Astronomy 版 (精华区)

发信人: totoro (猫中之龙,御风而行), 信区: Astronomy
标  题: NASA火星考察10年计划 载人火星考察研究揭秘 
发信站: 哈工大紫丁香 (Thu Jan  8 15:59:30 2004), 站内信件

　　NASA本次火星考察任务由孪生登陆器精神号和机遇号共同完成，目前精神号已经成功
登陆并且开始科学考察。NASA的雄心勃勃的目标是要将宇航员送上火星进行人类实地考察
，这样得到的成果的价值是目前机器人获得的信息无可比拟的。如果得以实现，当然是人
类科学科学发展历史上的又一次壮举。但是人类进入太空完成长期科学考察需要解决一系
列极 
其困难的问题。NASA计划在10年内解决基本问题。目前，要解决的科学问题已经比较明确
，大量有关宇航员在太空中生存的研究正在紧张进行。本文将分析其中和人的生理有关的
若干问题。我国登月考察已经为期不远，考察火星也是我们的远期目标，NASA以及其他国
家的研究值得我们密切关注。

　　一、太空医生的担忧-细胞战争

　　在微重力或失重情况下长期太空旅行，如果没有保护措施，肌肉会萎缩、骨骼会软化
、基因会被破坏。人体靠免疫系统消灭入侵(通过食物或呼吸摄入以及肠内寄生)的微生物
。

　　在太空中免疫系统的行为改变，免疫B细胞抗体释放减少，T细胞识别病原体和活动能
力降低。过分紧张会释放使得免疫功能降低的激素，宇航员在飞船着陆或起飞时就会出现
这种情况。在太空中宇航员唾沫中病毒数量会增加。

　　拥有100多名研究人员的NASA约翰逊太空中心生物技术研究项目组设计了一种血管壁生
物反应器，其不包括其他支撑设备的核心装置。其大小相当于易拉罐。以每分钟14转的速
度缓慢旋转。能够在几个月的连续自由落体运动中使细胞保持悬浮状态。在液体环境下使
得翻转的细胞尽快朝地球方向下落。其作用是将免疫系统和内分泌系统分开。考察低重力
对免疫细胞的影响。生物反应器实际上是能够培养一个细胞厚度的细胞培养器。能够用于
了解癌症、传染病以及其他疾病的化学和健康器官的机制。它可以使填充到细胞中的液体
发生旋转，抵销多数低重力影响并促使细胞以自然方式生长。这种微环境能够研究细胞复
制时产生的胶原、蛋白质、纤维以及其他化学物质的复杂构成了解细胞应该如何成形以及
对细菌、创伤的响应机制以及由药物、内分泌和遗传工程控制的培养系统中组织的复杂顺
序。地面测试产生的三维组织样本接近于自然生长。从网站可以访问和生物反应器有关的
仪器和工具。

　　二、防止高能宇宙射线的伤害的纳米机器人

　　在太空航行中宇航员离开了地球磁场的保护伞。高能宇宙射线成为宇航员的致命杀手
。它能够破坏DNA，使得它们的行为异常，有时可能导致癌症。太空辐射粒子像极其微小的
炸弹将分子炸碎。深层太空宇宙射线比地球附近太空更具有破坏性。避免宇宙射线伤害的
首先考虑是利用能够吸收宇宙射线的屏蔽装置。能够保护高能射线辐射的最佳物质是氢。
但是科学家指出，不能利用纯氢进行屏蔽，必须寻找包含大量氢的物质，例如包含一个碳
原子和两个氢原子的聚丙烯即通常的塑料。水含有一个氧原子两个氢原子，也是很好的屏
蔽物质。但是水太重难以携带，飞船的发射太昂贵，着陆难度和复杂性更大。要完全屏蔽
射线，氢屏蔽装置的厚度需要2米，这样的装置的重量和体积都是不可行的。但是科学试验
表明一个奇怪的结果，屏蔽30-35%的射线的装置只需要5至7厘米的厚度，这是目前可以考
虑的最佳选择。对于其余70%射线的屏蔽，科学家将另辟蹊径，寻找其他解决方案。维生素
A和C这样的抗氧化剂能够在射线产生危害以前吸收射线产生的粒子。

　　科学家也在寻找一些途径，能够在人体遭到伤害以后使得受损害的异常细胞自行消灭
。有的科学家正在仔细研究细胞的生命周期。在它分裂的时候让它暂停一下，检查基因受
到何种破坏并自行修复。

　　科学家正在研究的一种高技术手段是所谓纳米微粒、纳米胶囊、纳米机器人或者“纳
米外科医生”。这种大小从几个纳米到数百纳米的“纳米级机器人”远比细胞或细菌小，
甚至比可见光的波长还短小。能够在血流中作任何方向自由翻动，能够发现有病的细胞，
渗透细胞膜并注入准确的药物剂量。

