從加加林首飛到現代載人飛行和星際考察—俄羅斯航天醫學發展50年

王永生 周生東 （中國航天員科研訓練中心）

從加加林首飛到現代載人飛行和星際考察—俄羅斯航天醫學發展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 周生東 （中國航天員科研訓練中心）

1961年4月12日，蘇聯航天員加加林完成了人類的首次太空飛行，這是世界航天史上的里程碑事件，對現代文明的發展產生了巨大影響。在此之前人們就利用各類生物體在火箭和衛星上進行了長期有針對性的生物醫學研究，根據數據得出的結論是，人類原則上可以進行航天飛行。在最初幾批航天員完成飛行后，醫學保障系統也得到了完善，航天員在“禮炮”系列與和平號空間站長期考察的時間連創紀錄。現代航天生物醫學保障有效地保持了“國際空間站”（ISS）長期考察航天員的健康和績效，保障他們開展職業活動和航天各領域的科學研究。在“國際空間站”上開展的航天活動為實現載人星際飛行提供了可能。與此同時，在地面模擬條件下順利開展了航天生物醫學方面的科學和技術試驗。

1 引言

加加林首次航天飛行作為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的航天飛行凝聚了航空醫學、生物學和生理學領域多年的研究成果，是火箭航天系統、專用醫學，以及遠程儀器的科研人員密切配合、共同努力的結晶。

1950－1960年，蘇聯在高空火箭、軌道衛星及衛星飛船的飛行中開展了生物試驗，研究航天飛行極端因素對各類生物體的影響。1951－1958年，進行了29次載狗火箭發射，通過這些試驗表明，動物能夠正常經受短期失重和超速的影響。1957年11月，俄羅斯發射了第二顆人造地球衛星，其中載有第一只地球動物——小狗萊伊卡（Лайка），試驗表明，動物可以承受過載和失重條件，這一結果在以后其他小狗的飛行中得到了證實。這些研究是航天醫學發展史上的重要階段。1960－1961年，在生物衛星4次飛行中，研究人員利用狗、嚙齒類動物和其他生物體（植物、小球藻類培養物、微生物、細胞和組織培養物）開展了生理學、生物學及放射生物學研究。對飛行后的動物的診查結果表明，它們總體狀態及行為表現沒有出現大的變化。進行這些研究的目的是對載人航天飛行進行科學論證。這項研究任務順利完成，大量的研究試驗基本上是由航空醫學研究所的科研人員完成的，他們在分析的基礎上，論證了地球人參與飛行的可能性和安全性。

在對相關研究工作進行總結時，Н.М.西薩基揚（Сисакян）院士及其他科學家概括為：“在第2到第5艘生物衛星上所進行的系列生物試驗，解決了許多重要的問題，取得了有針對性的主要數據，得出了極為重要的結論：從生物和醫學的觀點出發，人類在明顯低于輻射帶的環形軌道飛行對于健康和生命是安全的”。

2 首次載人航天飛行的準備

在進行動物試驗的同時，開展了太空極端因素對人體影響的全方位研究。這些研究為開發航天飛行生物醫學保障的方法、制定生理學的方法和手段、建立生命保障系統和應急方法奠定了基礎。

根據1959年1月5日政府“關于加強航天飛行生物醫學保障領域的科學研究工作”的決議，航空醫學科學研究所更名為航空航天醫學國家科學研究所。在В.И.亞滋多夫斯基（Яздовский）的主持下，研究所確立了新的科學方向，旨在解決航天飛行醫學保障問題，開展航天飛行因素作用的研究，進行飛行乘員的選拔和訓練。根據這個科學研究方向，組建了航天生理部，由О.Г.加津科（Газенко）主持。在此期間О.Г.加津科與他們的同事們共同努力，利用動物開展航天飛行中的生物學和生理學研究，分析所取得的結果，預研未來的研究方向，對航天醫學的研究工作做出了極大的貢獻。

