从加加林首飞到现代载人飞行和星际考察—俄罗斯航天医学发展50年

王永生 周生东 （中国航天员科研训练中心）

从加加林首飞到现代载人飞行和星际考察—俄罗斯航天医学发展50年

From Gagarin's First Flight to Modern Human Flight and Interplanetary Exploration —50 Years of Russia's Space Medical Development

王永生 周生东 （中国航天员科研训练中心）

1961年4月12日，苏联航天员加加林完成了人类的首次太空飞行，这是世界航天史上的里程碑事件，对现代文明的发展产生了巨大影响。在此之前人们就利用各类生物体在火箭和卫星上进行了长期有针对性的生物医学研究，根据数据得出的结论是，人类原则上可以进行航天飞行。在最初几批航天员完成飞行后，医学保障系统也得到了完善，航天员在“礼炮”系列与和平号空间站长期考察的时间连创纪录。现代航天生物医学保障有效地保持了“国际空间站”（ISS）长期考察航天员的健康和绩效，保障他们开展职业活动和航天各领域的科学研究。在“国际空间站”上开展的航天活动为实现载人星际飞行提供了可能。与此同时，在地面模拟条件下顺利开展了航天生物医学方面的科学和技术试验。

1 引言

加加林首次航天飞行作为世界航天史和文明史上的一件重要事件，距今已有50多年了，短短的108min的航天飞行凝聚了航空医学、生物学和生理学领域多年的研究成果，是火箭航天系统、专用医学，以及远程仪器的科研人员密切配合、共同努力的结晶。

1950－1960年，苏联在高空火箭、轨道卫星及卫星飞船的飞行中开展了生物试验，研究航天飞行极端因素对各类生物体的影响。1951－1958年，进行了29次载狗火箭发射，通过这些试验表明，动物能够正常经受短期失重和超速的影响。1957年11月，俄罗斯发射了第二颗人造地球卫星，其中载有第一只地球动物——小狗莱伊卡（Лайка），试验表明，动物可以承受过载和失重条件，这一结果在以后其他小狗的飞行中得到了证实。这些研究是航天医学发展史上的重要阶段。1960－1961年，在生物卫星4次飞行中，研究人员利用狗、啮齿类动物和其他生物体（植物、小球藻类培养物、微生物、细胞和组织培养物）开展了生理学、生物学及放射生物学研究。对飞行后的动物的诊查结果表明，它们总体状态及行为表现没有出现大的变化。进行这些研究的目的是对载人航天飞行进行科学论证。这项研究任务顺利完成，大量的研究试验基本上是由航空医学研究所的科研人员完成的，他们在分析的基础上，论证了地球人参与飞行的可能性和安全性。

在对相关研究工作进行总结时，Н.М.西萨基扬（Сисакян）院士及其他科学家概括为：“在第2到第5艘生物卫星上所进行的系列生物试验，解决了许多重要的问题，取得了有针对性的主要数据，得出了极为重要的结论：从生物和医学的观点出发，人类在明显低于辐射带的环形轨道飞行对于健康和生命是安全的”。

2 首次载人航天飞行的准备

在进行动物试验的同时，开展了太空极端因素对人体影响的全方位研究。这些研究为开发航天飞行生物医学保障的方法、制定生理学的方法和手段、建立生命保障系统和应急方法奠定了基础。

根据1959年1月5日政府“关于加强航天飞行生物医学保障领域的科学研究工作”的决议，航空医学科学研究所更名为航空航天医学国家科学研究所。在В.И.亚滋多夫斯基（Яздовский）的主持下，研究所确立了新的科学方向，旨在解决航天飞行医学保障问题，开展航天飞行因素作用的研究，进行飞行乘员的选拔和训练。根据这个科学研究方向，组建了航天生理部，由О.Г.加津科（Газенко）主持。在此期间О.Г.加津科与他们的同事们共同努力，利用动物开展航天飞行中的生物学和生理学研究，分析所取得的结果，预研未来的研究方向，对航天医学的研究工作做出了极大的贡献。

1959年确定了航天员训练的主要方法，选拔出了第一批预备航天员。在航空航天医学研究所专家的参与下，制定了首飞训练计划，其中包括综合性的训练和试验及生物医学强化课程，熟悉火箭技术、飞行变化，了解“东方”飞船的结构、系统和设备，并掌握飞行的控制方法。

在首飞准备过程中开展了大量技术保障方面的工作。在生物卫星上对航天服、生命保障设备及着陆舱进行了试验。研制了航天员最重要的健康指标监督仪器及飞行安全保障系统工作指标监督仪器。

