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第1章 天之骄子——宇航员(1)

航天运动病

在航天期间,当地球引力几乎为零时,在这个感觉系统的组成部分中,特别是在前庭与其他的感觉系统相互作用的情况下出现明显的重新组合,结果产生一系列症状。与航天有关的最明显的紊乱是所谓的“航天运动病”,在航天时有30%~40%的宇航员患这种病。

“航天运动病”产生的症状

1.心血管系统的变化

毛细血管动脉部分的张力上升;视网膜血管的直径下降;外周循环,特别是头部皮肤的血液循环下降;肌肉血流上升。

2.呼吸系统

呼吸速率改变;叹气或打呵欠;3.胃肠道系统

唾液过多;排气或打嗝;上腹部不适;呕吐后症状突然减轻。

4.体液、血液变化

血红蛋白浓度上升;动脉血PH上升和CO2分压下降,推测是由于过度通气所致;嗜伊红细胞浓度下降;17-羟皮质类固醇下降;血浆蛋白上升。

5.尿液

17-羟皮质类固醇上升;儿荼酚胺上升。

6.温度

体温下降;四肢冰凉;7.视觉系统

眼视力不平衡:

瞳孔变小;呕吐时瞳孔扩大。

8.行为

冷淡,不活泼,思睡,疲劳软弱,压抑或忧虑;精神混乱,空间失定向,头晕,眼花厌食,对讨厌的情景或气味异常敏感,或对以前能耐受的刺激如热、冷或衣服不适等感觉非常不舒服;头疼,特别是前额痛;肌肉协调和精神活动能力下降;时间估计下降;动机下降。

在训练中预防航天运动病

由于航天运动病是在飞行任务的初期和关键性阶段出现,它对飞行任务的顺利进行影响很大,人们对此特别关注。已采用过各种方法来预防和控制,但是,至今成效不大。

采用训练程序控制航天运动病是以一般生理原则为基础的,即增加应激作用强度可以导致适应能力的提高。当然,这个问题是在飞行任务前而不是在Og环境下进行预防航天运动病的训练。因此,要考虑到在地面1g情况下进行的训练效果转移到空间环境可能是有限的或者甚至不起作用的。

适应性训练由飞机在飞抛物线轨道时所产生的短期失重,组成。这种短期Og得到的训练效果大于实际训练的效果。

也可采用高性能飞机的特技飞行来产生人们熟知的引起敏感个体运动病的刺激,宇航员往往在飞行任务前已参与这类飞行。根据非正式报道,人们设想这类飞行可以获得某些防护作用,但是,经过特技飞行的宇航员,在航天时同样出现了航天运动病,显然这种训练没有起到应有的防护作用。

适应性训练的第三种程序是把受试者放在旋转环境中,如转椅或慢转室里,与实验同时的研究证明通过将受试者暴露于逐渐增加应激强度下,可以降低他们对特殊环境的运动病敏感性。在一个研究中,发现在一种运动环境下超适应是可以提供在其他运动环境下的防护作用。使用慢旋转室时,受试者进行标准的头部和身体向左或向右运动,直至达到运动病终点或进行1200次差别部运动时为止。然后,受试者在三个不熟悉的象限进行头部运动,在这些情况下测量到明显的适应效果。现在必须评定这种训练效果的转移是否在失重环境下也可以得到效益。

对地面环境的再适应

对返回地面的宇航员所收集的生物医学数据表明,在每一次航天之后需要有一个对18再适应的生理代偿期,对于再适应所需要的时间及其过程的特有特征存在着很大的个体差异。

某些差异可归因于飞行任务的复杂程度和持续时间,样本大小,或使用的对抗措施的不同等。此外,不同的生理系。统似乎以不同的速度达到再适应。尽管如此,还是可以得到一个有关再适应过程的推测性结论,特别是对那些受飞行持续时间影响最少的系统。

返回到地面环境后某些生理学系统的变化会重复出现,有时发生明显的症状。例如,宇航员已一致地阐明飞行后立位耐力降低,这显然是与体液移位引起的重新调整和与心肺神经感受器的反射性反应有关。飞行后前庭神经系统的再适应过程常常由于姿态平衡困难而得到预示。一系列从轻微到明显疾病的症状,曾经在某些人身上观察到。但是,大多数所测量的参数,在飞行后1~3个月内已经恢复到飞行前的基线水平。较长时间航天的再适应常常需要更长的时间,但对某些参数来说(例如红细胞容量)却观察到相反的情况。再就是,关于骨矿物质和辐射损伤组织的恢复仍然是人们所关心的问题。另一个未知问题是失重对脂肪或体重的影响,即使采用诸如剧烈的运动等对抗措施,也可能出现抗重力肌的病灶性萎缩。