1959年確定了航天員訓練的主要方法，選拔出了第一批預備航天員。在航空航天醫學研究所專家的參與下，制定了首飛訓練計劃，其中包括綜合性的訓練和試驗及生物醫學強化課程，熟悉火箭技術、飛行變化，了解“東方”飛船的結構、系統和設備，并掌握飛行的控制方法。

在首飛準備過程中開展了大量技術保障方面的工作。在生物衛星上對航天服、生命保障設備及著陸艙進行了試驗。研制了航天員最重要的健康指標監督儀器及飛行安全保障系統工作指標監督儀器。

開發出了航天員醫學選拔的方法。對候選航天員的基本要求是，身體和心理非常健康、具有承受極端因素作用的能力（極端因素包括：過載、低氧、隔絕、熱應激、短期失重及低氣壓等）、工作能力強、智商高、心理穩定。進行了預備航天員體能訓練、航天飛船控制訓練、以及生命保障系統和醫學監督系統使用訓練。

3 首次載人航天飛行

1961年4月12日 ，加加林實現了歷史上首次太空之行，開辟了載人航天新紀元。此次太空之旅回答了一個重要的問題：人類能否在太空中生活和工作？此次飛行對前期在火箭、衛星和地面模擬試驗中所進行的預研工作的準確性給予了評價。

醫學和生理學家首先關注的是航天員心血管系統、呼吸系統及心理的狀態，及其對航天飛行因素作用的反應，主要是對失重和過載的反應。飛船入軌時及在失重條件下，加加林感覺良好，下降和著陸也比較順利。為了對航天員的身體狀態進行醫學監督，分別在飛行前、中、后記錄了第二胸導程心電圖、呼吸描記圖和心率，利用遙測將這些數據傳向了地面。在向地面降落時利用艙載自動系統記錄生理數據，當降落傘彈開后利用固定在航天員身上的記錄儀記錄數據。在飛行前和發射位時，加加林的心率為每分鐘60～70次，在發射前5min心率達到了每分鐘110～130次，飛后返回到了初始值；動脈血壓在飛行中和飛后均未超過125/75mmHg。飛行后加加林心電圖沒有出現大的變化；負荷機能試驗的耐受程度及小腿動脈波形圖數據，反映出航天員的心血管系統狀態良好。在飛行后的診查中，沒有發現神經系統和高級神經活動出現病理和功能性的變化，沒有記錄到感覺器官狀態出現大的偏移，外周血沒有變化，沒有發現代謝指標變化。在加加林與飛行控制中心的無線電通話中，反映出航天員心理狀態正常且工作能力較高。加加林的飛行報告詳細描述了失重和過載時的主觀感受，這具有重要的意義。他寫到：“失重的感覺有點不太適應……感覺有點像臥在纖繩上。開始有些不習慣，后來就習慣了，適應了，沒有任何不良的感覺”。在描述下降時的感覺時，加加林寫到：“我的感覺，過載在10gn以內，有一段時間大約是2～3s，儀器在眼中飄浮。后來過載減弱。過載減弱得比較平穩，但速度快，比增加時的速度快”。

加加林的順利飛行，開啟了航天醫學的新時代。作為空間生命科學的新領域，航天醫學面臨新的發展生機，從此開發宇宙空間的科學研究也蓬勃地開展起來。

4 短期載人飛行

在載人航天第一個10年間，飛行時間從108min增至18天。在此期間完成了大量的生物醫學研究，證明了人類在太空飛行條件下短期駐留的可能性。短期航天飛行中航天員的典型反應特點是，出現空間運動病，心臟活動的一些指標出現變化，運動協調性出現非持續性的紊亂。

最突出的變化出現在飛行以后。主要表現在，總體疲勞、心血管系統對體能負荷和立位作用嚴重缺乏訓練、由于機體相對脫水，運動調節和垂直姿勢調節紊亂。這些表現在一些情況下具有臨床意義。