　　NASA已经正式启动纳米胶囊的研究项目。数以百万计的纳米胶囊经皮下注入体内以后
，利用人体细胞的天然信号系统寻找遭到辐射破坏的细胞。人体数以千亿的细胞通过细胞
外膜的复杂分子相互通信。这些分子的作用如同细胞通信的化学“标记物”或控制血流中
分子(例如内分泌)进入细胞的化学“阀门”。当细胞被辐射破坏以后，产生特殊种类的称
为CD-95的蛋白质，成为存在于细胞外表面的标记物。将分子植入纳米微粒外表面并且和C
D-95结合以后，科学家可以为纳米微粒编制寻找受辐射破坏细胞的“程序”。这个外膜中
的复杂分子可以控制细胞和环境的相互作用。如果辐射破坏非常严重，纳米微粒将进入破
坏的细胞并释放使得细胞启动自我破坏程序的酶，称为细胞凋亡(apoptosis)。否则，它们
释放DNA修复酶修复细胞使它们具有正常功能。人类和其他有机体均具有和DNA亲和的并能
够修复错误的酶。

　　有一些有机体吸收高辐射剂量的能力更强。科学家对它们的研究以后已经能够合成能
够被纳米微粒释放的DNA修复酶。

　　这种纳米胶囊对癌症治疗有巨大潜力。它能够将灭杀癌细胞的毒性物质注入细胞同时
避免通常化疗产生的破坏性副作用。

　　纳米机器人的种类可以说形形色色。其结构将越来越复杂，可以包括天线、图像获取
、电池、控制引擎等。图7展示医学纳米机器人的可能结构。

　　三、宇航员的保健

　　1.和失重作斗争

　　宇航环境和地球环境最大的不同是失重。重力不是一种力，而是一种信号。

　　它规定身体内部应该如何工作，包括肌肉、骨骼和血液。失重对宇航员的健康有严重
影响。在深层太空，肌肉萎缩很快，因为身体感觉到不需要它们。肌肉用于和重力作斗争
，例如腓肠和脊柱的肌肉是为了保持姿势，如果不使用可以减少20-30%。在太空中肌肉以
每周5%的高速度消失。骨骼的损失更为严重，在太空中骨骼的损失速率为每月1%，建模测
试表明总的损失可达40-60%。血液也感知重力的变化。在地球上，血液滁留在脚上。脑部
的血压可以为60-80毫米汞柱，而脚部的血压可以高达200毫米汞柱。在太空中重力消失了
，从头到脚的重力梯度也就消失。血压均衡化，全身为100毫米汞柱。宇航员出现面部充满
体液、气喘以及腿部萎缩(每月减少1升液体)等奇怪现象的原因就在于此。血压的变化也会
发出信息。我们的身体期待血压梯度，头部血压的升高对身体发出警告：血液太多！由于
周围的信息，宇航员在失重两到三天内可以失血22%。这种变化也影响心脏。它感到它的泵
的功能不需要那么强了，从而出现萎缩。如果永远停留在太空，也许问题不大。但是当回
到地球时必须重新调整对重力的适应。多数宇航员的损失是可逆的，但是重新调整并不容
易。血容的调节需要数天。他们会感到口渴，因为身体感到体内没有那么多血液，需要多喝水，而排尿却不多。肌肉的恢复需要1个月左右。骨骼的恢复要花更
多时间，太空飞行3-6月，需要2-3年才能恢复。有的研究表明还必须辅以运动和锻炼。


　　为了使得以上的损失减轻和加快恢复，宇航员需要进行特殊锻炼。一系列运动器械设
计出来了。例如，降低身体负压(LBNP)，可以在地面测试宇航员的直立耐受力和太空站上
的锻炼器械。IRED是NASA开发的阻力装置。

　　它可以为各种锻炼产生300磅阻力。

　　宇航员疾病的医疗措施也是大问题。对于内科疾病可以利用医学专家系统进行诊断和
治疗。需要制造特殊的药物和医疗器械。其中之一在90英尺高的悬崖上安装天线时摔了下
来，结果发生骨折。另外两个宇航员利用便携式全息CT扫描装置和头盔上的显示器确定外
伤的严重程度。在他的腿部安装了薄的夹板。

　　对于外科手术，需要研制特殊的微创手术机器人装置。许多药物通过注射纳米胶囊注
入人体治疗各种疾病。

　　太空医学将是崭新的医学领域。太空医学的成就，例如远程医疗，也完全可以在地球
上发挥作用。 

 

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