开发出了航天员医学选拔的方法。对候选航天员的基本要求是，身体和心理非常健康、具有承受极端因素作用的能力（极端因素包括：过载、低氧、隔绝、热应激、短期失重及低气压等）、工作能力强、智商高、心理稳定。进行了预备航天员体能训练、航天飞船控制训练、以及生命保障系统和医学监督系统使用训练。

3 首次载人航天飞行

1961年4月12日 ，加加林实现了历史上首次太空之行，开辟了载人航天新纪元。此次太空之旅回答了一个重要的问题：人类能否在太空中生活和工作？此次飞行对前期在火箭、卫星和地面模拟试验中所进行的预研工作的准确性给予了评价。

医学和生理学家首先关注的是航天员心血管系统、呼吸系统及心理的状态，及其对航天飞行因素作用的反应，主要是对失重和过载的反应。飞船入轨时及在失重条件下，加加林感觉良好，下降和着陆也比较顺利。为了对航天员的身体状态进行医学监督，分别在飞行前、中、后记录了第二胸导程心电图、呼吸描记图和心率，利用遥测将这些数据传向了地面。在向地面降落时利用舱载自动系统记录生理数据，当降落伞弹开后利用固定在航天员身上的记录仪记录数据。在飞行前和发射位时，加加林的心率为每分钟60～70次，在发射前5min心率达到了每分钟110～130次，飞后返回到了初始值；动脉血压在飞行中和飞后均未超过125/75mmHg。飞行后加加林心电图没有出现大的变化；负荷机能试验的耐受程度及小腿动脉波形图数据，反映出航天员的心血管系统状态良好。在飞行后的诊查中，没有发现神经系统和高级神经活动出现病理和功能性的变化，没有记录到感觉器官状态出现大的偏移，外周血没有变化，没有发现代谢指标变化。在加加林与飞行控制中心的无线电通话中，反映出航天员心理状态正常且工作能力较高。加加林的飞行报告详细描述了失重和过载时的主观感受，这具有重要的意义。他写到：“失重的感觉有点不太适应……感觉有点像卧在纤绳上。开始有些不习惯，后来就习惯了，适应了，没有任何不良的感觉”。在描述下降时的感觉时，加加林写到：“我的感觉，过载在10gn以内，有一段时间大约是2～3s，仪器在眼中飘浮。后来过载减弱。过载减弱得比较平稳，但速度快，比增加时的速度快”。

加加林的顺利飞行，开启了航天医学的新时代。作为空间生命科学的新领域，航天医学面临新的发展生机，从此开发宇宙空间的科学研究也蓬勃地开展起来。

4 短期载人飞行

在载人航天第一个10年间，飞行时间从108min增至18天。在此期间完成了大量的生物医学研究，证明了人类在太空飞行条件下短期驻留的可能性。短期航天飞行中航天员的典型反应特点是，出现空间运动病，心脏活动的一些指标出现变化，运动协调性出现非持续性的紊乱。

最突出的变化出现在飞行以后。主要表现在，总体疲劳、心血管系统对体能负荷和立位作用严重缺乏训练、由于机体相对脱水，运动调节和垂直姿势调节紊乱。这些表现在一些情况下具有临床意义。

为了增加航天飞行时间并确保航天员健康无伤害，必须在总体医学保障系统框架内建立有效的预防措施和方法。

5 长期航天飞行

由于建立了完善的生物医学保障，其中最重要的是建立了有效的预防系统，1975年航天员П.И.克利穆克（Климук）和В.И.谢瓦斯季亚诺夫（Севастьянов）在礼炮－4空间站上顺利完成了63天的飞行。此后增加航天飞行时间成为了载人航天发展的主要趋势，航天员们在礼炮－7空间站上飞行时间先后达到了96天、140天、175天、185天、211天和237天。

在航天飞行中预防系统的任务是，预防和降低失重不良因素的作用。为了解决这个问题，开展了各类试验，其中包括：利用临床和抗直立运动机能减退、干浸等进行失重模拟试验，实验室动物低动态运动机能减退试验，卫星试验和长期隔绝试验。低运动试验的时间达到了50天、100天和更长的时间。其中最重要的是365天抗低态直立运动功能减退试验（1986－1987年），该试验所取得的结论作为预防措施的建议，被执行一年期飞行任务的航天员В.Г.季托夫（Титов）和М.Х.马纳罗夫（Манаров）接受和采纳。

