当失去重力之后

2003年10月15日,航天英雄杨利伟健步走进神舟五号载人飞船。第二天返回地面,他出舱时却由搜救人员上前搀扶并将他抬走。是什么原因使杨利伟在短短的21小时航天过程中发生变化,居然不让他独立行走了?这个原因叫做失重,专业一点的说法叫微重力。在微重力状态下人体会钙质流失,骨质疏松,如果自我负重,容易导致骨折。当然,杨利伟本人的情况其实并没有那么严重,他还是可以自主行走的,抬着他更多的是一种保护性措施。但这毕竟说明微重力对人体是有明显影响的。这还仅仅是不到一天的航天飞行,如果进行了几天、几十天、几个月的太空飞行后,情况又会怎样?除了骨质疏松,微重力还会带来其他的身体变化吗?

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杨利伟

生物体的结构与对重力的适应

重力其实并不是生命存在的必须因素。生命的基本特征,像新陈代谢、遗传物质的复制、细胞的分裂、对环境的应激性等,只要不存在过大的引力场,都可以进化出来。因此在寻找外星生物时,目标天体重力的大小并不是重要的考虑因素。但对于在特定重力环境下进化出来的生物而言,重力又是它们需要适应的环境因素之一,也是决定它们身体结构的因素之一。例如,地球的重力环境对生物体的尺度是一个限制因素,过大的动物,其肢体会承受不了自身的体重。如果它们生活在水里,有浮力作用的帮助,则体积可以更大些。因此地球上最大型的动物,像鲸,就生活在水中;搁浅的鲸通常就是死于过大的体重造成的身体坍塌。如果较小的星球,比如月亮那么大的星球,其他外界条件仍和地球相同的话,就有可能进化出更大体积的动物。

当重力环境或身体支撑结构发生改变时,生物体会自动调节自身的结构以适应这种变化。这种适应性如果通过达尔文式的进化方式,那就要经过几代或更长的时间;也可能在很短的时间内产生身体结构的调整,就像杨利伟等航天员身上发生的骨钙丢失——在失重状态下,机体的各种重力负荷减轻,骨骼没有必要像以前那样坚硬,于是骨钙流失。当然,机体的这种快速“适用”不是我们所希望的,因为航天员毕竟只在太空待很短的时间,随后还要返回地面生活,这时骨折之类的危险就来了。

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(《地心引力》剧照 图片来源:limburg)

失重造成的体液重新分布及后果

除了带来机体支撑结构的改变外,失去重力还会带来其他很多变化。这些改变涉及到循环系统、免疫系统、神经系统……几乎机体的每一个系统都会或多或少地受到影响,而这些影响主要和一种改变有关,就是体液分布的改变。我们知道,由于重力作用,身体的各种体液,包括血液、组织液等都倾向于滞留在身体下部。我们站立时,体液向下身和两脚坠,躺着时流向后背和屁股,趴着时流向肚子……由于静水压的关系,我们身体不同部位的血压是不一样的:脚部的血压高,头部的血压低。我们所确定的“正常的”血压值其实是与心脏位置水平的上臂的血压,这是为了测量方便而设计的。身体本身也有自己的一套血压监测装置,随时测量血压,然后采取措施使血压回归正常。这个测量点不在上臂,而是位于人脖子处的颈动脉窦。人体对身体别的地方血压的高低不会特别在意,只有流向脑袋的血压才是需要控制的,那是为了保证脑子供血的精确度。所以身体检测血压的位置设在流向脑的入口处:脖子。有些人从坐或卧位突然站起会导致眩晕,称之为体位性低血压。这其实并不一定是我们平时测量的血压真低了,而是突然站立导致血液流向下身而致脑部缺血造成的,可以通过刺激“颈动脉窦”反馈性地让血压上升。

现在回到微重力的话题。当重力消失或大幅度下降时,包括血液在内的体液不再倾向于流向下身,而是较均匀地分布在躯体各处,甚至反过来,较多地分布在身体上部。这是因为身体上部长期处于低血压环境下,血管壁和软组织已经变薄弱了。在同样的压力下会存留更多的液体。这时问题就来了:长期生活在地面的人体各个部位已经适应了各自的血压环境,比如脚部和腿部适应了较高的血压,只有在这个血压下它们才能摄取足够的营养;而面部则适应了较低的血压和体液压力,过高的体液压力反倒会出问题。体液分布一旦发生改变,身体的各个部分得到的营养物质量随即发生改变,各种感受器和调控器官所接收的压力和营养信号与以前不同,它们发出的指令也跟着变化——这些都会导致一系列身体机能的改变。试举几例:

