人类真正走出地球必须战胜各种关卡

    □ 长江日报记者李煦

    ■ 逛画展、看小说都有助于科普

    郭金虎是很喜欢逛画展的科学家，他表示，自己在广州最熟悉的“圈子”就是美术学院。

    在一个艺术展上，他看到了画家黄新波的木刻作品《遨游》：一个中国人高举双手仰望苍穹，一枚闪闪发光的红星在太空中升腾。这幅作品改变了传统木刻只在黑白间腾挪的印象，那带着轨迹飞天的红色五角星走进了郭金虎脑海。那几乎是五十年前的作品，黄新波是鲁迅指导、培养的版画种子，去世已40多年了。

    在《走出地球的生命》里，郭金虎展示了《遨游》，展示了上世纪70年代中国人对宇宙太空的憧憬与情怀。

    同样是在美院老师开的书店里，郭金虎买过法国作家艾什诺兹的《我们仨》，他觉得这是“新小说”流派里比较好看的一本。书里主角是航天员，有一段火箭发射升空的描写，郭金虎觉得精彩，于是引用在《走出地球的生命》里。

    2020年9月，一家航天机构招募志愿者参加“头低位卧床实验”。志愿者需要在床上连续躺15天，并接受相关测试、锻炼和检查，全程管吃管喝，完成全部实验就可获得15000元参试补助。这个工作听起来很吸引人，既能为航天作贡献，又能“躺着赚钱”。这实验有什么目的和意义呢？郭金虎在书中科普了一番，然后晒出一张《边韶昼眠》的宋代古画。画中，白白胖胖的边韶袒胸露肚躺在席子上睡觉，他的腿伸在一个木制的凭几上，脚比头高出不少，和卧床实验的姿势有点相似。郭金虎还特别点出：“这并不是凭几的正确使用方式……这个人把腿架到凭几上应该是比较不羁的操作……这样躺着最多也就躺几个时辰，所以对身体的影响不明显，不像头低位卧床实验那样具有挑战性。”

    即便在书中使用第二手的材料，郭金虎也尽量找一些少见的材料。比如“罢工事件”：1973年，美国天空实验室4号任务的航天员认为地面安排的任务太多太满，他们关掉了无线电设备，切断了与地球的联系，这件事之后，NASA开始给予航天员更多的私人时间。

    郭金虎对科普有自己的看法。他认为，科普不能一哄而上，更不能把科普搞成“填鸭”，最重要的是要让科普对象学会独立观察和思考，而非简单接受某种结论。

    在某个科普展上，他听见一位妈妈在给孩子灌输一种流行但谬误的说法，他叹了口气，忍不住说出了自己的观点。对方用看怪物的眼神看着他，牵着孩子走开了。郭金虎只能苦笑。

    【访谈】

    最近发生了5件与航天有关的事：1.中国完成第四批预备航天员选拔，港澳地区各有一人入选；2.马斯克“星舰”第四次试飞成功；3.上周日，也就是6月23日，我国重复使用运载火箭首次10公里级垂直起降飞行试验成功；4.位于广州的中科宇航公司宣布2028年开始载人太空边缘旅游，每次可搭乘7名乘客，单人票价200多万元；5.今年高考新课标Ⅱ卷作文题，要求联系“嫦娥四号”“天问一号”等材料，思考“正如人类的太空之旅，我们每个人也都在不断抵达未知之境”。

    紧锣密鼓、急管繁弦，航天事业俨然马上就要走入百姓家，与我们每个人发生联系。

    那么，当生命真的走出地球进入太空，会发生什么事情？

    中山大学教授郭金虎在新书《走出地球的生命》里给出回答：太空环境非常严酷，人类真正走出地球必须战胜各种关卡，传说中的“鹊桥”也好，“嫦娥”也罢，都必须穿上笨重的航天服、搭乘航天器。他笑言：破坏了神话的美好，科学家简直是浪漫的敌人。

