宇宙座仓生态学问题

蔡　翘

宇宙生态学、失重问题、宇宙电离辐射是航空—宇宙医学共同问题以外的三个比较突出的宇宙医学问题。

本期我们先介绍宇宙座舱生态学问题，其它两个问题将在以后陆续发表。

宇宙航行这个名词在近几年来的报章、杂志和人们交谈中已是一个相当普通的用语了，而它实际所指的，都是现今已经做到的围绕地球的轨道飞行。但就宇宙航行广义而言，它还应包括星际航行，即太阳系以内及以外各星体间的航行。

由于目前载人飞船围绕地球飞行的高度比较低，所以有人认为这只能称之为太空飞行，不能视为真正的宇宙航行。然而从医学观点来看，在18－20公里以外的高空，大气支持生命的条件已经完全丧失，与太空(指大气外层)及宇宙空间没有什么基本差别，可以说是相当于宇宙空间的医学界线，而围绕地球飞行与星际航行所遇到的物理环境也颇为相近，所以统称为宇宙航行还是可以的。

人类在地球上之所以能够生存，一方面是因为地球上有丰富的氧气、食物及水，另一方面又因地球上空的大气层能够保护人类免受宇宙空间有害因素的侵袭。

人类食物的来源是动植物。植物的生长是依靠日光、二氧化碳及水，进行光合作用，制造养料，动物则依赖植物养料以维持生存。人吃动植物，以便摄取其中养份，在体内进行氧化而产生能量，维持活动。人体借呼吸作用，不断使空气中氧气进入肺内，从肺泡内弥散到血液，再由血液循环运输到全身。

宇宙空间存在的许多有害因素，特别是宇宙线、短波紫外线(包括X射线)和太阳辐射热等，要借大气的吸收作用，使其不致落到地球表面，损害人体。

地球大气层对人类生存起着这样大的作用，那么人进入没有大气或大气极少的宇宙空间怎么能够生存呢？唯一办法是创造一个能满足人的生存的人工环境。近代高空飞行飞机的密闭加压座舱就是这样的一个人工气体环境，它解决了高空飞行的低压和缺氧问题。但是要想从事长期的宇宙航行，还有很多困难必须克服。这一次我们先谈宇宙座舱的生态学问题。

什么叫做宇宙座舱生态学

宇宙航行所需的时间是比较长的，不像飞机飞行那样以小时计算，而是要以日计、周计、月计、甚至年计；例如往返月球一次最少要一周，往返火星一次最少要几个月，往返太阳系远离地球的星体，那就要以年计了。由于长期航行，所以发生很多飞机飞行所没有的生活问题，总称为宇宙座舱生态学。宇宙座舱生态学的研究，首先是要解决人在宇宙中正常生活条件的问题，必须创造一个能够维持人体生命活动的环境，而且还要使人在这样的环境里过得舒服，生活得习惯。下面分别谈一谈这些方面的问题。

维持生命要什么条件

为了维持人类在宇宙航行中正常的工作效率和比较舒适的生活，宇宙座舱里的“气候”条件应当满足下列要求：气压最好与地面相同或相接近；氧气分压*最低不能低于150毫米汞柱，最高不得超过300毫米汞柱(过高将引起慢性中毒)；二氧化碳分压*必须维持在4毫米汞柱以下；温度维持在摄氏20度左右，不得低于摄氏12度，高于30度；相对湿度*维持在40－75%之间；空气必须净化，使之无臭无味。

要维持这样的密闭座舱环境，如果一个人居住其中的话，每天就必须供应900克的氧气，2公斤的水，600克的干燥、精制食物，并且必须清除由身体排出的二氧化碳一公斤，水2公斤以及500克其他排泄物和大约2，500－3，000大卡的热量(由一个人所散出的，机器及电子仪器的热不计算在内)。按这样的粗略计算，每天每人需要供应的氧、水和食物，总重量约为3.5公斤。收集的废物，可以采取在飞行过程中抛出舱外的办法，但这要有一定的工程设备；或者也可以储存在飞船里带回地面；但在后一情况下，就不能减轻飞船的重量了；若将其中水份回收利用，那就还需要化学药品和仪器设备。

解决氧气供应问题，在短期的、两周以内的宇宙航行可以采取携带式的供氧办法，例如携带压缩氧气和液态氧。一公斤的压缩氧气需要10公斤的容器。而液态氧所需的容器重量及体积则比较小一些；供应一公斤氧气只要两公斤总重量，但在高温和失重条件下，从液态氧蒸发的氧气较难控制，这是一个缺点。所以它们都不能用作长期宇宙航行唯一的氧气来源。

