注:作者Christopher Wanjek,1998年至2006年,他是美国宇航局戈达德太空飞行中心的资深作家,报道宇宙的结构和演化。