    上周，长江日报《读+》周刊专访了郭金虎。他是中国宇航学会航天医学工程与空间生物学专业委员会委员，主持临港实验室—中国航天员中心人因工程全国重点实验室“求索太空脑计划”项目、钱学森实验室太空探索培育等项目。

    ■ 航天史上经验教训值得重视

    读+：从之前的有关报道里，我们知道人类进入太空后，失重会导致骨质丢失、肌肉萎缩，除了这些，还有什么危险吗？

    郭金虎：由于失重，国际空间站执行任务的人员发生椎间盘突出的比例比地球居民高出4倍，他们中超过一半人存在脊柱疼痛。失重还会导致眼压和颅压改变、前庭功能等生理系统变化，引起人的操作运动、视觉感知以及空间定向等能力改变；长期狭小空间和单调的社会关系会对航天员情绪等产生影响；长期昼夜节律变化会导致睡眠紊乱、睡眠缺失甚至失眠等，由此引发航天员脑力疲劳、情绪低落等，严重影响航天员作业能力发挥。

    就拿大脑来说，人的头颅里除了脑组织外也存在间隙，称为脑室，脑室里充满脑脊液。微重力会引起脑结构的改变，例如由于体液上涌导致脑脊液增加（听起来有点像脑子进水），脑室容积增大从而对脑组织产生挤压。脑室的容积随着在轨时间延长而增加，在轨100天增加约5%，在轨200天增加约10%。此外，有研究发现，在空间环境下人的垂体形状也会发生改变。脑结构的改变意味着人的认知能力，例如反应速度、操作准确性等会受到影响。美国航天员斯科特·凯利在轨一年多返回地面后，反应速度和操作准确性都大不如前，脑结构的变化应该是原因之一。

    根据国外研究，在28名男航天员和6名女航天员当中，有20人出现了脑部的中央沟变窄，7人的蚓上池变窄，5人的距状沟变窄。此外，体液上涌会挤压脑组织，导致航天员脑室出现明显增大，这一现象在长期在轨航天员当中非常突出，在短期在轨航天员当中则不太明显。

    在星际旅行的途中，航天员会受到宇宙辐射的狂轰暴击，高速飞行的微小高能粒子会损伤细胞和DNA。由于地磁场的保护，地球上的人得以避免宇宙线的辐射；但是前往火星的航天员仅在单次行程里就会受到0.3西弗的辐射，虽然这低于8西弗的致命辐射量或是1西弗的致病辐射量，但仍相当于连续接受24次CT的辐射量，足以对脑细胞和其他细胞造成不可逆转的损伤。

    处于空间环境中的航天员头颈部静脉充血，脸部体液增加、形状变圆，成为“月亮脸”，而舌头和鼻窦充血则会影响味觉和嗅觉。一方面，航天员食不甘味；另一方面，航天员在天上又会闻到或感觉到一些奇怪的味道，甚至有些航天员会觉得空气也是有味道的，斯科特·凯利进入空间站后就觉得空气里带有一丝金属般的气味。

    除了嗅觉和味觉，航天员的视力也会出现问题。

    此外，还有一些在地球上不容易想象到的事情。国际空间站没有那么多水用于沐浴，站里没有洗衣机，这容易滋生皮肤疾病；在太空里，航天员口腔分泌的唾液量明显减少，这会导致牙菌斑过度生长。由于尘埃和脱落的人体表皮屑在微重力下四处飘散，导致航天员打喷嚏增多，且容易引起眼睛发炎。

    空间的很多环境因素，尤其是失重和辐射，会对心血管结构和机能造成负面影响。

    航天员也是人，对环境、任务等挑战的风险承受能力也是有限的。未来的航天任务飞行时间更长、任务更复杂、风险更高，必须充分考虑空间环境里多种因素对航天员能力特性的潜在影响。

