火星宇航員在太空中如何生存

未來漫長的火星之旅中，宇航員將如何在危機四伏的太空環境中生存下來？在狹小的太空艙的醫療箱里，應該選擇放上哪些最需要的東西？

在影視作品中，太空之旅似乎是整個火星任務中最為輕松的。例如，火星人馬克·沃特尼的狀態一直都很好，沙塵暴才是他遇到的嚴峻考驗。道格拉斯·奎德的紅色星球之旅同樣也是一帆風順。直到在火星海關和移民局，他才遇到了麻煩。但在現實中，往返火星的太空旅行充滿了危險，當然這無關極端天氣或持槍歹徒。

前往火星的旅程很漫長，4～6人要在狹小的密封環境里生活3年，抵達目的地后還要在火星上生活6～9個月，返回地球的旅程也同樣漫長。

一旦所乘飛船脫離了地球引力場和磁場，微重力和輻射將是宇航員們需要直面的大麻煩。微重力會使宇航員的體液積聚在頭部，這可能會導致視力出現問題。在星際空間巡航的宇宙飛船還將不斷承受宇宙高能帶電粒子的撞擊，這些粒子甚至可直接穿透航天器的金屬外殼。實驗數據表明，輻射可能會增加宇航員罹患癌癥和其他疾病的風險。

長時間執行太空任務，也會增加宇航員的健康風險。與前往月球只需要幾天航程的阿波羅任務相比，火星之旅長達3年，宇航員出現社會和心理問題的幾率要高得多。火星與地球之間的距離是地月距離的600倍。即便是光速通訊，也需要20分鐘才能從火星到達地球，因此在緊急情況下向休斯頓求救并不會是一個好的選擇。

盡管存在著種種危險，但是美國、俄羅斯、中國和其他國家都制定了向紅色星球進軍的計劃。美國宇航局準備在21世紀30年代完成一項火星任務，考慮到時間緊迫，研究人員正在加緊開發一整套火星之旅需要的醫療設備和藥物。

目前，這張清單上的物品還處于早期開發階段，有些實現的可能性還很小，例如，設想中的“萬能診斷棒”就是一個遙遠的夢想。但是，研究人員正在加緊設計人造重力服、抗輻射藥物和微型醫療工具，科學家希望這些東西能在大約10年內準備就緒，以保證第一批火星旅行者的健康和安全。

模擬重力應對太空微重力環境

在微重力環境下，宇航員輕松漂浮在空中，這看起來似乎相當輕松且浪漫。但實際上，長期漂浮在微重力環境中對宇航員的身體危害極大。在嚴重失重的情況下，人體不再需要承受自身的重量，肌肉和骨骼會逐漸變弱，這在早期航天事業中一直是個令人煩惱的大問題。1970年6月，當“蘇聯聯盟9號”機組人員從創紀錄的18天太空旅行中歸來時，其中的一名宇航員在走出著陸艙時虛弱得甚至無法拿起自己的頭盔。如今，國際空間站的宇航員每天都需要鍛煉幾個小時來保持體力，但是生活在微重力環境下導致的其他一些問題仍未得到解決。

在太空失重環境下，宇航員下半身的體液會流向頭部，導致顱內壓增加。對此，研究人員估計，眼后壓力持續升高是造成視力問題的主要原因，例如約一半的宇航員的視力在太空中會發展為遠視。此外，失重還將導致對重力敏感的內耳前庭器官混亂，內耳前庭在人體平衡和運動控制中起著重要的作用。

為了確保宇航員能夠在火星上正常行走，太空艙中配備了人造重力機器。其中，有一種叫做“下體負壓室（LBNP）”的裝置對宇航員的下半身施加真空壓力，產生向下拉扯的拉力，將宇航員的雙腳牢牢固定在地板上，并將體液引流到腿部。

在一次實驗中，10名植入了顱內壓力計的志愿者將下半身封閉在LBNP中，志愿者須躺下實驗，使顱內壓接近于在太空中的水平。人體在地球上從站立到躺下，顱內壓會從0毫米汞柱上升到約15毫米汞柱，這與宇航員在太空中的體驗較為接近。研究報告稱，隨著研究人員緩慢增加設備的真空壓力，志愿者的平均顱內壓從15毫米汞柱下降到了9.4毫米汞柱。

美國加州大學圣地亞哥分校的空間生理學家艾倫·哈根斯認為，目前尚不清楚宇航員需要在LBNP中待多長時間，才能保護身體免遭太空環境中流體變化的有害影響。艾倫·哈根斯團隊制作了一套可以在日?；顒又写┲腖BNP套裝原型。這種下半身負壓裝置是人工重力的早期形式，它比正在測試的替代品（如離心機）更容易送入太空。顯然，發射一個房間大小的離心機要比LBNP套裝困難得多。但另一些研究人員則認為，離心機的功能可以解決LBNP不能解決的一些微重力問題，如內耳前庭的問題。

