载人星际考察的生物医学保障问题

王永生 周生东（中国航天员科研训练中心）

载人星际考察的生物医学保障问题

王永生 周生东（中国航天员科研训练中心）

1　引言

空间站的建立与发展是载人航天发展的重要阶段，人类将以此开展星际飞行，探索月球、火星、小行星及太阳系其他星体。

迄今为止，世界航天大国和组织纷纷制定出了载人星际考察计划，其中有俄罗斯载人飞行计划、美国航天计划、欧洲航天局（ESA）的“奥夫罗拉”（Abpopa）计划，其中俄罗斯能源公司用于月球、火星及小行星飞行的运载器发展设想，还包括火星及月球飞行医学保障构想等。

火箭航天技术和远程通信技术的成果及未来发展水平，长期轨道航天飞行中积累的医学保障经验，利用自动飞行器对星际空间及太阳系行星的探测成果，“阿波罗”（Apollo）计划月球考察成果，大型航天计划中的国际合作，地面模拟性的、实物性的及实验性的生物医学研究，以上这些，是包括火星飞行在内的星际考察的先决条件。

无人星际航天器帮助人们获得了丰富的有关火星自然条件的知识和星际空间宇宙物理因素方面的知识，这些都是设计和开展未来载人星际考察任务所需要的。近年，俄罗斯准备利用无人探测器开展新的月球研究计划。

在“国际空间站”上进行的研究，以及在地面相同条件下进行的模拟试验和科学实验，对星际考察的准备具有极为重要的意义。通过这些研究和试验，强化了人们对生物结构（生物体）适应极端因素机制的认识，开发和试验了未来健康和绩效保障的设备与方法，并制定出了长期考察中的预防措施。

载人星际飞行无论是复杂程度还是风险程度都与轨道飞行有极大的区别。火星考察的主要特点是∶飞行持续时间长和高度的自主性；在星际空间失重、辐射和弱磁环境会对人体产生作用；登陆火星后将伴有低重力、弱磁环境、辐射以及极端天气和气候的影响。

为了实现载人星际考察，需要开发专门的生物医学保障综合系统，而在多年考察实践中所建立和完善的“国际空间站”医学保障系统，是开发这种综合系统的基础。对综合系统的结构，医学技术的特性、方法和设备，应当认真地评估、完善和补充。

星际飞行生物医学保障的主要功能是∶建立常规监测系统，对健康和居住环境的状况进行评价；保障机能诊断；提供全方位的医学救助和康复训练；预防低重力和微重力对机体的影响；对乘组成员进行心理支持；对舱外活动进行医学跟踪；建立自主的生命保障；进行微生物防护并提出行星检疫的要求。总之，医学保障的任务就是在考察的所有阶段保持乘员的健康和工作能力。

在星际考察自主飞行条件下，信息保障极为重要，对信息保障的要求也会与日俱增。因此，最适宜的办法是在星际考察的组合体上建立生物医学保障信息分析中心，建立全面的医学和生物学知识库、参与考察人员个体医学数据库、居住环境和辐射状况数据库等。在生物医学保障信息中心将充分运用人造智能的能力，发挥神经信息网络的作用，具有高水平的分析能力，具备科学预警模型及决策制定系统。中心通过接口与医学和心理保障、生命保障、辐射安全保障及远程医学机构（结构）保持联系。

星际考察过程中对乘组开展医学保障时，需要建立自主性的医学中心。受过专门培训且医术精湛的医生在中心工作，对乘组成员的主要健康指标进行监测、对症状进行诊断，并开展预防和手术。医学中心的结构和功能根据具体的考察任务、考察时间及乘组成员的人数来确定。医学中心将配备自动化程度极高的仪器，使用计算机设备和软件，舱载装置“驾驶”就是此类设备，它能对心理生理参数及工作效率进行评价，并能根据工作状态给予相关的建议。在医学中心应当使用基于最新技术（生物技术、生物芯片、纳米技术）研制的设备和方法。完善舱载医学中心的远程医学保障，使航天员与地面飞控中心的专家能够保持联系，保障传递医学数据并开展相关咨询。