实现长期和超长期航天飞行是现代航天生物医学研究成果的有力证明。医生航天员В.В.波利亚科夫（Поляков）实现了438天的航天飞行，创造了世界航天飞行的新纪录，为其他航天员长期太空考察开辟了道路，使未来星际考察成为了可能。在“和平”空间站，以及在以后的“国际空间站”进行半年以上飞行已成为了常态。有数名航天员（С.К.克里卡廖夫、С.В.阿夫杰耶夫、А.Ю.卡列里、В.В.波利亚科夫、А.Я.索洛维约夫）累计飞行时间超过了600天。

6 载人航天人的生理学问题

在航天医学发展过程中，深入的科学研究为其发展奠定了基础，明确了人体对综合飞行因素的适应规律，弄清楚了人体对航天飞行因素作用最敏感的系统，明确了人体及其系统在航天飞行条件下的主要适应机制，制定了航天飞行中健康管理的方法。

研究表明，近地轨道飞行的主要因素是失重，在其作用下会导致重力依赖系统最大的变化，重力依赖系统在地面条件下主要完成对抗（反）引力的工作（心血管系统及肌肉系统，支撑器官）或者是在活动中判定重力方向（前庭系统）。

在航天生理学的研究中，主要关注心血管系统、骨骼肌、骨骼系统、感觉系统、运动控制状态的评价，以及代谢等变化。下面主要介绍航天医学一些主要问题的研究现状及其发展。

心血管系统

在失重的作用下，心血管系统心肌电性（电特性）会出现不良变化，包括窦性心律不齐和额外收缩（尤其是在舱外活动时及高体力负荷时），心脏收缩频率增加且力量下降，心脏喷出血量和分钟出血量降低，心搏周期时相结构重新调整（等长收缩和舒张缩短，驱血期和左心室快速充血期减少，心电图上T波幅度下降）；系统性血液循环变化，表现为外周阻率和舒张血压降低，小腿静脉收缩性降低且颈静脉充血增加；内器官也出现了静脉郁血的征兆，血管紧张调节紊乱且微循环下降。这些变化会导致直立运动退化。

感觉系统，前庭器官

研究表明，在失重初期前庭反应非常轻松，原因是本体感受对前庭核的抑制作用减弱。后来进入了抑制期（小脑的作用导致），这证明已从眼运动、脑运动和姿态运动的感觉保障系统排出了前庭通道。

根据航天员飞行结果，对现象进行了系统化的研究，制定了重力变化时知觉和感觉运动紊乱分类法，确定了感觉系统适应过程的特性和时间，开发并使用了前庭功能及与之相互作用的感觉器官的诊察方法。

运动监控

长期失重及其模拟条件的作用会导致反射领域深度和长期的变化，以及协调性明显紊乱。

失重对运动控制系统感觉保障产生极大的影响，其原因是来自肌肉感受器和脚皮肤感受器的传入冲动程度降低，前庭眼运动协调紊乱结果出现了感觉综合过程、运动协调过程、定位过程、随意运动监控过程的紊乱，并且出现视分析器运动控制作用代偿增加。视分析器具有评价身体在空间中位置（姿态）的功能，正常情况下该功能由前庭器官完成。

基于飞行中和地面研究所取得的数据，对有关低重力运动综合征的观点进行了论证，并明确主要定向和本体感受系统活动紊乱是失重中导致运动控制组织及进行运动时发生深度变化的主要原因。

骨骼肌

失重会导致骨骼肌负荷下降，会在神经肌肉器官所有环节内引起紊乱，包括细胞内信号系统。生物卫星上对大鼠的研究表明，最明显的变化是在保持姿态和运动时出现在承担力量负荷的抗重力肌肉上。在飞行后及地面模拟失重效应条件下对人骨骼肌研究表明，肌肉的力量指标下降，尤其是伸肌。变化产生在紧张度极大下降及强力转入快速运动活性的情况下。

骨系统

在飞行及模拟试验中，通过对骨系统的研究取得了大量的科学数据。通过对在生物卫星飞行的大鼠骨组织研究表明，骨的生长受到了抑制，骨膜生成缓慢，出现骨质疏松，骨的机械强度降低。

针对生物卫星飞行后的猴子进行研究表明，髂骨海绵结构中的骨质量减少，小梁骨组织钙化速度降低。使用双光子吸收测量和定量计算机体层X线照相术，对航天员骨组织开展的研究表明，各种时间长度的飞行后，最明显和变化最快的是承担重量负荷的骨组织，特别是其中的海绵结构。在长期飞行中骨组织中的变化作为潜在的风险进行评估，由于骨的钙和磷流失，造成骨密度下降，这会增加骨折和患肾结石的可能性。值得注意的是，飞后骨组织康复过程需要相当长的时间。