(一)下肢血流不足导致下肢萎缩。刚才提到身体重力负荷的减轻会导致骨骼和肌肉弃用性退化,表现为骨质疏松、肌肉萎缩。而体液分布的改变则对这种效应会产生叠加的影响,下肢的骨质疏松和肌肉萎缩比上肢更明显,而头部的骨头不但不发生疏松,其骨密度反而会增加,这是体液和血液更多流向头部的结果。

(二)面部肿胀和头疼。体液过多地流向了面部,使得宇航员们的面部不再那么俊朗、棱角分明,而是肿胀变形,仿佛换了一张脸。面部变丑还是小事,脑壳内体液一旦增多就更麻烦了。因为脑的容量是被颅骨固定住的,不能任意扩大。体液的涌入导致颅内压增高,人会感到头疼,脑功能也会损害。

(三)排尿增加,体液减少。这也是体液过多流向脑部的后果。别忘了,身体感受体液总量的感受器就设在脑部。一旦体液在脑部聚集,被下丘脑感受到的。它误以为体液过多了,就会抑制一种叫做抗利尿激素的化学物质的分泌。顾名思义,这种激素是用来抑制排尿的,一旦分泌减少,尿液就会变多;体液排出过多,体重就会减轻。此外,排出的体液带走了电解质所造成的紊乱也会损害健康。

(四)出现错觉。下肢压力感受的下降,上身压力感受的上升,会使人对自身体位状态的感受发生错误。闹不清哪边是上,哪边是下,出现定向错觉、本体性感觉错觉和视觉错觉等。比如会感到头向下翻转,周围物体移位或倾斜等等。这些错觉与内耳中的前庭和半规管的信号输入错误也有关系。

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失重对身体的其他效应

体液分布的改变以及身体神经体液调节产生的次级改变,对身体不同的器官都会产生或大或小的影响。除了上面提到的外,还可能出现消化系统的改变、味觉嗅觉的改变及所导致的食欲的改变、心血管系统的改变、免疫功能下降,等等,这些改变涉及到更加复杂的生理机制。

有些失调,与身体还没有学会如何在这种微重力环境下协调不同的组织器官活动有关。例如在太空中或月球上的人运动协调能力降低。本来只需要很小的肌肉力量即可完成一个动作,常常会用力过度。有时会产生危险,比如自己的肌肉会把自己的已经脆弱的骨头拽折了。不过,作为对太空微重力环境适应的一部分,与骨质疏松发生的同时,肌肉也在不断萎缩,说明身体已经不需要那么多肌肉了。但这种适用需要一定时间才能完成,长期在轨飞行的人的各个组织器官会对微重力环境会做出较好的调整。微重力产生的种种不良反应主要是在适应期发生的。

生物体身上有重力感受器吗?

这是一个有争议的话题。有时候要看你怎样定义重力感受器这个词。一般讲,机体的某种感受器都是针对某种变化的环境刺激而存在的,如视觉感受器、听觉感受器等等。对于一直在地表生活的地球生物来说,重力始终存在且维持不变,似乎没有必要专门设置一种感受器或者一类重力感受分子,但是在运动中的生物体确实通过重力大小和方向的变化来调整自己的身体姿态,内耳中的前庭和半规管就起这样的作用。此外还有各种捕捉机械力改变的感受装置,尽管它们并不是专门为感受重力而设计的。比如,骨头存在对牵拉的感受装置,对某根骨头的反复牵拽会刺激骨钙沉着和骨密度的增加;血管上的压力感受器会响应血压,通过神经和体液的调节,反馈地调节血管的紧张度等。这些过程肯定涉及到某些基因的表达和特定蛋白质的合成。

