火星宇航员在太空中如何生存

未来漫长的火星之旅中，宇航员将如何在危机四伏的太空环境中生存下来？在狭小的太空舱的医疗箱里，应该选择放上哪些最需要的东西？

在影视作品中，太空之旅似乎是整个火星任务中最为轻松的。例如，火星人马克·沃特尼的状态一直都很好，沙尘暴才是他遇到的严峻考验。道格拉斯·奎德的红色星球之旅同样也是一帆风顺。直到在火星海关和移民局，他才遇到了麻烦。但在现实中，往返火星的太空旅行充满了危险，当然这无关极端天气或持枪歹徒。

前往火星的旅程很漫长，4～6人要在狭小的密封环境里生活3年，抵达目的地后还要在火星上生活6～9个月，返回地球的旅程也同样漫长。

一旦所乘飞船脱离了地球引力场和磁场，微重力和辐射将是宇航员们需要直面的大麻烦。微重力会使宇航员的体液积聚在头部，这可能会导致视力出现问题。在星际空间巡航的宇宙飞船还将不断承受宇宙高能带电粒子的撞击，这些粒子甚至可直接穿透航天器的金属外壳。实验数据表明，辐射可能会增加宇航员罹患癌症和其他疾病的风险。

长时间执行太空任务，也会增加宇航员的健康风险。与前往月球只需要几天航程的阿波罗任务相比，火星之旅长达3年，宇航员出现社会和心理问题的几率要高得多。火星与地球之间的距离是地月距离的600倍。即便是光速通讯，也需要20分钟才能从火星到达地球，因此在紧急情况下向休斯顿求救并不会是一个好的选择。

尽管存在着种种危险，但是美国、俄罗斯、中国和其他国家都制定了向红色星球进军的计划。美国宇航局准备在21世纪30年代完成一项火星任务，考虑到时间紧迫，研究人员正在加紧开发一整套火星之旅需要的医疗设备和药物。

目前，这张清单上的物品还处于早期开发阶段，有些实现的可能性还很小，例如，设想中的“万能诊断棒”就是一个遥远的梦想。但是，研究人员正在加紧设计人造重力服、抗辐射药物和微型医疗工具，科学家希望这些东西能在大约10年内准备就绪，以保证第一批火星旅行者的健康和安全。

模拟重力应对太空微重力环境

在微重力环境下，宇航员轻松漂浮在空中，这看起来似乎相当轻松且浪漫。但实际上，长期漂浮在微重力环境中对宇航员的身体危害极大。在严重失重的情况下，人体不再需要承受自身的重量，肌肉和骨骼会逐渐变弱，这在早期航天事业中一直是个令人烦恼的大问题。1970年6月，当“苏联联盟9号”机组人员从创纪录的18天太空旅行中归来时，其中的一名宇航员在走出着陆舱时虚弱得甚至无法拿起自己的头盔。如今，国际空间站的宇航员每天都需要锻炼几个小时来保持体力，但是生活在微重力环境下导致的其他一些问题仍未得到解决。

在太空失重环境下，宇航员下半身的体液会流向头部，导致颅内压增加。对此，研究人员估计，眼后压力持续升高是造成视力问题的主要原因，例如约一半的宇航员的视力在太空中会发展为远视。此外，失重还将导致对重力敏感的内耳前庭器官混乱，内耳前庭在人体平衡和运动控制中起着重要的作用。

为了确保宇航员能够在火星上正常行走，太空舱中配备了人造重力机器。其中，有一种叫做“下体负压室（LBNP）”的装置对宇航员的下半身施加真空压力，产生向下拉扯的拉力，将宇航员的双脚牢牢固定在地板上，并将体液引流到腿部。

在一次实验中，10名植入了颅内压力计的志愿者将下半身封闭在LBNP中，志愿者须躺下实验，使颅内压接近于在太空中的水平。人体在地球上从站立到躺下，颅内压会从0毫米汞柱上升到约15毫米汞柱，这与宇航员在太空中的体验较为接近。研究报告称，随着研究人员缓慢增加设备的真空压力，志愿者的平均颅内压从15毫米汞柱下降到了9.4毫米汞柱。

美國加州大学圣地亚哥分校的空间生理学家艾伦·哈根斯认为，目前尚不清楚宇航员需要在LBNP中待多长时间，才能保护身体免遭太空环境中流体变化的有害影响。艾伦·哈根斯团队制作了一套可以在日常活动中穿着的LBNP套装原型。这种下半身负压装置是人工重力的早期形式，它比正在测试的替代品（如离心机）更容易送入太空。显然，发射一个房间大小的离心机要比LBNP套装困难得多。但另一些研究人员则认为，离心机的功能可以解决LBNP不能解决的一些微重力问题，如内耳前庭的问题。