為了增加航天飛行時間并確保航天員健康無傷害，必須在總體醫學保障系統框架內建立有效的預防措施和方法。

5 長期航天飛行

由于建立了完善的生物醫學保障，其中最重要的是建立了有效的預防系統，1975年航天員П.И.克利穆克（Климук）和В.И.謝瓦斯季亞諾夫（Севастьянов）在禮炮－4空間站上順利完成了63天的飛行。此后增加航天飛行時間成為了載人航天發展的主要趨勢，航天員們在禮炮－7空間站上飛行時間先后達到了96天、140天、175天、185天、211天和237天。

在航天飛行中預防系統的任務是，預防和降低失重不良因素的作用。為了解決這個問題，開展了各類試驗，其中包括：利用臨床和抗直立運動機能減退、干浸等進行失重模擬試驗，實驗室動物低動態運動機能減退試驗，衛星試驗和長期隔絕試驗。低運動試驗的時間達到了50天、100天和更長的時間。其中最重要的是365天抗低態直立運動功能減退試驗（1986－1987年），該試驗所取得的結論作為預防措施的建議，被執行一年期飛行任務的航天員В.Г.季托夫（Титов）和М.Х.馬納羅夫（Манаров）接受和采納。

實現長期和超長期航天飛行是現代航天生物醫學研究成果的有力證明。醫生航天員В.В.波利亞科夫（Поляков）實現了438天的航天飛行，創造了世界航天飛行的新紀錄，為其他航天員長期太空考察開辟了道路，使未來星際考察成為了可能。在“和平”空間站，以及在以后的“國際空間站”進行半年以上飛行已成為了常態。有數名航天員（С.К.克里卡廖夫、С.В.阿夫杰耶夫、А.Ю.卡列里、В.В.波利亞科夫、А.Я.索洛維約夫）累計飛行時間超過了600天。

6 載人航天人的生理學問題

在航天醫學發展過程中，深入的科學研究為其發展奠定了基礎，明確了人體對綜合飛行因素的適應規律，弄清楚了人體對航天飛行因素作用最敏感的系統，明確了人體及其系統在航天飛行條件下的主要適應機制，制定了航天飛行中健康管理的方法。

研究表明，近地軌道飛行的主要因素是失重，在其作用下會導致重力依賴系統最大的變化，重力依賴系統在地面條件下主要完成對抗（反）引力的工作（心血管系統及肌肉系統，支撐器官）或者是在活動中判定重力方向（前庭系統）。

在航天生理學的研究中，主要關注心血管系統、骨骼肌、骨骼系統、感覺系統、運動控制狀態的評價，以及代謝等變化。下面主要介紹航天醫學一些主要問題的研究現狀及其發展。

心血管系統

在失重的作用下，心血管系統心肌電性（電特性）會出現不良變化，包括竇性心律不齊和額外收縮（尤其是在艙外活動時及高體力負荷時），心臟收縮頻率增加且力量下降，心臟噴出血量和分鐘出血量降低，心搏周期時相結構重新調整（等長收縮和舒張縮短，驅血期和左心室快速充血期減少，心電圖上T波幅度下降）；系統性血液循環變化，表現為外周阻率和舒張血壓降低，小腿靜脈收縮性降低且頸靜脈充血增加；內器官也出現了靜脈郁血的征兆，血管緊張調節紊亂且微循環下降。這些變化會導致直立運動退化。

感覺系統，前庭器官

研究表明，在失重初期前庭反應非常輕松，原因是本體感受對前庭核的抑制作用減弱。后來進入了抑制期（小腦的作用導致），這證明已從眼運動、腦運動和姿態運動的感覺保障系統排出了前庭通道。

根據航天員飛行結果，對現象進行了系統化的研究，制定了重力變化時知覺和感覺運動紊亂分類法，確定了感覺系統適應過程的特性和時間，開發并使用了前庭功能及與之相互作用的感覺器官的診察方法。