未来将开发多种形式的医学中心∶可针对星际飞船开发医学中心，也可针对月球和火星基地开发医学中心。中心的结构和保障能力将根据考察任务、乘组人数及任务时间来确定。

星际考察的成效在很大程度上取决于乘组的选拔，在乘组选拔中将使用生理学、心理学和职业标准，进行精神病学鉴定。在选拔时拓展使用现代遗传学的方法非常重要，包括评价机体对极端因素影响的稳定性，评价个体对辐射、应激、骨质疏松发展的稳定性。

在选拔中应侧重有长期太空飞行经验的人员，因为他们能很好地适应并知晓机体对航天飞行因素的反应。

在星际考察的训练中，会产生考察乘组，开展基础和专业训练，熟悉技术系统和生物医学系统并掌握其维护技能，对乘组进行医学培训，了解不同文化间的相互作用，详细掌握考察计划等。

在训练和考察过程中，应当坚持以人为本的原则，重视“人-机”系统的构建，并关注其相互作用，应当使用机器人参与繁重的工作。

在星际考察中心理问题越来越重要，影响心理的因素包括∶远离地球、与世隔绝、疲劳、责任感、饱和的科学计划、个体心理问题及乘员的相互影响。

预防系统在星际考察生物医学保障中占有非常重要的位置，该系统能够有效预防各种程度重力所产生的作用。在“国际空间站”上进行失重对抗过程中使用了各类训练器材，发展和完善了电刺激和足感受器激活的方法，这是星际考察预防系统开发过程的重要阶段。

人工重力的产生对预防系统的发展做出了巨大贡献，该方法早在20世纪70年代就被建议用于星际考察，并且在模拟研究和生物卫星实践中证明了其功效。利用短半径离心机有可能模拟出地面和火星上的重力。

利用特殊装置，原则上可消除星际空间和行星表面弱磁环境的不良作用，使用这些装置，可以在居住舱内保障一定强度的磁场分布，模拟出地面条件下相应磁场的作用。

2　星际考察乘员生命保障系统

为乘员开发生命保障系统（简称生保系统）是载人星际考察需要解决的最重要的问题之一，其任务就是为乘员提供适宜的生存条件。生保系统的结构取决于动力装置的使用时间，取决于其功能作用及使用现有资源的能力。与现在空间组合体上的生保系统相比，星际组合体要求极大地降低生保系统的外形尺寸和质量，使用基于物质循环原理的再生式生保系统能够满足这种要求。这种在深空探测条件下所使用的生保系统，与近地轨道上使用的生保障系统会有很大的区别。主要体现在，星际考察中耗材、部件、组件不可补充和恢复，星际考察中需要具备开发和利用行星资源的能力。

在礼炮号系列空间站、和平号空间站及“国际空间站”多年的轨道飞行中，在使用再生式生保系统（包括以耗材储备为基础的系统）方面积累了成功经验，为开发星际载人航天器生保系统创造了条件。星际载人航天器生保系统包括∶气体成分保障系统、水系统、饮食系统、卫生保健保障系统以及水质监测系统、大气物化指标和微生物指标监测系统。

在这种情况下，可以利用经过和平号空间站长期检验的常规生保系统来开发星际航天器生保系统的部分功能。总体上讲，当今的生保系统经过相应的改进后，能够为开发深空探测所需的生保系统奠定基础。

如今的生保系统主要是基于物化过程而建造，它所产生的居住环境与地面生物原环境还不完全相同。

为了使航天员居住环境与地面接近，需要在星际飞船和行星基地上建造基于物质生物-物理-化学（生化-物化）循环的生态化的闭合生保系统。现如今在空间站上由于动力的局限暂时还不能建造此类的生保系统，也没有达到完全的物质循环，二氧化物、氢、含有水汽且稠密的排泄物需要排出到外太空。