飞行对视觉能力的影响

视觉系统是定向和适应于空间生活和工作的所有感觉系统中最关键性的一个系统。

对空间视觉能力的兴趣是由于知道空间的视觉环境可能不同而引起的。首先,在太阳直接光照下物体的亮度较高,因为地球大气至少吸收15%的可见光,而水蒸气、烟雾和云能使这种吸收大大提高。总的来说,这意味着白天宇航员工作的照明水平比在地面约高1/4第二,如在月球那样的表面上,那里没有大气,也没有光的散射,这就导致了在不受太阳光直接光照的区域显得很暗,以致要重新安排正常的视、觉关系。在早期的航禾任务期间,对这些环境差别可能与感觉感受器系统的微细生理变化相互作用的程度尚不了解。

美国斯克里普斯海洋学研究所的可见度研究室得到了双子星座-5号飞船宇航员飞行前、飞行时和飞行后的视力试验。用飞行中视觉测试器进行测量,这种测试器是一种小的自动的双筒光学装置,含有高和低反差直角透射阵。宇航员判断每个直角的方位并在记录卡上打孔说明自己的反应。

双子星座-5号飞船视力测量计划的第二个部分是在得克萨斯和澳大利亚地面上显示大的直角图型。宇航员的任务是报道直角的方位。在两次通过之间的时间里以校正方位的方式改变显示,按照预料的倾斜范围,太阳上升程度及宇航员以前通过时的视力进行大小的调整。

双子星座5号飞船上测量计划的结果说明,在8天任务期间宇航员的视力既没有降低,也没有提高。由于气象环境大大妨碍了地面图形的观察,仅有一次飞行测试获得成功。这些结果确证宇航员的视力是在飞行前视力测量所预测的限度之内。

在阿波罗计划中,人们的研究兴趣转向于视觉器官本身。一名宇航员飞行后约3个半小时的视网膜血管照相表现出静脉和动脉都明显缩小,另一名宇航员飞行后4小时仅静脉缩小。他们的视网膜血管的收缩程度比呼吸纯氧的缩血管作用要大并持续时间更长。

阿波罗计划的宇航员还表现出飞行后眼内压比飞行前低。飞行后眼内压恢复到飞行前值比在水星和双子星座类似研究的情况预料的要慢。这种恢复慢的原因还不清楚。

在航天飞行任务中,有些宇航员报道飞行时出现眼睛“老花”和“看错地平线”现象,美国航宇局为此研制了一台新的小型视觉功能测试仪,将要在航天飞机上对宇航员进行视觉功能检查。

此外,有些宇航员报道在空间能看见地面上的诸如汽车和船等物体,显然这个距离超过眼睛的分辨力,对此目前尚无满意的解释。

前苏联在尤里·加加林进行一圈的轨道飞行后得出的结论是,短期航天飞行对视觉系统的基本功能不会产生明显的影响。此后,前苏联的研究人员在宇航员的视力、反差敏感性、色觉和一般视力方面进行了系统研究。他们发现,在飞行的第一天,主要的视觉功能降低5%~30%,然后功能逐步恢复,直到达到接近飞行前值为止。反差敏感性变化最明显,进入失重后即刻丧失10%,5天后丧失达40%。虽然存在这些变化,但结论仍是在正常照明条件下航天环境对主要的视觉功能影响不大。

除视觉外,人的感觉器官还有听觉、味觉和嗅觉等,航天飞行实践表明,这些感觉器官不受飞行的影响,飞行前后和飞行中几乎无变化。以下是感觉器官在飞行前后的比较情况。

飞行对睡眠的影响

在水星计划中最长的一次飞行持续时间为34个多小时。从这次飞行中得出的结论是,“飞行中能够睡眠,主观感觉正常”。尽管当时已知在空间能睡眠,但是没有获得有关在这种环境下睡眠的性质和长期飞行可能需要采取某种特殊措施的资料。

4天飞行的双子星座任务,首次提供了认真评定空间睡眠的机会。在这次飞行中宇航员在获得满意的较长时间的睡眠遇到了很大的困难。没有一名宇航员能进行长时间的睡眠,他们最长只能持续睡4个小时。指挥员自己估计他在整个4天的飞行中良好睡眠时间没有超过7.5至8小时。睡眠紊乱的原因包括诸如推进器点火,地面来的通信,飞船的运动,交替的睡眠时间,34小时生物节律的改变,以及每名宇航员“对飞行任务的责任感”等的干扰。

在8天的双子星座任务中曾设法改善睡眠条件。但由于和飞行计划活动的冲突,睡眠情况仍旧不好。14天的双子星座飞行中,曾设计成使飞行计划可以让宇航员在肯尼迪角相应的夜间时间里睡眠。此外,两名宇航员同时睡眠以减少飞船中的噪声。结果,睡眠大大改善,4天飞行的宇航员飞行后明显疲劳,8天飞行的宇航员疲劳减轻,14天飞行的宇航员疲劳最轻。

天空实验室实验的结果,没有证明由于长期航天引起睡眠出现任何重要的不良变化。只是在84天的飞行期间一名宇航员睡眠时间受到一些影响。但这种影响随着飞行时间的延长而逐渐减轻,仅偶尔需要用点安眠药。最明显的变化出现在飞行后,此时睡眠性质的改变比睡眠时间的变化更大。看来对1g境再适应比对0g适应出现的睡眠紊乱更大。总之,天空实验室研究者们认为,如果使用各自的睡眠区域把噪声水平减至最低,以及所习惯的睡眠时间,那么在0g环境下可以得到足够的睡眠。