運動監控

長期失重及其模擬條件的作用會導致反射領域深度和長期的變化，以及協調性明顯紊亂。

失重對運動控制系統感覺保障產生極大的影響，其原因是來自肌肉感受器和腳皮膚感受器的傳入沖動程度降低，前庭眼運動協調紊亂結果出現了感覺綜合過程、運動協調過程、定位過程、隨意運動監控過程的紊亂，并且出現視分析器運動控制作用代償增加。視分析器具有評價身體在空間中位置（姿態）的功能，正常情況下該功能由前庭器官完成。

基于飛行中和地面研究所取得的數據，對有關低重力運動綜合征的觀點進行了論證，并明確主要定向和本體感受系統活動紊亂是失重中導致運動控制組織及進行運動時發生深度變化的主要原因。

骨骼肌

失重會導致骨骼肌負荷下降，會在神經肌肉器官所有環節內引起紊亂，包括細胞內信號系統。生物衛星上對大鼠的研究表明，最明顯的變化是在保持姿態和運動時出現在承擔力量負荷的抗重力肌肉上。在飛行后及地面模擬失重效應條件下對人骨骼肌研究表明，肌肉的力量指標下降，尤其是伸肌。變化產生在緊張度極大下降及強力轉入快速運動活性的情況下。

骨系統

在飛行及模擬試驗中，通過對骨系統的研究取得了大量的科學數據。通過對在生物衛星飛行的大鼠骨組織研究表明，骨的生長受到了抑制，骨膜生成緩慢，出現骨質疏松，骨的機械強度降低。

針對生物衛星飛行后的猴子進行研究表明，髂骨海綿結構中的骨質量減少，小梁骨組織鈣化速度降低。使用雙光子吸收測量和定量計算機體層X線照相術，對航天員骨組織開展的研究表明，各種時間長度的飛行后，最明顯和變化最快的是承擔重量負荷的骨組織，特別是其中的海綿結構。在長期飛行中骨組織中的變化作為潛在的風險進行評估，由于骨的鈣和磷流失，造成骨密度下降，這會增加骨折和患腎結石的可能性。值得注意的是，飛后骨組織康復過程需要相當長的時間。

代謝和內環境調節

通過對航天員診察和生物衛星上開展的動物試驗，失重會對蛋白、碳水化物、脂類及能量的代謝產生極大的影響。現已明確，急性和長期的適應性反應會導致建立新的內環境穩定。出現大量內環境代謝指標偏差，一些組織出現結構性紊亂，代謝過程加強，能量代謝程度下降并形成新的失重條件下的代謝水平。

研究表明，在這些偏移中起主要作用的是內分泌系統的變化，這些變化有的是由親軀體細胞和促甲狀腺垂體功能下降引起的，即長期飛行中產生“去甲腎上腺素不足綜合癥”。基于對所取得數據的分析，提出了失重中物質代謝降到最低化的假說。飛后研究表明，表現突出的重力應激出現在由失重向地球引力過渡期間。

水鹽代謝

航天飛行中心血管系統、神經激素調節及代謝狀態變化，是水鹽代謝出現規律性變化的原因。

現已查明，失重作用初期血液再分配、中樞及腎臟血液動力方面出現偏差會使血液量調節發生變化，這會導致調節激素（后葉加壓素、高血壓蛋白酶、血管緊張素），以及醛固酮發生變化，并產生特殊的水鹽內環境穩定，伴有鈉、鈣和磷的負性平衡。

俄羅斯生物醫學問題研究所開發出了評價水鹽內環境穩定的功能方法，以及在各個階段消除其不良變化的方法。

心理保障

在現實中利用心理保障系統來預防和調整飛行前、中、后出現的各類紊亂。在飛行前主要開展心理選拔、訓練和組建相應的飛行乘組。航天員選拔的心理標準是：心理健康狀態；個體的職業素養；在小群體中個體行為和表現的特點；對極端環境條件下工作的個體心理穩定性。在訓練中航天員要了解個體間關系的特點，培養在個體間和組群間建立最佳關系的能力。除此之外，在規劃人在太空中的生活時，建立適宜的作息制度仍然是非常重要的問題，在這方面專家給予了極大的關注。