二氧化碳和水的排除可以利用化学药品作为吸收剂，例如用氢氧化锂和石灰钠吸收二氧化碳及水。但是它们需要占用相当大的体积，因为氢氧化锂只能在头四个钟头完全吸收二氧化碳，而且在生成碳酸过程中又不能把所有的水份保留住；开始的时候水份吸收比较快，以后就越来越慢。石灰钠吸收二氧化碳及水的能力不如氢氧化锂。总之挑选吸收剂并将其配制合宜，仍然是宇宙座舱卫生工程中尚未完全解决的问题。

上面讲的方法是将供氧和排除二氧化碳分别独立处理，现在已经有很多联合产氧和消除二氧化碳的化学方法及物理方法，但是要真正应用到宇宙航行中去，却还有一些问题没有完全解决。

例如，用碱土金属过氧化物来产生氧气并吸收二氧化碳及水，它们简单的化学反应式如下：

2KO₂＋H₂O→2KOH＋3/2O₂

2KO₂＋CO₂→K₂CO₃＋3/2O₂

在下面的反应中有更多的二氧化碳和水被吸收：

2KOH＋CO₂→K₂CO₃＋H₂O

KOH＋CO₂→KHCO₃

K₂CO₃＋H₂O＋CO₂→2KHCO₃

每3公斤的过氧化钾可以产生1公斤的氧和吸收定量的二氧化碳及水。

现在，携带现成纯氧和化学产氧联合使用的办法，已为苏、美的卫星式飞船所采用了。

另外，用物理方法，例如水的电解，也可以产生氧气：

不过，这种方法需要较大的电力，并须预防氢的爆炸。因此有人建议，把水解产生出来的氢与由人体排出的二氧化碳合成水，其反应式如下：

4H₂O→4H₂＋2O₂

CO₂＋4H₂→2H₂O＋CH₄

上面反应只合成一半的水，同时产生可作燃料的甲烷。

供氧系统示意图

再循环系统示意图

也就是说，无论在采用上述那一种方法时，都必须考虑到人的呼吸商等于0.82－0.85这样一个条件。在人体内每个分子的氧，会产生0.85个分子的二氧化碳，可是，过氧化钾产氧及吸收二氧化碳的比例只是1比0.67；而利用水的电解产氧及二氧化碳加氢合成水来吸收二氧化碳的方法，产氧和吸收二氧化碳的比例只有1比0.25。因此，用这两种方法都不能全部吸收掉人体排出的二氧化碳和水份，必须另外加用二氧化碳及水的吸收剂来补充。在工程方面，则要考虑设备的重量及体积的问题。

除此以外，还有人建议用生物再循环的方式以解决宇宙航行供氧及排除二氧化碳问题。我们知道，植物利用动物代谢所产生的水及二氧化碳，可以进行光合作用，制造碳水化合物及氧。它的反应式是：

6CO₂＋6H₂O＋光能→C₆H₁₂O₆＋6O₂反应中产生出来多余的氧，释放到空气中，供动物呼吸之用；产生的养料则供动物食用，而动物的排泄物则又可作为植物肥料。从理论上讲，这种生物再循环的自然现象已在地球上存在着亿万年，如果能用人工方法制造这种再循环，并推行到宇宙座舱里去，那就不愁航行时间之长久了。有的学者利用生长很快的绿藻(小球藻)在饲养有小动物的密闭小室内进行培养，绿藻吸收动物排出的二氧化碳，进行光合作用，而动物(小白鼠)则吸收绿藻放出的氧气。按照实验结果推算，一人一天只要1.3公斤的绿藻就可获得所必须的氧和清除所呼出的二氧化碳。但是，培养这样多的绿藻需要相当大量的光能，光源剩余的热及同时积放的CO(有毒)又必须予以清除，而且绿藻代谢的商数又不完全符合人的呼吸商，所以必须予以不断的调整。这一切都需要大量的机械设备。医学工程进一步的研究指出。从重量及体积考虑，两叁个月的宇宙航行用这个方法是不合算的。

至于用绿藻作为食物，问题更多。虽然绿藻含有近50%的蛋白质，脂肪及维生素等也不缺乏，然而用它作为长期食用，人是否能吃得下，是否应该加工、精制和如何补充其他食物等等，都是有待研究解决的问题。有的生物学家建议，用一部份绿藻饲养小动物(如水蚕，又名小虾子，以绿藻为食物，生长很快)，小动物再供食用。这不过是一种想法，将来在宇宙站或其他星体或者还可以试行，但在眼前空间有限的宇宙飞船，那就不适宜了。

净化·温度·压力

现在谈谈在宇宙中维持人体生命活动的第二个重要问题，就是保证宇宙座舱的净化和温度、压力的调节问题。

座舱净化包括大小便及排泄的气体(如氨，吲哚，甲烷，硫化氢等等由人体排出的气体)的清除。这是卫生工程问题，是完全可以解决的，只是解决的方法和所需的机器、药品的重量和体积，需要从长考虑，仔细设计。由于它是属于普通卫生工程范畴，这里就不一一详述了。