建立符合星际考察要求的生保系统是生物医学技术发展的主要任务，主要包括以下几个方面。

气体成分保障系统

1）开发用于浓缩（集中）二氧化物的技术和装置；

2）将二氧化物氢化作用变为水和甲烷或将二氧化物氢化为水和碳，以此来提高氧和水循环的闭合程度。在禁止将甲烷排出到外太空的情况下，可以将甲烷变为甲醛和不挥发的单醣碳水化合物；

3）使用化学活性结构材料用于内部构件以吸收有害成份。

水保障系统

1）增加从尿液中提取水的比例，从80%增至95%～98%；

2）开发生物催化和电物理的方法，在空气中的冷凝水进入饮用水再生系统之前，深度氧化其中的有害混合物；

3）开发专用方法和装置，获取重稳定氢同位素（重氢2H2及氧同位素17O2和18O2）含量低的水。

众所周知，重氢同位素（重氢）能延缓生物化学变化的过程，并使水具有毒性，而重氢和同位素18O2含量较低的水则具有正面的生物医学特性∶能增加高等植物的替换物，可提高鹌鹑的产卵率，能降低肿瘤的转移速度，具有防辐射特性。

一个有效降低航天飞行不良因素的方法是∶建立适宜的居住环境，其中含有适宜的生物化学元素的同位素成分。

卫生保健保障系统

1）开发用于水洗（沐浴）和热洗（桑拿浴）的方法和设备；

2）开发用于清洗纺织品的技术和设备（洗衣机）。

稠密排泄物收集、隔离和保存系统

开发稠密排泄物的消毒和保存方法，预防其微生物变异并污染航天器内部及行星表面。

水质量、空气物化和微生物指标常规监测系统

开发用于水和空气分析的方法和设备，建立总的监测系统，对居住环境的质量，以及星际航天器生保系统各个环节技术程序的运行情况进行常规监测。

维生素温室

开发维生素温室，在能耗、质量和外形尺寸方面符合长期星际考察的要求。

当航天员在行星表面短期驻留时，使用基于耗材储备的生保系统比较合理，这种系统特点是质量小且可靠性强。其中的氧源可以是固态氧，这种方法已经成功用于和平号空间站和“国际空间站”。去除二氧化物可以使用装有氢氧化锂的吸收罐。

为了保存排泄物和废弃物（尿液、粪便、空气水汽冷凝物、呕吐物，包装材料），需要预先研制具有消毒和储存能力的收集器。利用活性碳可以净化空气。可以使用小块织物作为个人卫生用品。

在行星基地进行长期考察时，当能源保障充足时，应当建立闭合式生态生命保障系统。在这种情况下可以充分利用当地的资源（水、氧和土壤）。

美国火星着陆器着陆示意图

3　火星考察的辐射安全问题

在航天飞行中当超越地球磁层后，就会缺少地球磁场的防护作用，如果缺少应有的防护措施，太阳宇宙射线的剂量就会达到对健康和生命构成危害的程度。在这种情况下，银河系宇宙射线的辐射剂量也会增大，会增加对人体中枢神经系统和视觉器官的危害。

应当指出的是，目前在对太阳系宇宙射线进行分析时可能还存在极大的误差。为此，有必要开发出太阳系宇宙射线由太阳向地球传播的模型。

与辐射安全问题紧密相关的是，应当真实和详细地说明宇宙射线对人体造成的不同程度的危害，也就是应当从对基因、亚细胞、细胞，器官及系统级的影响，直到对整个机体的影响都应加以说明。在这方面应当进行广泛的和有针对性的研究。

限制空间辐射的影响，不仅涉及到乘员，而且还涉及到航天器上所有的生物体（动物、植物、微生物）。其中，如果长期连续受到小剂量辐射的作用可能会激活生物体的活性，其中包括微生物，这会使设备结构出现生物性损害，从而对考察的可靠性和安全性产生影响。目前在该领域的数据还有一定的局限性，需要进行分析和论证。