在飛行中直接開展心理生理和精神狀態的監測和診斷，并保持航天員使用自動化工具的職業技能。心理預防和矯治是飛行中心理保障的重要組成部分，其中包括地面和艙內社會心理支持。

航天員飛后社會心理康復，在航天員心理保障和保持其職業壽命方面占有非常重要的位置。

7 載人航天飛行的輻射安全

航天飛行中人的健康安全保障研究的一個重要方向是，研究太空輻射作用的射線生物學特性，空間劑量測量學，航天員輻射劑量限定。

該領域取得的主要成果是：①開發出航天飛行輻射安全系統；②明確了軌道上和航天員體內輻射場的形成規律；③制定了空間輻射環境預測方法；④開發并在航天器上使用了劑量測量監控的方法和設備；⑤論證了長期飛行航天員可以承受的劑量，開發出輻射安全標準；⑥在空間站飛行期間長年不間斷監測輻射環境。

由于重帶電粒子具有很強的穿透性，應當特別加強輻射對中樞神經系統、視覺功能、視網膜、眼晶體破壞作用的研究，特別關注發生突變，并尋找防護方法。后繼將研究輻射和失重的混合作用。

8 生命保障系統和適居性問題

在幾十年的載人航天實踐中，空間站物化生保系統研發和應用領域取得了巨大的成就，目前重點關注生保系統的生物學部分，這將是未來組合式生保系統的組成部分。

在“禮炮”系列、和平號空間站，以及“國際空間站”上使用了“光”和“拉達”（Лада）溫室裝置開展研究，結果表明連續幾代高等植物生長和正常發育是可能的。

1979年在“太空－1129”生物衛星及1990年在“和平”空間站所進行的試驗表明，在失重條件下實現鳥胚胎形成（日本鵪鶉）是可能的。

適居性問題的研究具有重要的意義，基于這些研究在載人航天實踐中推廣使用了防疫系統、個人衛生措施、化學和微生物監測系統，以及防止內部裝置、系統和設備免遭微生物破壞作用的防護措施。

“國際空間站”微生物研究的一個重要方向是，研究微生物孢子體在開放太空的生存性 。結果表明，在空間極端條件下駐留數月后孢子沒有失去生命力。在研究微生物孢子的同時，還在相同條件下研究一些生物（高等植物種子、蚊蚴、低等甲殼動物的卵）靜止期的生存性。

9 “國際空間站”載人飛行

在“禮炮”系列、和平號空間站建立和成功運用的航天員生理和心理健康維護系統，是“國際空間站”俄羅斯艙段航天員醫學保障的重要基礎，其中包括：①飛行中乘員健康的監測；②長期航天飛行不良作用的預防系統；③艙外活動醫學保障；④醫學救助系統；⑤生命保障系統；⑥居住環境監測；⑦輻射監測，輻射安全保障。

“國際空間站”乘員健康醫學保障融合了各成員國先進的醫學知識和技術。在這種情況下，使用統一的太空飛行醫學保障國際標準和統一的航天員健康標準具有極為重要的意義，需要整合“國際空間站”醫學保障的方法，包括預防和醫學救助方法、居住環境和輻射狀況的監測方法、個人保健方法、飲食和水保障方法。

10 最新技術對于發展航天生物醫學的意義

航天飛行生物醫學保障經驗證明，科學研究對于解決載人航天面臨的最復雜問題極為重要。對航天飛行人體各系統的風險進行評估，對所獲取的關于其狀態信息進行分析，弄清其變化的機理，開發減少和預防不良變化的措施和方法并對其效果進行評估，這些構成了解決航天醫學問題內在的邏輯關系。在人類首次太空飛行后的50年間，科學家們對完善生物醫學的研究方法進行了深入的研究，并應用現代生物和醫學及其他科學研究成果來解決航天醫學面臨的問題。