    读+：在人类航天史上，有没有这方面的案例？

    郭金虎：国外载人航天出现过三次航天员因身体状况异常而提前返回的事件。1976年，苏联两名航天员原计划要在空间站工作66天，但在第48天，由于受到化学气体伤害，航天员卓洛博夫出现头痛，导致提前返回。1985年9月，“联盟T—14号”飞船指令长、苏联航天员瓦休京因持续高烧（后被诊断为前列腺炎）提前返回，医生后来认为这部分是心理问题造成的。瓦休京后来因为前列腺癌去世。1987年7月，“和平号”空间站航天员拉维金经过近半年的太空飞行，由于大负荷工作期间出现较严重的心律失常而提前返回地球。

    其他案例也有。1968年10月11日，美国“阿波罗7号”载着三位航天员升入太空，这是阿波罗计划的首次载人飞行任务。行程中指挥长施艾拉患了感冒，由于在微重力环境下病原体更容易悬浮在空气中，施艾拉很快将感冒传染给了另外两位同事。很快，包馄饨般的擦鼻涕纸巾占据了舱内很多空间。同样由于失重，三位航天员的鼻涕堆积在鼻腔内，不能顺利排出，他们只能忍着耳膜的痛苦用力去擤，除此之外唯一能做的就是吃药，最后把阿司匹林和缓解鼻腔充血的药物都用光了。总之，在地球上只能算是小毛病的感冒，在天上把他们折磨得疲惫不堪，尤其施艾拉症状最重，脾气也变得暴躁，甚至拒绝了地面交给他的一些任务。在返回地面时，按规定航天员都必须穿上压力服和头盔，但是施艾拉担心鼻塞会导致耳膜破裂，拒绝执行戴头盔的命令。所幸，最后他们三人都安全返航了。

    事后当事人回忆，他们在发射前三天进行了一次户外猎鸟之行，一场寒雨让其中一人感冒，但在发射时已经没有了症状，就正常上天了。后来，太空机构在20世纪70年代起开始在发射前对航天员进行医学隔离。

    ■ 为什么灰熊冬眠醒来还是能打败光头强

    读+：看来，航天之路确实危险丛生，但人类终将走出地球摇篮，进入太空，那么，科学家有没有找出克制危险的办法呢？

    郭金虎：在防止骨质丢失和肌肉萎缩方面，当前的干预措施包括通过体育锻炼、穿着载荷服。载荷服是指施加了外力的特殊服装，在穿着后需要人体以一定的力量去对抗服装产生的拉力。国际空间站的航天员需要每天锻炼两小时才能明显改善他们的肌肉萎缩。但是资料显示，这些措施并未能够完全防止骨质丢失和肌肉萎缩。

    2019年12月，科学家挑选了40只雌性老鼠，把它们送入国际空间站，这40只老鼠分为5组，每组8只。在回到地球环境后发现，补充生长素的老鼠肌肉和骨骼的恢复情况要明显比对照组老鼠快。但是，补充激素存在明显的副作用，注射这些激素导致老鼠的肌腱变得脆弱，肌肉的耐力也变差了。

    这仅仅是动物实验，对于人体会带来什么样的风险，还不是很清楚。

    灰熊每年要冬眠好几个月，冬眠过程中，熊的新陈代谢和心率都下降到很低的水平，它们既不排尿也不排泄粪便，血液中的氮含量急剧增加。让科学家惊讶和羡慕的是，熊在冬眠过程中并不会出现肌肉萎缩，当春天来临时，它们还是那么强壮有力。要是没有这种机制，冬眠之后苏醒的熊就会变得四肢无力，就再也斗不过光头强了。

    人如果长期卧床不动，几个月后肌肉就会出现明显萎缩，如果静止超过4个月，还可能导致血栓风险增加。灰熊在冬眠期间为什么不会肌肉萎缩呢？日本研究人员发现，冬眠期熊的血清里存在某种成分，可以抑制蛋白质的降解过程。对这个问题继续深入研究，或许可以为缓解航天员的肌肉萎缩提供重要线索。

    更多的研究显示，饮食、一些特定的锻炼方式以及增加维生素D摄入，都会在空间环境里诱导骨形成，降低微重力引起的骨质丢失。近年来，航天员尝试用一些药物，已经显示出较好的效果。