生理卫生学对座舱温度及压力提出的要求，前面已经提到了，不过从工程设计方面着想，我们总是希望要尽可能地把要求放低一些，以便减轻飞船负担。但是，人类习惯于地球表面的气候已有几十万年，能够忍受的温度、压力仅限于一个相当狭窄的范围；锻炼虽然能够提高耐力，然而终究是很有限的。因此问题的解决，主要还要依靠工程设计。例如，人能忍受摄氏100度的高温空气最多不过15分钟，70度不过30分钟，60度不过40分钟，45度不过1.5小时，而在飞船返回地球进入大气层时，船壁外壳表面温度可达摄氏六、七百度，如不从工程上解决，飞船将会被烧毁，人在其中自然也不能幸存。除此以外，人体散出的热，如不予以吸收或排去，在密闭的小座舱内，不要很多时间也会使温度上升。

座舱压力的情况，也不允许有大幅度的变化。假如座舱因种种原因，失去密闭性而发生爆炸减压*时，人能维持意识的时间不过十几秒钟。因此，座舱的气密性必须绝对保证；万一出了问题，也应当可以迅速修补恢复。当然，宇宙航行员都穿有密闭服及戴有密闭头盔。当座舱压力下降到某一限度时，服内及盔内就会自动充气，使人体表面四周形成一个小型的密闭环境，从而可以进行座舱的修补或地面降落，如果处在大气低层，则还可以脱离破损的座舱，跳伞逃生。自然这只能作为一项不得已的救急措施，希望备而不用。

应急救生

食物·水

不言自白，人在宇宙中还要得到食物及水的供应。

到目前为止，还没有什么好的方法可以在飞船上生产食物，因此食物必须由地面带上去。一般地说，每人每天需要大约600克的干燥、精制食物，还必须饮用2－3公斤的水。为了长期飞行，仅氧、食物及水三项必须储备的重量就相当可观，大约每人每月约要100公斤，还不包括容器及储藏设备的重量。当然，水可以由尿回收一部份，但需要设备及药品，是否在重量及体积上合算，也仍然是必须考虑和研究的问题。从医学观点，更重要的是：应该研究长期食用储备的干粮，对人体健康以及精神方面有什么样的影响，以及研究如何提高食品质量，使其适合于长期宇宙航行的生理卫生学要求。

生活安排·环境布置

上面谈到了人在宇宙中维持生命活动的起码条件，但是，人要在宇宙航行中正常工作，保持良好的工作效率和身心健康，还必须考虑到生活习惯问题，这就要求妥善地安排人在宇宙航行中的生活及环境。人类习惯于地球昼夜24小时的周期生活，一切生理及心理活动都已适应了这种周期，因而也具有昼夜的周期。睡眠与工作是这种周期的典型例范，其他如体温、呼吸、饮食等，也都是适应了这种周期。在宇宙航行中，物理的昼夜周期起了巨大变化，如围绕地球轨道飞行，绕一周只要一个多小时，其中一小半时间是受地球阴影所遮盖，见不到太阳，相当于在地球上的夜间；而在日间，天空也甚为黑暗，只见明亮亮的星星，所以情形与在地球上完全不同。在短期间内维持地球的生活习惯，自然是可行的，但时间长了，是否应该改变生活制度，以便更适合于宇宙环境，是一个需要研究的问题。

宇宙飞船内的座舱空间不可能很宽敞，又处于失重状态，如果各种装置安排得不好，既容易引起工作的疲劳，又由于日日夜夜卧在床椅上，肌肉缺乏运动与张力，免不了要逐渐萎缩，同时也可能会导致消化不良，心血管孱弱，平衡机能退化。为了克服这种可能发生的病理生理现象，有必要使宇宙航行员进行一定的体力活动和遵守一定的作息制度。至于具体如何进行，一方面在座舱设备上要有适当的安排，另一方面对预备(候补)宇宙航行员要求进行适当的锻炼，使其适应于宇宙座舱的生活。

宇宙航行的环境是禁闭的，孤独的、肃静的，没有社会活动的，除无线电通话外，几乎生活在人间之外。航行初期航行员会有紧张情绪，而在一段时间之后，由于外界刺激减少，又可能易于嗜眠。这一切都要求宇宙航行员要具有稳定的情绪，高超的性格，灵活的神经，和英雄的气魄。由此可见，选拔合格的宇宙航行员，并加以严格的政治训练、技术训练和体育训练是很重要的。

目前虽然已实现了人类飞出地球的愿望，但要作长期的宇宙航行，宇宙座舱生态学仍是一个重要而复杂的问题。

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”