机体主要成分是细胞,而细胞之间常借助细胞外的蛋白质彼此粘在一起,构成完整的组织或器官。在细胞内部则存在各种蛋白纤维构成的细胞骨架,支撑起细胞的一定形态和结构。当你牵拉某一个组织和器官,或给予它们一定的压力时,这种拉力或压力会借助细胞之间的粘连传递到单个细胞,使得细胞骨架感受到这种机械力。现在已知细胞骨架是细胞内信号传导的高速通路,细胞骨架的变化产生的信号有可能传入细胞核,导致某些基因的表达和蛋白质的合成,进而造成组织和器官功能的改变。这也许就是机体对外界重力改变做出反应的方式之一。

重力对生物体的效应与生物体的体积大小有关,生物越小,重力环境的改变对其生存质量的影响越小。像细菌这类单细胞生物对重力就很不敏感,因为它们不存在细胞和细胞之间的强力牵拉或挤压。 对于亚细胞结构或生物大分子来说,重力更是可有可无的东西。生物化学的各种反应并不涉及到重力的因素,主要是电磁力在起作用。电磁力才是生命运行所涉及的基本的力的形式。只有生物体大到了一定程度,重力,或者说引力才会在其中起到一定作用。

人类未来的太空之旅和移民

1911年,俄罗斯宇航学家齐奥尔科夫斯基写下了名言:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里。它首先小心地探索大气层的边缘,然后将把控制和干预能力扩展到整个太阳系。”自从火箭技术发展之后,人类对太空的探索不断深入,地球上人口的爆炸和资源的耗竭增加了人类向太空探索和移民的必要性和步伐。

事实证明。在地球表面进化出的人体结构对不同的重力具有相当的适应范围,尤其是对重力减轻的适应。人类在失重的环境中可以长期存活,如果移民到月球、火星等只是重力低于地球的天体时,日子比在空间站还要好过些。人类对于超重的适应性要差些,超重三倍时(3G)身体就很不舒服了。一般人不能承受7~8G以上的超重,即使是经过训练的宇航员也不能长期承受超重。因此,如果将来人类找到一个可能移民的岩石行星,还要考虑星球的大小。太大的星球产生过强的重力,会把人类的胸腔、腹腔压垮的。即便不致如此,整天拖着像灌了铅的腿走路也形同恶梦,除非人类已进化出更强健的骨骼和肌肉。

人体可以通过调整自身结构和功能适应一定范围的重力环境。在进入太空后,通过一定时间,逐渐适应微重力环境,但宇航员返回地表时又产生麻烦——还得重新适应回来——骨质重新沉着钙质,肌力再次增加,身体血容量开始恢复等等。为了避免这种对太空和地面不同重力环境的反复适应,最好主动出击,尽量减少微重力对机体的影响。比如在飞船中通过拉力器、自行车、跑台等进行体育锻炼,防止骨丢失;利用下肢负压装置将体液“吸”回下肢,改变体液分布;进行肌肉电刺激防治肌肉萎缩等。

在将来漫长的宇宙航行中还可以通过离心作用在航天器中模拟出人工重力来。所谓人工重力是在太空飞行过程中将航天器按一定的速度进行旋转,所产生的离心力可在一定程度上模拟重力。当然,这应该是一个直径很大的航天器,使人感觉不出在旋转。美俄等国都曾经使用动物进行过太空人工重力的研究,取得了一些结果。结果初步证明慢旋转形成的人工重力,对生物体克服失重的机体损伤具有积极的作用。其副作用是有可能造成运动和协调功能障碍,但可随旋转半径的增加而改善。实际上,在空间站的生物学实验室中就使用离心机来模拟正常重力和超重。将小型动物(如小鼠)或细胞放入离心机中饲养或培养,以研究不同重力环境对机体和细胞的影响。如果将来制造出针对人类的人工重力装置,人们太空旅游时就可以乘坐旋转飞船遨游太空,在一定程度上保持地面已经习惯了的重力,不至于让微重力效应使自己的太空旅行变得不爽。如果要定居在某星球,也许事先要找一个重力健康专家,制定一个重力调整方案……

人类在地球上发展出高度的文明和科学技术后,进入宇宙其他地方几乎是将来必然的选择。人类的太空探险是自哥伦布时代的航海大发现之后,又一次人类生存环境的大开发。等待的时间不会很长,也许到我们的子孙,或者子孙的子孙时,人类已经在外星建立了新的殖民地。

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老谈谈

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