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宇航员不容易!研究发现:6个月太空飞行或导致20年永久骨质流失

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冲出地球,进入太空,很酷,也令人自豪。

当前,人类一直希望并致力于探索地球之外的第二个家园。也许在遥远的未来,人类或许真的可以搭乘最新的航天器,逃离地球,冲出太阳系,到达新的宜居家园。

但是,已有科学研究证实,人的身体在脱离地球重力磁场之后,会受到太空微重力、辐射等的影响,甚至会出现无法逆转的伤害。

如今,一项最新的研究再次证实了太空飞行的危险性。

加拿大卡尔加里大学的运动科学家 Leigh Gabel 团队及其合作者,通过追踪平均年龄为 47 岁的 17 名宇航员(在太空中生活了 4-7 个月)发现,在持续 6 个月或更长时间的太空任务中,宇航员可能会经历相当于衰老 20 年的永久性骨质流失。

相关研究论文以“ncomplete recovery of bone strength and trabecular microarchitecture at the distal tibia 1 year after return from long duration spaceflight”为题,已发表在科学期刊《科学报告》(Scientific Reports)上。


带上你的“哑铃”

人类一旦脱离地球的重力和磁场,太空中的微重力和辐射,就会成为一个大问题。

长期暴露在微重力下,会导致宇航员大脑肿胀,包围大脑和脊髓的脑脊液增多,甚至影响视力。

同样,在微重力下,肌肉不会像在地面保持紧绷,就好比失去行动能力的人,缺乏锻炼以后,腿部肌肉就会显得很松散,并慢慢萎缩。

1970 年 6 月,当两名宇航员搭乘联盟 9 号从当时创纪录的 18 天太空飞行中返回时,其中一名宇航员身体虚弱,当他走出着陆舱时,甚至无法携带自己的头盔。

此外,太空辐射也可能会增加宇航员患癌症和其他疾病的风险。

自从人类飞离地球、踏入太空以来,科学家们已经无数次改进航天器的设计,也让宇航服穿起来更加舒适,但仍然无法使宇航员的身体免受来自太空的伤害。

尽管失重的宇航员们为保持体力每天都会在空间站内锻炼几个小时,但微重力下生命的其他问题仍未解决。

如今,科学家们正在设计的人造重力服、抗辐射药物和微型医疗工具,有望能在大约 10 年内准备就绪,从而保证未来太空旅行者的安全和健康。

在这项工作中,研究团队通过使用高分辨率外围定量计算机断层扫描(HR-pQCT),在 61 微米尺度上(比人类头发还要细)测量了宇航员的 3D 骨骼微结构,对小腿胫骨的骨骼结构和小臂的半径进行成像。


图|使用高分辨率计算机断层扫描成像使研究人员能够研究宇航员骨骼中的 3D 骨骼微结构(此处显示的胫骨示例)。细微的细节可以揭示骨密度和强度的变化。

他们在宇航员太空飞行之前、宇航员从太空返回时,以及返回六个月和一年后的 4 个时间点,分别记录并计算了骨骼的强度和密度。

数据显示,在太空中生活不到 6 个月的宇航员,可以在回到地球 1 年后恢复太空飞行之前的骨骼强度。

而对于那些在太空中生活时间较长的宇航员,他们的胫骨会出现永久性骨质流失,相当于衰老了数十年。

为骨骼提供整体强度的微观组织消失后,即使在宇航员回到地球上后,也无法被重建,但剩余的骨骼组织会在一定程度上变厚。

对此,论文作者之一、加拿大卡尔加里大学的运动科学家 Leigh Gabel 表示,骨骼是一种活的器官,它们充满活力且活跃,并且不断在重塑,但是没有重力,骨骼就会失去力量。

另一个发现是,这些宇航员的小臂骨骼结构和半径几乎没有发生太大变化,一个可能的原因是,小臂骨骼不是承重骨骼。

对于这一现象,卡尔加里大学运动科学家 Steven Boyd 也给出了建议,即“增加在太空中的举重训练可以帮助减轻骨质流失的问题”。


图|腿部力量锻炼有助于减轻由于微重力环境导致的骨质流失。

法国圣艾蒂安大学的生理学家 Laurence Vico 认为,未来可能延长的太空飞行时间,会给宇航员造成更多的骨质流失,以及更大的恢复问题。

这尤其令人担忧,因为在未来的载人任务中,即使去往火星也将持续至少两年。


图|科学家们正在研究如何在医疗设备空间有限的情况下保护前往火星执行任务的宇航员

此外,Vico 还补充说,太空机构还应该考虑其他骨骼健康措施,比如营养补充,从而减少骨质吸收和增加骨骼形成。

未来,Gabel、Boyd 和他们的同事希望能够深入了解宇航员在太空中停留超过 7 个月后会发生哪些变化。这一研究是进行中的 NASA 项目的一部分,该项目旨在研究一年的太空飞行对宇航员十几个身体系统的影响。

“我们真的希望能发现一个‘停滞期’,宇航员们会在一段时间后停止骨质流失。” Boyd 说。

航天员的努力

要成为一个航天员,着实不容易。

除了在太空中遭受微重力和辐射的伤害,宇航员在地球上,也要经过十分残酷的“魔鬼”训练。

例如,为了在飞船上升和下降的过程中,能够承受巨大的过载,始终保持清醒,正确进行操作,他们会进行超重耐力与适应性训练,在高速旋转的离心机中承受 8 倍的重力加速度。

他们也会进行前庭功能训练,做 360 度顺时针和逆时针的快速运转,同时上下前后摆动,主要目的是提高前庭功能稳定性,降低空间运动病的发生几率,减轻空间运动病的症状。

另外一项,是中性浮力水槽训练,航天员在模拟失重的训练环境下,进行出舱活动训练,特别是舱外行走、出舱装配和维修等舱外作业。

总之,在太空中完成的每一个动作,都是在地球上数倍努力的结果。

此外,为了确保宇航员可以笔直行走,未来的空间站内也很有必要配备一些人工重力机器,比如下躯负压系统(LBNP)。

当宇航员的身体从腰部以下被密封时,该装置会对宇航员下半身施加真空压力,真空重新产生重力的向下拉力,可以使得宇航员的脚牢牢地站在空间站地板上,并将体液吸向腿部。


图|LBNP

但这些 LBNP 只是人工重力的早期形式,它们的优点是,与正在测试的替代品相比,它们可能更容易送入太空。

正如前面提到的,离心机可以通过离心力模拟重力,帮助宇航员在微重力环境下更好地工作。

但是,如何把相对笨重的离心机带上太空,还是一个大问题。


但无论如何,相信随着科学技术的进步,人类有能力让宇航员甚至更多人,更舒服地走出地球,在太空生活。

参考资料:

https://www.nature.com/articles/s41598-022-13461-1

https://www.sciencenews.org/article/astronauts-mars-space-health-survival

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