長(zhǎng)期遠(yuǎn)程空間探索要解決的難題

魏金河

從前面的敘述中可以看出，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期遠(yuǎn)程的空間探索，在技術(shù)上和科學(xué)上都存在著必須解決的難題。在技術(shù)上，一個(gè)基本難題就要研制出個(gè)再生循環(huán)式生命保障系統(tǒng)，解決氧氣、水和食物供應(yīng)問(wèn)題。在目前正在研制的國(guó)際空間站中，所用的生命保障系統(tǒng)也只能部分地實(shí)現(xiàn)水的再生，絕大部分資源仍需地面定期補(bǔ)給。這種狀況對(duì)于近地軌道飛行還是可行的，但要建立月球基地或飛往火星（往返需2年左右）就難以維系了。解決這一問(wèn)題，雖然不存在重大的理論問(wèn)題，但要在有限的能源、體積和重量條件下，將微生物、動(dòng)植物與物理化學(xué)系統(tǒng)組成一個(gè)穩(wěn)定高效的生態(tài)生命保障系統(tǒng)也絕非易事。目前，美、俄、歐、日都在開(kāi)展這方面的研究，但離實(shí)際應(yīng)用還相距甚遠(yuǎn)。一旦有所突破，必將有助于人類(lèi)擴(kuò)大自己的活動(dòng)范圍，而且，在軍事上（如核潛艇）也有重要的應(yīng)用價(jià)值。

限于篇幅，下面將重點(diǎn)討論人在地球外長(zhǎng)期生存所需解決的一個(gè)科學(xué)難題。這就是重力在人的遺傳基因的形成及其表達(dá)過(guò)程中究竟起多大作用？

問(wèn)題的提出。從表面看，從空間返回地面的航天員，經(jīng)過(guò)一定的休養(yǎng)，其生理系統(tǒng)均可完成對(duì)地球1g重力環(huán)境的再適應(yīng)。再適應(yīng)的速度大體上仍與上述的三個(gè)層次一致但稍快于對(duì)微重力的適應(yīng)過(guò)程。也就是說(shuō)，空間飛行似乎對(duì)人體沒(méi)有什么不可恢復(fù)的影響，但迄今為止的飛行時(shí)間只是人的生命周期的幾百分之一到幾千分之一。從長(zhǎng)期空間探索的角度考慮，如下兩個(gè)現(xiàn)象就不能不引起注意了。

空間飛行中人體的反應(yīng)變化與老化癥狀相似

前已述及人體在空間飛行中的一些主要變化，其中骨鈣丟失，肌肉萎縮、紅細(xì)胞生成速度下降、心肌收縮力變?nèi)跫懊庖吖δ芟陆档龋c人體的老化特征相似。因此，不能不產(chǎn)生如下的疑慮：這些現(xiàn)象只是表面與老化癥狀相似呢，還是空間飛行真的加速了老化過(guò)程？如果飛行更長(zhǎng)的時(shí)間，這些老化現(xiàn)象還會(huì)是可逆的嗎？這些疑慮已引起國(guó)際航天醫(yī)學(xué)界的嚴(yán)重關(guān)切。

在空間發(fā)育的昆蟲(chóng)的生命周期變短

我國(guó)航天醫(yī)學(xué)工作者史之禎等在生物艙衛(wèi)星搭載實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，空間飛行的家蠶卵比地面對(duì)照組提前2天孵化，其后的發(fā)育過(guò)程亦變短，整個(gè)生命周期比地面對(duì)照組縮短6%。這一現(xiàn)象在后來(lái)與俄羅斯合作的生物衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。由此，人們自然地會(huì)聯(lián)想到：如果人在空間完成一個(gè)生命周期或完成發(fā)育的關(guān)鍵階段會(huì)不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的情況呢？

問(wèn)題分析。對(duì)宇宙空間進(jìn)行探索雖然不可避免地要付出代價(jià)，但采取必要措施保障航天員的安全和健康不僅是完成航天任務(wù)的首要條件，也是航天科技工作者特別是航天醫(yī)學(xué)界的責(zé)任。在未來(lái)的長(zhǎng)期遠(yuǎn)程航天中，航天員可能在空間生活、工作幾年或更長(zhǎng)的時(shí)間，因此，上面提出的問(wèn)題就顯得非常重要。下面將簡(jiǎn)要地分析上述現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)。

人在空間飛行中出現(xiàn)的類(lèi)似老化的癥狀和家蠶生命周期縮短的現(xiàn)象都提示空間飛行改變了生物機(jī)體發(fā)育的進(jìn)程。那么，在空間飛行環(huán)境因素中是哪一個(gè)主導(dǎo)了這種變化呢？人體中出現(xiàn)的骨鈣丟失、肌萎縮、心肌收縮力下降顯然與失重因素有關(guān)，免疫功能的下降還包含心理應(yīng)激的影響。在對(duì)飛行家蠶的研究中，如果說(shuō)其變異率的顯著提高可能主要是電離輻射因素所致，其生命周期的變化則很可能源于微重力的作用，其證據(jù)之一是空間飛行的800多個(gè)蠶卵的孵化提前是同時(shí)發(fā)生的。而且，近年來(lái)在空間及地面模擬失重條件下培養(yǎng)的心肌細(xì)胞、骨細(xì)胞等均發(fā)生退化性的組織和功能變化。因此，可以有把握地說(shuō)，是重力的變化導(dǎo)致了生物機(jī)體發(fā)育進(jìn)程的變化。

問(wèn)題是，重力因素作用在機(jī)體發(fā)育過(guò)程的什么環(huán)節(jié)，是遺傳基因中包含了重力困素呢，還是基因表達(dá)過(guò)程的某一環(huán)節(jié)對(duì)重力敏感呢？這正是我們需要解決的難題。從上述現(xiàn)象看，后一種可能性要大一些，細(xì)胞培養(yǎng)的結(jié)果是一個(gè)有力的證據(jù)，當(dāng)然前一可能性也不能排除。

至于如何理解重力因素對(duì)機(jī)體發(fā)育過(guò)程的作用，目前只能提出一些初步的假想。生命過(guò)程可以看作是復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的程序是受遺傳基因控制的，但基因的形成和在整個(gè)生命周期中的基因表達(dá)都包含著或經(jīng)受著外界環(huán)境因素的影響。內(nèi)因是依據(jù)，外因是條件。實(shí)際上，內(nèi)因的形成中亦融合有外部的因素。在地球表面上形成的物種，由于球1g重力的持續(xù)存在，在其遺傳信息及其表達(dá)過(guò)程中就很難避免重力的影響。生命過(guò)程運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是各種具有調(diào)控作用的蛋白分子的合成。DNA與RNA、核酸分子與蛋白質(zhì)分子或多肽分子的相互作用，不僅取決于這些大分子的結(jié)構(gòu)順序（如蛋白質(zhì)中各種氨基酸的順序），還更大程度地取決于它們之間空間構(gòu)型的巧妙匹配。由于在這些大分子的結(jié)構(gòu)中普遍存在著不對(duì)稱(chēng)和重量分布的不均勻性，重力的持久性變化就有可能影響到大分子的空間構(gòu)型，特別是那些含有金屬原子的大分子。

因此，似乎可以假定，空間飛行中重力變化的因素對(duì)生物機(jī)體的影響的基礎(chǔ)可能是重力變化對(duì)生物大分子及細(xì)胞內(nèi)超微結(jié)構(gòu)的直接作用，其效應(yīng)是深刻的，有可能涉及遺傳信息的表達(dá)，從而影響到機(jī)體的發(fā)育進(jìn)程。