飞行时的体位和幻觉

在正常的地面工作期间。人在恒定的1g重力的条件下,能完成所有的活动。航天时,这种力被取消,所有动作,无论是睡眠、进食,或者只是简单的来回走动走动,都必需以不同的方式进行。在首次载人航天飞行以前,人们担心缺乏重力可能会引起运动能力困难,特别是难于进行那些需要技巧性的和精确活动的动作。

早期酌一些载人飞行排除了有关宇航员在失重期间进行常规感觉运动活动能力的任何担心。即使在狭小的水星飞船中运动受到相当大的限制,但是当进行飞船的内部处置时不会遇到困难。随着在双子星座和阿波罗计划中的作业要求和运动场所的增加,确实证明了人在航天环境下进行工作的能力,在精确性方面没有明显影响。

粗大的运动活动,似乎得到无重力的好处,即出力少。一旦习惯了新的程序,在航天座舱中来回运动就变得容易而行动自如。因此,缺乏重力对这种运动似乎是有助而不是妨碍。

体位平衡是前庭输入、视觉、运动觉和触觉的函数。这四种感觉通道的工作,代表一个密切相互联系的系统,在这个系统中任何一个通道的异常变化都能引起这个完整系统的明显紊乱。因此,在失重环境下,当耳石刺激消失时,会出现某些定向问题,这是合乎逻辑的。

如果这个完整系统的其他成分提供异常输入时,可以预料会出现特别是涉及视觉方面的某种幻觉。

在天空实验室实验中曾研究了在失重期间视觉幻觉的出现。该实验探讨了在天空实验室飞行期间8名宇航员的眼动幻觉(半规管刺激后观察到的一种明显运动方式)。4名宇航员感受这种幻觉的能力有些减退,4名宇航员没有变化。因此不能作出证明半规管敏感性有任何降低的结论。同时在该试验过程中有几名宇航员报道出现自发性目标振荡运动幻觉。因为当宇航员报道这种幻觉时,他们正处在被限制和思睡状态。因此这种振荡性幻觉可能只是睡眠前反射性眼运动的函数。

在天空实验室计划期间,对宇航员进行了飞行后体位平衡试验以测定其变化程度。例如在天空实验室3号溅落后第2天试验时,曾发现科学家和驾驶员睁眼出现体位平衡能力降低。但是,有趣的是,发现闭眼时维持垂直体位的能力降低更明显。回收后第二天,在不用视觉的情况下,驾驶员难于站立,和飞行前测量的极好平衡形成明显的对比。

前苏联的航天计划也遇到了体位以及幻觉问题。前苏联研究者们对参加联盟号飞船和联盟礼炮号轨道复合体飞行的34名宇航员进行了检查。在飞行任务中这些宇航员的飞行时间最短为4天,最长为175天。曾发现飞行中出现的幻觉反应往往多于更为熟知的前庭功能紊乱。

34名宇航员中21名报道有颠倒(“头朝下”)的幻觉,偶而有绕着物体旋转的感觉。这和许多美国宇航员报道的幻觉类型相同,美国在水星计划中就有了这种报道。前苏联报道,虽然有时要在失重,两小时后才出现幻觉,但在大多数情况下,失重后即刻就出现这种反应。有些人的幻觉仅持续几分钟,也有一些人的幻觉持续4小时或更长时间。在飞行期间这种幻觉偶而重复出现,最通常的是在运动活动增加时或在企图进行某些视觉作业时出现。有时,如果宇航员注视某物体,使自己靠在座椅上不动,及采取松弛状态,则可以抑制幻觉的出现。

飞行对心肺系统的影响

飞行后肺功能试验一般没有出现异常。但是,观察到天空实验室3号驾驶员和天空实验室4号所有宇航员,在飞行中肺活量降低达10%。天空实验室4号三名宇航员肺活量试验的结果。飞行中的宇航员肺活量的降低,可能起因于体液重新分布到胸腔,膈膜向头移位,或座舱压力降低到海平面1/3的反射,这样一类因素的组合。

飞行后心肺对运动反应的测量一致地显示运动量减少。例如,阿波罗7到11飞行前、后获得的测量,这些研究证明飞行后即刻工作负荷、氧耗量、收缩压和舒张压明显降低,此时心率为160次/分。机械效率(完成一定工作量所需的氧气量)在飞行后没有表现出显著变化。天空实验室宇航员的研究表现类似的飞行后运动量减少,这由氧耗量、心率、心输出量和每搏量证明。在三星期之内大多数心血管反应恢复到正常。前苏联研究者们报道了类似结果。

在航天期间心肺系统经受着实质性的适应性变化。由于心肺系统的许多适应能力,已随着对抗地球引力持续作用的特殊机制而进化,因而失重的影响特别明显。该系统的某些变化,如体液向头部移位是失重的直接结果,其他一些变化似乎是由此而出现的调节,是Og环境的间接影响。该系统的主要变化包括体液移位、心脏动力学和肌电学的改变,以及肺功能和运动量的改变。

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