下面的重要问题与中子作用相关，中子出现在航天器上，是第一宇宙射线与航天器材料及生物用布原子核相互作用的结果。

星际考察中辐射对人的危害非常明显，这要求必须建立辐射安全系统。

建立辐射安全系统的重要意义主要体现在∶在飞行线路上辐射作用的特性变化非常大，而且人在空间驻留的时间相当长。此外，在执行星际考察任务时，人机体所有的器官长期处于紧张状态，这就要求严格限制辐射及其他极端因素对机体的影响。

当今人们对火星任务中的辐射源有充分的认识。辐射源主要有三类∶地球辐射带、太阳系宇宙射线和银河系宇宙射线。在航天器中使用反应器及核动力装置的情况下，来自其中的辐射也可作为补充的辐射源。这里所阐述的限制乘员辐射程度的问题，主要是指来自银河系宇宙射线和太阳系宇宙射线的辐射源。

银河系宇宙射线可以说是航天员长期的辐射源，其强度变化周期约为11年。用约10g/cm的铝进行防护时，当最大太阳活性时，辐射日剂量当量约为1.5×10-4Sv，相应的年剂量当量值约为0.5Sv。当最小太阳活性时，年剂量当量值增加1倍，约为1Sv。为此，依靠防护物质很难减弱银河系宇宙射线，由体表到体内深处辐射剂量下降得很小，其放射生物学效应由体内深处器官所受到的影响来确定。鉴于对银河宇宙射线的防护很复杂，建议在太阳活性周期最大的阶段进行太空飞行，这样可以极大地减少飞船的质量。

太阳系宇宙射线是太空中偶发的电离辐射源。它们是极具危害性的辐射源，特别是在太空耀斑时，更具危险性。太阳质子事件的时间在几个小时至几昼夜之间。在耀斑期间总的辐射剂量可能会在几个至几千个cSv之间变化，这将取决于事件的强度和防护的特性。

上述的辐射剂量会导致乘组辐射风险的增加。为了对辐射加以限制，应当建立相应的剂量限额。但是，将辐射程度降至与地面相当的水平，需要建立相当厚度的防护，但这样就无法实现火星飞行。因此，在建立标准和辐射安全体系时，只能在可以接受的不良辐射后果与实现火星飞行的可能性之间采取折衷的方案。

当今，使用因辐射作用而导致个体死亡的概率来说明辐射风险，这是辐射危险程度的量化特征。

在星际考察的辐射安全保障中，辐射监控系统应当具有特殊的作用，因为使用该系统不仅能够在规定的辐射剂量测定值内，确定出对每名乘员所产生的辐射负荷，而且能够预报飞行航线上和飞船内部的辐射环境，能够预报采取防护措施的有效时间。

在制定火星飞行的标准时需要解决的一个重要问题是∶在确定辐射风险时，哪些医学和辐射生物学效应应当考虑，哪些数量模型应当使用或需要开发。

多数放射生物学后果的量化概念具有不确定性，特别是间接辐射效应更是如此。这种不确定性是解决火星考察乘组辐射安全保障最关键的问题之一。需要认真研究和解决的问题包括以下几个方面∶

1）评价身体单独器官定位防护的效果；

2）开发适合于星际飞行条件的药物化学预防和防护方法；

3） 针对飞行计划和火星飞行线路，研究辐射作用对航天员工作能力的影响；

4）研究航天员主动防护的技术方法，即利用特殊排列的强磁场将太空射线的带电粒子从居住舱移开。

在星际考察中必须保证合理地消耗飞船的资源，保证飞船有最佳的质量，其前提条件就是确保整个航天员生物医学保障系统的合理性。要做到这一点，必须制定航天员安全和生存能力整体指标（健康和工作能力）的量化标准，其中包括医学风险的数值，这是顺利完成火星考察任务的必须条件。

朱敏悦／本文编辑

Biomedical Support Problems of Human Interstellar Exploration