近幾年的科學成果正在引領“生物學革命”，毋庸置疑，這些成果的應用有力地推動了航天生物醫學的發展。在研究方法上，主要從機體功能控制的分子生成系統出發，廣泛應用相關的研究方法，在細胞、細胞結構層面，以及分子層面上開展試驗研究。研究工作在生物醫學問題研究所開展了微重力細胞生理學、航天生物技術，以及蛋白質組學等方面采取了一些措施。

11 未來載人火星考察的生物醫學問題

航天員選拔問題

火星考察任務的參與者應當從有航天飛行經驗的人員中選拔，這樣會減輕醫生的負擔，醫生會有效地利用候選人在以前飛行中的身體狀況和機體反應的醫學數據。選拔方法應當有助于發現隱性疾病，特別是精神類疾病，以及發現低級的機能儲備。基于選拔方法和遺傳學及分子醫學的標準，應當和必須尋找分析應激、骨質疏松穩定性，個體放射敏感性及其他指標的客觀標準。個性選撥應當考慮職業和個體的素養。

醫學保障問題

火星考察任務的高度自主性及超長的考察時間，要求建立艙載醫療中心并且考察乘組中應當有高水平的醫生，以便開展各類醫學救助，包括外科和口腔救護。醫學中心應當具有全套的儀器設備，以開展醫學監督、診斷和治療，還應當掌握遠程醫學技術，能夠進行高質量的通訊，確保傳輸醫學影像并能獲取咨詢幫助。此外，還應當要求優化艙載藥劑，包括功能性臨床試驗保質期長的藥物，還應當完善醫療器具，以便開展診斷操作及醫學救助。

預防系統

在火星任務的所有階段應當建立高效的重力作用預防系統，在其研制過程中，應借鑒“國際空間站”上現行的并正在完善的預防系統。“國際空間站”是訓練未來星際飛行各類醫學和醫學工程技術的重要試驗平臺。

有理由認為，應當建立人工重力系統，該系統可利用小半徑離心機來開發。科學家們模擬失重條件下利用離心機的旋轉進行研究，對其結果進行了論證。結果表明，人工重力系統能夠提高重力的穩定性，減少心血管系統、外呼吸系統、水鹽代謝狀況及血液凝結系統等的不良變化。

現已表明，人工重力的作用能降低萎縮性變化，能預防骨骼肌代謝紊亂及管狀骨中鈣、磷和礦物質含量的下降。

輻射安全

在星際飛行過程中，輻射安全保障是最艱巨的任務。太陽耀斑的質子及銀河宇宙射線重核是嚴重的危害源，需要制定航天員防護措施（輻射躲避、局部防護、專用藥劑、飛行線路輻射監測、輻射劑量監測）。從防護角度講，具有高穿透力的銀河宇宙射線是最嚴重的問題。

心理問題

心理問題是綜合性的問題，解決心理問題有助于保持高水平的職業活動，有助于維護最佳的乘員關系。心理問題包括領袖選擇問題、組群間交流問題（包括考察成員不同文化背景和不同性別問題）、有效地開展心理支持問題等。與此同時，還必須開發監測心理狀態的儀器設備，以及維護受控能力和評價心理生理穩定性的訓練器。

生命保障和衛生保健安全問題

在星際考察中，需要利用物化和生物技術開發自主的再生式生保系統，以此來優化乘員的居住環境。研究生命保障問題必須從現實的生物群落出發，考慮其生物環節的相互作用，完善艙載溫室裝置培育高等植物的技術。目前對人體排泄物轉化系統的研制力度還不夠，未來該系統將是生命保障系統重要的組成部分，還必須開發空氣中有毒物質的分析和監測艙載設備，研制光催化凈化系統，還需要制定可靠和快速的微生物鑒定及環境消毒的方法。