让身体适应微重力
一旦进入微重力环境,你的身体将经历几次长期调整。回到地球后,这些变化(比如骨骼和肌肉损失)可能给你的生活造成严重的影响。例如,骨质疏松会使你更容易骨折,肌肉损失会使你在刚回到地球时很难从事重体力活动,因为你可能会受伤和摔倒。因此,在太空生活中,适当的锻炼和合理的饮食十分必要,有助于减轻微重力环境对人体的影响。
骨骼
我们之所以能维持身体的整体形状,是因为我们有骨骼结构。微重力造成的一个主要问题就是骨骼退化和骨质流失,而营养不良会使这个问题变得更加严重。例如,在维持骨骼健康必需的维生素D3摄入不足的情况下,骨质流失速度会加快。此外,我们之所以能够运动,是因为骨骼可以作为肌肉的杠杆和支点。人体的坚硬部件(骨骼)与运动引擎(肌肉)结合起来,使我们在改变身体姿势和身体位置的时候不会损伤胸腔内所有柔软的部件[1]。
除了支撑身体和辅助运动之外,人的骨骼还有其他作用。有的骨骼由坚硬的物质组成,可以撑起身体的形状,但大多数骨骼内部都有空腔,里面充满了海绵状的骨髓——制造各类血液细胞的组织。[2]在太空中,骨骼会出现重大变化。骨质流失的两种主要化学成分是磷酸钙和钙元素,前者使骨骼具有硬度,后者贮存在周身的骨骼里以备不时之需。例如,耳朵的前庭器官耳石的成分就是碳酸钙。骨骼矿物质的流失(骨质疏松)会带来双重打击:不仅会使骨骼变得更脆,还会令身体的其他部分得不到所需的含钙化合物。研究骨骼矿物质流失的医生和科学家能够确认的一点是,这种流失在一定程度上与你在其他行星上的体重减轻和太空中的失重状态有关系。在这两种情况下,你的身体不需要有像在地球上那样坚固的支撑结构,即可行动自如。
有趣的是,这些改变主要集中在腿部、骨盆和腰部的骨骼。这些骨骼所流失的质量是上身骨质流失质量的20倍。人体骨骼系统最脆弱的部分是股骨的上端(股骨是臀部和膝盖之间的长条形腿骨),在太空旅行初期每个月最多流失1.6%的矿物质。骨盆骨骼和腰部骨骼的流失速度分别是每个月大约1.4%和1.1%。全身平均的流失速度是每个月0.35%。换句话说,在进入太空的最初几个月里,每4天你就会损失大约0.002磅(约0.9克)的骨骼矿物质。这远远快于地球上绝经女性的骨质流失速度。
幸运的是,这些数字只是进入太空初期的骨质流失速度,你不会因为骨质不停流失而最终坍成一团肉泥。我们现在还不能确定,斯科特·凯利和米哈伊尔·科尔尼延科在太空停留的时间是否足够让他们的骨骼矿物质密度达到一个最终的“稳定状态”。我们只能从他们的经历推断,如果你在太空停留的时间足够长,那么你的骨骼钙质密度会稳定在一个比现在低很多的水平上。
骨骼矿物质流失的后果极其严重。最危险的是骨折,可能是意外造成的,也可能是因为骨骼受到了外力——同样的力在地球上一般不会导致骨折。换句话说,如果你经过6个月的航行到达了火星,想举起一个在火星上重22千克的东西,那你会有骨折的风险,而当初在地球上,同一块骨骼完全能承受这个重量。
太空医学还没有碰到过骨折问题,所以医生尚不清楚如何在微重力和其他低重力条件下妥善接骨。在太空里,断骨愈合通常比在地球上需要更长的时间,而且我们认为,在太空里折断和愈合的骨骼比在地球上愈合的骨骼脆弱得多。你可能会问:为什么不给骨折的太空旅行者吃富含钙质的食物或补充剂来帮助愈合呢?这么做乍看起来是合理的,但实际上不仅解决不了问题,还可能带来新问题。
人体如此复杂,以至于一个变化往往会引起一系列其他变化。在太空旅行中,你体内的钙会不断从骨骼中流失,所以你的血液和尿液会一直富含钙基矿物。这种含钙量过高的尿液被称为高钙尿症。如果你因为骨折而摄入钙,那么在骨骼愈合的过程中,你无法将摄入的钙全部吸收。大部分钙还是会流失掉,从而加剧你的高钙尿症,直接导致肾结石这样的严重后果。肾结石往往会引起剧痛,还可能伴有恶心和呕吐。在地球上,肾结石经常不必通过外科手术干预就可以排出体外。在太空中是否也是这样,还有待观察。大量喝水对排出肾结石有好处,但太空中不会有那么多水供你饮用。
太空医学界认为,太空中的骨质流失会增加你老年时患骨质疏松的概率。幸运的是,人们正在做大量的工作,旨在防止和减轻这种不明显却很危险的疾病。你应该了解的是,太空旅行会使你患病的风险变高。