代谢和内环境调节

通过对航天员诊察和生物卫星上开展的动物试验，失重会对蛋白、碳水化物、脂类及能量的代谢产生极大的影响。现已明确，急性和长期的适应性反应会导致建立新的内环境稳定。出现大量内环境代谢指标偏差，一些组织出现结构性紊乱，代谢过程加强，能量代谢程度下降并形成新的失重条件下的代谢水平。

研究表明，在这些偏移中起主要作用的是内分泌系统的变化，这些变化有的是由亲躯体细胞和促甲状腺垂体功能下降引起的，即长期飞行中产生“去甲肾上腺素不足综合症”。基于对所取得数据的分析，提出了失重中物质代谢降到最低化的假说。飞后研究表明，表现突出的重力应激出现在由失重向地球引力过渡期间。

水盐代谢

航天飞行中心血管系统、神经激素调节及代谢状态变化，是水盐代谢出现规律性变化的原因。

现已查明，失重作用初期血液再分配、中枢及肾脏血液动力方面出现偏差会使血液量调节发生变化，这会导致调节激素（后叶加压素、高血压蛋白酶、血管紧张素），以及醛固酮发生变化，并产生特殊的水盐内环境稳定，伴有钠、钙和磷的负性平衡。

俄罗斯生物医学问题研究所开发出了评价水盐内环境稳定的功能方法，以及在各个阶段消除其不良变化的方法。

心理保障

在现实中利用心理保障系统来预防和调整飞行前、中、后出现的各类紊乱。在飞行前主要开展心理选拔、训练和组建相应的飞行乘组。航天员选拔的心理标准是：心理健康状态；个体的职业素养；在小群体中个体行为和表现的特点；对极端环境条件下工作的个体心理稳定性。在训练中航天员要了解个体间关系的特点，培养在个体间和组群间建立最佳关系的能力。除此之外，在规划人在太空中的生活时，建立适宜的作息制度仍然是非常重要的问题，在这方面专家给予了极大的关注。

在飞行中直接开展心理生理和精神状态的监测和诊断，并保持航天员使用自动化工具的职业技能。心理预防和矫治是飞行中心理保障的重要组成部分，其中包括地面和舱内社会心理支持。

航天员飞后社会心理康复，在航天员心理保障和保持其职业寿命方面占有非常重要的位置。

7 载人航天飞行的辐射安全

航天飞行中人的健康安全保障研究的一个重要方向是，研究太空辐射作用的射线生物学特性，空间剂量测量学，航天员辐射剂量限定。

该领域取得的主要成果是：①开发出航天飞行辐射安全系统；②明确了轨道上和航天员体内辐射场的形成规律；③制定了空间辐射环境预测方法；④开发并在航天器上使用了剂量测量监控的方法和设备；⑤论证了长期飞行航天员可以承受的剂量，开发出辐射安全标准；⑥在空间站飞行期间长年不间断监测辐射环境。

由于重带电粒子具有很强的穿透性，应当特别加强辐射对中枢神经系统、视觉功能、视网膜、眼晶体破坏作用的研究，特别关注发生突变，并寻找防护方法。后继将研究辐射和失重的混合作用。

8 生命保障系统和适居性问题

在几十年的载人航天实践中，空间站物化生保系统研发和应用领域取得了巨大的成就，目前重点关注生保系统的生物学部分，这将是未来组合式生保系统的组成部分。

在“礼炮”系列、和平号空间站，以及“国际空间站”上使用了“光”和“拉达”（Лада）温室装置开展研究，结果表明连续几代高等植物生长和正常发育是可能的。

1979年在“太空－1129”生物卫星及1990年在“和平”空间站所进行的试验表明，在失重条件下实现鸟胚胎形成（日本鹌鹑）是可能的。

适居性问题的研究具有重要的意义，基于这些研究在载人航天实践中推广使用了防疫系统、个人卫生措施、化学和微生物监测系统，以及防止内部装置、系统和设备免遭微生物破坏作用的防护措施。

“国际空间站”微生物研究的一个重要方向是，研究微生物孢子体在开放太空的生存性 。结果表明，在空间极端条件下驻留数月后孢子没有失去生命力。在研究微生物孢子的同时，还在相同条件下研究一些生物（高等植物种子、蚊蚴、低等甲壳动物的卵）静止期的生存性。

9 “国际空间站”载人飞行

在“礼炮”系列、和平号空间站建立和成功运用的航天员生理和心理健康维护系统，是“国际空间站”俄罗斯舱段航天员医学保障的重要基础，其中包括：①飞行中乘员健康的监测；②长期航天飞行不良作用的预防系统；③舱外活动医学保障；④医学救助系统；⑤生命保障系统；⑥居住环境监测；⑦辐射监测，辐射安全保障。