开发抗氧化药物以解决太空强辐射问题

微重力对火星宇航员来说可能是个问题，但至少是他们熟悉的一个挑战。但长期暴露在深空辐射环境下，却是太空旅行者所不了解的一种未知危险。

太阳系充满了被称为“银河宇宙射线”的带电粒子，它们几乎以光速传播。这些粒子可以像撕裂纸巾一般撕破金属，可以杀死有机体细胞或在细胞内部引发DNA突变。驻留在空间站上的宇航员和地球上的我们一样，在很大程度上受到地球磁场的保护，不会受到这些微小粒子的伤害。但前往火星的宇航员将完全暴露在这种危险的辐射环境下，前往红色星球的途中，宇航员们预计每天将受到2毫希沃特的辐射，大约相当于每6天接受一次全身CT扫描。

在动物和人体组织测试实验中发现，模拟太空辐射粒子束会降解心脏和血管组织，这表明火星宇航员可能面临的心血管疾病风险会更高。此外，辐射暴露啮齿动物实验表明，空间辐射会损害动物的认知功能。尽管动物和细胞实验通常一次或几周或几个月的辐射照射量，相当于整个火星任务期间受到的辐射剂量水平，但是这与持续的、低水平的照射不能相提并论。这些实验结果发出的警示信号确实令人担忧，因此研究人员正在测试各种抗辐射药物。

最有望入选的候选药物是抗氧化剂。高能带电粒子会将体内的水分子分裂成被称为“活性氧”的有毒化合物，从而对身体造成损害。注入抗氧化剂可帮助中和一部分活性氧，并抑制其影响。可供选择的抗氧化剂包括维生素A和E，以及一种在一些膳食补充剂中发现的硒蛋氨酸。这些抗氧化剂可以在不同程度上减少辐射的负面影响。

当然，光靠抗氧化剂的保护可能还不够。阿肯色大学医学科学系的辐射生物学家正在对阿司匹林和其他抗炎药物进行测试，看看是否有助于减少高能粒子对细胞的损伤。

配置最佳医疗急救箱以应对意外

通过人工重力改变失重环境和服用抗氧化剂可能将成为宇航员日常生活的一部分，但是火星宇航员还必须学会处理其他任何意外疾病和伤害。

执行火星任务的宇航员机组中可能还需要一名医生，但这位医生也可能生病。比较理想的状态是，太空舱中应配备人工智能设备，它可根据宇航员的症状，推荐医学测试，进行诊断和确定治疗方案，但要研制出相当可靠的“AI博士”还是遥不可及的梦想。

目前，最先进的症状检测工具是医院和诊所医护人员使用的诊断软件VisualDx，它可根据患者症状对可能的诊断结果进行筛选。对于一些皮肤疾病，VisualDx还可以根据患者的皮肤照片给出诊断意见。在VisualDx诊断工具基础上设计的深空系统版本，可在沒有连上互联网的笔记本电脑上工作。该软件不必包括所有可能的诊断结果，只保留宇航员有较高患病几率的诊断结果，比如皮疹或肾结石。

为了让宇航员快速便捷地学会如何急救和做医学检查，休斯顿KBR公司的太空飞行生理学家和太空医学科学家道格拉斯·埃伯特带领的团队正在开发一种被称为“自主医疗支持（AMOS）”的系统工具，通过图片和视频指导初学者如何检查眼睛、插入呼吸管等。

研究人员与大约30名非专业人员对AMOS的原型机，就几种医疗方法进行了学习和测试。其中约有80%的志愿者能准确地进行眼部检查和超声波检查，另有约70%的志愿者能正确完成静脉注射。但比较困难的任务，如插入呼吸管，成功率只有大约一半。2020年4月，国际空间站上的宇航员在没有地面控制系统帮助的情况下，成功使用该软件完成了肾脏和膀胱超声波扫描的操作。

而在医学成像方面，太空医学研究人员将目光投向了一种便携式Butterfly iQ 超声波设备，它用一个电动剃须刀大小的探针取代了通常需要的各种传感器来成像不同的身体部位。标准的超声波设备比可移动的Butterfly iQ 超声波设备约重15倍。此外，1Drop医学诊断公司正在开发一种信用卡大小的芯片，用以检测指刺血液样本中不同疾病的化学标志物，并正在为宇航员开发便携式血液测试设备。

由于宇航员的医疗箱必须是袖珍型的，因此研究人员正在使用美国宇航局的综合医学模型来决定太空舱里的急救箱里应该装些什么。该模型可预测执行特定任务的宇航员最有可能出现的健康问题。研究人员只需在模型中输入任务细节，比如宇航员的航行目标、性别和健康状况，然后进行数千次的任务模拟运行，评估某机组人员从便秘到心脏病发作的概率，以决定医疗急救箱里应优先放置哪些医疗用品。目前，该研究团队已使用这个系统为美国宇航局计划在2022年执行的载人月球飞行任务确立了初步的急救箱用品清单。

为火星之旅配备医疗急救箱将是一个全新的研究课题，但研究人员至少还有10年时间来尽可能地为一些医疗设备“瘦身”，并尽快确定配备的医疗用品种类，以给予火星宇航员在漫长而艰难的太空航行中最大的生命保障。

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