牙齿
在地球上,人的牙齿腐蚀得比较慢,而一旦发现蛀牙——无论是因为牙痛还是通过牙科检查发现的,补牙的过程比较快,也不会让人感到十分痛苦,只是费用有点高。吃剩饭剩菜会使口腔滋生细菌。此外,口腔分泌的酸会破坏牙齿的外保护层。理想的情况是,我们第一时间把流失的矿物质归还给牙齿。如果做不到这一点,细菌就会侵入,从而形成蛀牙。氟化物可以增强牙齿的硬度和耐腐蚀性。
在太空中,牙齿腐蚀的风险会增加,因为在微重力条件下,致龋细菌的繁殖速度是地球上的40~50倍。1978年,在“礼炮6号”空间站停留期间,苏联宇航员尤里·罗曼年科(Yuri Romanenko)出现了一颗蛀牙,造成牙神经外露。他不得不忍受两周的剧痛,直到任务结束。除了自然蛀牙外,还有很多其他事情也会损坏牙齿,比如牙齿被微重力环境里的大量飘浮物撞击、牙齿的自然磨损以及吃东西时崩断牙齿。
我们已经对太空牙齿护理做了很多思考。人类在太空以及长期孤立的地球环境(比如潜艇)中可能出现的牙科问题,促使我们不断开发适用于这些环境的牙齿预防和修护措施。这些措施旨在减轻痛苦,防止继发性感染,以及让牙齿在接受专业牙科治疗之前得到保护。
肌肉
骨骼强度减弱的同时,骨骼肌也在萎缩,同时肌纤维的类型也会发生转化。肌肉萎缩很好理解,基本上就是遵循“用进废退”的道理。肌肉萎缩通常在你进入微重力状态的5天后开始出现。
对肌纤维类型的转化,我要多说两句。人的肌肉由两种肌纤维组成。被称为慢肌或红肌的肌纤维含有丰富的血液,能够维持长时间的能量供给,所以不易疲劳。肌肉能量通常储存在被称作三磷酸腺苷(ATP)的分子中。慢肌使你有能力进行长跑、骑自行车、游泳等有氧运动。在太空中,由于慢肌处于闲置状态,所以你会频繁感到慢肌疼痛。相当多的太空旅行者因此出现过背部疼痛。
另一种肌纤维被称为快肌或白肌,它们没有大量的能量库存,也无法迅速恢复能量。这种肌纤维在你从事短促和爆发性活动时提供力量,比如短跑或提起重物。对宇航员的研究揭示,在微重力环境下,红肌会转化为白肌。因此,如果在途中不进行适应性训练,你会发现你在其他世界行走、攀爬和跑步的持久力会远远低于你在地球上的水平。虽然白肌的增加会提高你的举升力以及其他力量,但这种积极影响会因肌肉总量损失而衰减。[3]
营养不良可能是造成肌肉萎缩的原因之一。我们目前仍在研究克服肌肉萎缩的办法以及多种医疗干预的效果。由于失去有氧运动(耐力运动)所需的慢肌,所以你可能会希望在太空中使用跑步机、划船机、动感单车等有氧运动器械,以维持慢肌的数量。然而,到目前为止,实验结果显示,在太空中使用这些器械对慢肌向快肌转化的抑制作用不大,在减慢肌肉萎缩速度上也没什么效果。
谈到肌肉,如果有人在太空变成斗鸡眼,你不要感到意外。[4]这种常见的现象被称作内斜视,甚至在你回到地球之后还会持续一段时间。
太空医药
太空医药研究现在已经成为一个全职行业。伴随着生理变化(前文谈到了一些),人在太空中对药物的反应也会发生变化。微重力使人体吸收药物的速度不同于在地球上的吸收速度。因此,所有药物必须重新评估剂量才能在太空服用。这是新兴的太空医学领域正在研究的诸多问题之一。由于处方药和非处方药种类繁多,而且先于你进入太空的人相对较少,所以你在太空中生病的时候,可能不得不服用一些微重力下剂量尚不明确的药物。你对这些药物的反应是对医学知识体系的一份贡献,这样在你之后进入太空的人会对药物剂量有更清楚的认识。
许多药物在太空中失去效力的速度都比在地球上快得多,药物剂量的调整也因此变得更加复杂。换句话说,在太空中,药物会在标注的过期日之前失效。造成这种情况最可能的原因是辐射改变了药物的化学组成,但这种说法还有待确认。我们在第1章里谈到,这种辐射通常无法通过地球的大气层到达地球表面。由于每种药物的独特化学组成决定了它对人体产生的效果,所以化学成分的改变会导致药物失效。正因如此,药物剂量必须根据药物在太空中的药效长度进行修正。这是未来几年太空医学领域将会得到显著发展的诸多方面之一。
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