“国际空间站”乘员健康医学保障融合了各成员国先进的医学知识和技术。在这种情况下，使用统一的太空飞行医学保障国际标准和统一的航天员健康标准具有极为重要的意义，需要整合“国际空间站”医学保障的方法，包括预防和医学救助方法、居住环境和辐射状况的监测方法、个人保健方法、饮食和水保障方法。

10 最新技术对于发展航天生物医学的意义

航天飞行生物医学保障经验证明，科学研究对于解决载人航天面临的最复杂问题极为重要。对航天飞行人体各系统的风险进行评估，对所获取的关于其状态信息进行分析，弄清其变化的机理，开发减少和预防不良变化的措施和方法并对其效果进行评估，这些构成了解决航天医学问题内在的逻辑关系。在人类首次太空飞行后的50年间，科学家们对完善生物医学的研究方法进行了深入的研究，并应用现代生物和医学及其他科学研究成果来解决航天医学面临的问题。

近几年的科学成果正在引领“生物学革命”，毋庸置疑，这些成果的应用有力地推动了航天生物医学的发展。在研究方法上，主要从机体功能控制的分子生成系统出发，广泛应用相关的研究方法，在细胞、细胞结构层面，以及分子层面上开展试验研究。研究工作在生物医学问题研究所开展了微重力细胞生理学、航天生物技术，以及蛋白质组学等方面采取了一些措施。

11 未来载人火星考察的生物医学问题

航天员选拔问题

火星考察任务的参与者应当从有航天飞行经验的人员中选拔，这样会减轻医生的负担，医生会有效地利用候选人在以前飞行中的身体状况和机体反应的医学数据。选拔方法应当有助于发现隐性疾病，特别是精神类疾病，以及发现低级的机能储备。基于选拔方法和遗传学及分子医学的标准，应当和必须寻找分析应激、骨质疏松稳定性，个体放射敏感性及其他指标的客观标准。个性选拨应当考虑职业和个体的素养。

医学保障问题

火星考察任务的高度自主性及超长的考察时间，要求建立舱载医疗中心并且考察乘组中应当有高水平的医生，以便开展各类医学救助，包括外科和口腔救护。医学中心应当具有全套的仪器设备，以开展医学监督、诊断和治疗，还应当掌握远程医学技术，能够进行高质量的通讯，确保传输医学影像并能获取咨询帮助。此外，还应当要求优化舱载药剂，包括功能性临床试验保质期长的药物，还应当完善医疗器具，以便开展诊断操作及医学救助。

预防系统

在火星任务的所有阶段应当建立高效的重力作用预防系统，在其研制过程中，应借鉴“国际空间站”上现行的并正在完善的预防系统。“国际空间站”是训练未来星际飞行各类医学和医学工程技术的重要试验平台。

有理由认为，应当建立人工重力系统，该系统可利用小半径离心机来开发。科学家们模拟失重条件下利用离心机的旋转进行研究，对其结果进行了论证。结果表明，人工重力系统能够提高重力的稳定性，减少心血管系统、外呼吸系统、水盐代谢状况及血液凝结系统等的不良变化。

现已表明，人工重力的作用能降低萎缩性变化，能预防骨骼肌代谢紊乱及管状骨中钙、磷和矿物质含量的下降。

辐射安全

在星际飞行过程中，辐射安全保障是最艰巨的任务。太阳耀斑的质子及银河宇宙射线重核是严重的危害源，需要制定航天员防护措施（辐射躲避、局部防护、专用药剂、飞行线路辐射监测、辐射剂量监测）。从防护角度讲，具有高穿透力的银河宇宙射线是最严重的问题。

心理问题

心理问题是综合性的问题，解决心理问题有助于保持高水平的职业活动，有助于维护最佳的乘员关系。心理问题包括领袖选择问题、组群间交流问题（包括考察成员不同文化背景和不同性别问题）、有效地开展心理支持问题等。与此同时，还必须开发监测心理状态的仪器设备，以及维护受控能力和评价心理生理稳定性的训练器。

生命保障和卫生保健安全问题

在星际考察中，需要利用物化和生物技术开发自主的再生式生保系统，以此来优化乘员的居住环境。研究生命保障问题必须从现实的生物群落出发，考虑其生物环节的相互作用，完善舱载温室装置培育高等植物的技术。目前对人体排泄物转化系统的研制力度还不够，未来该系统将是生命保障系统重要的组成部分，还必须开发空气中有毒物质的分析和监测舱载设备，研制光催化净化系统，还需要制定可靠和快速的微生物鉴定及环境消毒的方法。