開發抗氧化藥物以解決太空強輻射問題

微重力對火星宇航員來說可能是個問題，但至少是他們熟悉的一個挑戰。但長期暴露在深空輻射環境下，卻是太空旅行者所不了解的一種未知危險。

太陽系充滿了被稱為“銀河宇宙射線”的帶電粒子，它們幾乎以光速傳播。這些粒子可以像撕裂紙巾一般撕破金屬，可以殺死有機體細胞或在細胞內部引發DNA突變。駐留在空間站上的宇航員和地球上的我們一樣，在很大程度上受到地球磁場的保護，不會受到這些微小粒子的傷害。但前往火星的宇航員將完全暴露在這種危險的輻射環境下，前往紅色星球的途中，宇航員們預計每天將受到2毫希沃特的輻射，大約相當于每6天接受一次全身CT掃描。

在動物和人體組織測試實驗中發現，模擬太空輻射粒子束會降解心臟和血管組織，這表明火星宇航員可能面臨的心血管疾病風險會更高。此外，輻射暴露嚙齒動物實驗表明，空間輻射會損害動物的認知功能。盡管動物和細胞實驗通常一次或幾周或幾個月的輻射照射量，相當于整個火星任務期間受到的輻射劑量水平，但是這與持續的、低水平的照射不能相提并論。這些實驗結果發出的警示信號確實令人擔憂，因此研究人員正在測試各種抗輻射藥物。

最有望入選的候選藥物是抗氧化劑。高能帶電粒子會將體內的水分子分裂成被稱為“活性氧”的有毒化合物，從而對身體造成損害。注入抗氧化劑可幫助中和一部分活性氧，并抑制其影響?？晒┻x擇的抗氧化劑包括維生素A和E，以及一種在一些膳食補充劑中發現的硒蛋氨酸。這些抗氧化劑可以在不同程度上減少輻射的負面影響。

當然，光靠抗氧化劑的保護可能還不夠。阿肯色大學醫學科學系的輻射生物學家正在對阿司匹林和其他抗炎藥物進行測試，看看是否有助于減少高能粒子對細胞的損傷。

配置最佳醫療急救箱以應對意外

通過人工重力改變失重環境和服用抗氧化劑可能將成為宇航員日常生活的一部分，但是火星宇航員還必須學會處理其他任何意外疾病和傷害。

執行火星任務的宇航員機組中可能還需要一名醫生，但這位醫生也可能生病。比較理想的狀態是，太空艙中應配備人工智能設備，它可根據宇航員的癥狀，推薦醫學測試，進行診斷和確定治療方案，但要研制出相當可靠的“AI博士”還是遙不可及的夢想。

目前，最先進的癥狀檢測工具是醫院和診所醫護人員使用的診斷軟件VisualDx，它可根據患者癥狀對可能的診斷結果進行篩選。對于一些皮膚疾病，VisualDx還可以根據患者的皮膚照片給出診斷意見。在VisualDx診斷工具基礎上設計的深空系統版本，可在沒有連上互聯網的筆記本電腦上工作。該軟件不必包括所有可能的診斷結果，只保留宇航員有較高患病幾率的診斷結果，比如皮疹或腎結石。

為了讓宇航員快速便捷地學會如何急救和做醫學檢查，休斯頓KBR公司的太空飛行生理學家和太空醫學科學家道格拉斯·埃伯特帶領的團隊正在開發一種被稱為“自主醫療支持（AMOS）”的系統工具，通過圖片和視頻指導初學者如何檢查眼睛、插入呼吸管等。

研究人員與大約30名非專業人員對AMOS的原型機，就幾種醫療方法進行了學習和測試。其中約有80%的志愿者能準確地進行眼部檢查和超聲波檢查，另有約70%的志愿者能正確完成靜脈注射。但比較困難的任務，如插入呼吸管，成功率只有大約一半。2020年4月，國際空間站上的宇航員在沒有地面控制系統幫助的情況下，成功使用該軟件完成了腎臟和膀胱超聲波掃描的操作。

而在醫學成像方面，太空醫學研究人員將目光投向了一種便攜式Butterfly iQ 超聲波設備，它用一個電動剃須刀大小的探針取代了通常需要的各種傳感器來成像不同的身體部位。標準的超聲波設備比可移動的Butterfly iQ 超聲波設備約重15倍。此外，1Drop醫學診斷公司正在開發一種信用卡大小的芯片，用以檢測指刺血液樣本中不同疾病的化學標志物，并正在為宇航員開發便攜式血液測試設備。

由于宇航員的醫療箱必須是袖珍型的，因此研究人員正在使用美國宇航局的綜合醫學模型來決定太空艙里的急救箱里應該裝些什么。該模型可預測執行特定任務的宇航員最有可能出現的健康問題。研究人員只需在模型中輸入任務細節，比如宇航員的航行目標、性別和健康狀況，然后進行數千次的任務模擬運行，評估某機組人員從便秘到心臟病發作的概率，以決定醫療急救箱里應優先放置哪些醫療用品。目前，該研究團隊已使用這個系統為美國宇航局計劃在2022年執行的載人月球飛行任務確立了初步的急救箱用品清單。

為火星之旅配備醫療急救箱將是一個全新的研究課題，但研究人員至少還有10年時間來盡可能地為一些醫療設備“瘦身”，并盡快確定配備的醫療用品種類，以給予火星宇航員在漫長而艱難的太空航行中最大的生命保障。

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