    但是，这些对抗措施效果仍然非常有限。生理机能的衰退仍会持续发生。所以对长期空间任务而言，需要发展出更有效的防护、对抗措施。

    读+：能否谈谈您的团队在这方面做了哪些工作？

    郭金虎：在这方面的研究，国外比我们开展得早，但我们也还是有所作为的。

    2014年10月，我带着学生跟随中国航天员科研训练中心的人员一道前往法国波尔多做了抛物线飞行实验。

    有一种“抛物线飞机”，在飞行过程中会重复经历正常重力—超重—失重—超重—正常重力的循环，其中每个循环里失重的持续时间约为22秒。在这22秒里，机舱内所有没有固定的物体都会飘浮起来，在这段时间里研究人员也会抓紧做实验。当22秒快结束时，机长会提醒大家注意，因为当飞机切换到超重状态时，如果机舱里的人不抓好扶手或者蹲在地上，就会重重地摔倒在地，飘浮在空中的物体也会重重地掉落下来。

    抛物线飞机机舱里的大部分座椅都会被拆掉，空出来作为实验场地。地板、舱壁和顶部都安装了一层具有弹性的材料，所有设备的边缘和突出的转角处也都包裹了海绵。

    在法国的实验验证了我们的一项发现：重力环境改变会减少躯干动作。

    比如我们去拿一个东西的时候，我们不仅手会动，我们的躯干也会动，会弯腰、会旋转，等等。我们让航天员使用可穿戴设备记录躯干运动的变化，发现在太空完成同样一个动作，躯干运动会显著减少，相对于手腕的活动，躯干运动减少得特别明显。在法国我们测量了超重和失重两种环境下的躯干动作，我们又在潜水环境中进行了同样的测量，发现重力增加或者减小都会引起躯干运动的减少。

    这个成果很有意思，我们已经发表，这也是在国内外的首次报道。在科学史上，一蹴而就的事情很少，更多的是靠点滴积累取得进步。那么这个成果在航天上有什么意义呢？首先，也许和航天员的健康有密切关系；其次，我们给航天员设计一些动作的时候会更加科学。因为在地面的飞行控制人员要给航天员设计动作，要出舱了，这个动作该怎么做，要干其他事你该怎么做，如果没有发现躯干运动减少的规律，设计的动作可能就是错误的或者不是最佳的。这就涉及“人因工程”。

    再比如，空间站里面的噪声很大，里边的空气成分跟地面也不太一样，气压也会低一点，这些因素叠加，会如何影响航天员的生物节律？我们用模拟舱模拟空间站的噪声、空气成分和气压，在舱里养了很多老鼠，把老鼠的尾巴吊起来，让它们前腿可以着地，后腿不能着地，这样可以模拟因失重造成的体液在头胸部分布增加的效应。通过这个实验我们发现，噪声也可以导致生物节律的紊乱，并且多种环境因素的叠加可能导致动物对空间环境的适应变差。

    ■ 人不是机器，有自己的生理极限和心理极限

    读+：能否谈谈“人因工程”？

    郭金虎：通过参加中国航天员科研训练中心的科研项目，我不仅学习到了很多航天领域知识，也对人因工程有了一定了解。人因工程是从工效学发展而来的，最初主要关注的是人在生产和工作中如何适应机械或机器的问题。随着机器、设备的性能和功能越来越发达、完备，人机系统更日趋复杂，涉及人的因素问题越来越突出。因此，人因工程越来越关注研究人员—机器—环境的交互控制技术，研究如何优化人机界面设计，使机器更好地适应人，以发挥人机系统的最大效能。

    人因工程其实在生活中处处可见。比如广州街头有一种大巴，车厢内有很多螺母明显凸出，这就不安全；乘客坐下以后还会发现车窗位置很奇怪，正好与肩膀平齐，视野不舒服，手也没法搁上去。这种现象就是没有考虑“人因工程”。在地面上，这会带来不方便、不舒适乃至安全隐患，到了天上，那就可能酿成大祸。

    1971年6月6日，苏联“联盟11号”飞船发射升空，三名航天员在空间站共停留了23天，创造了当时人类在太空停留时长的纪录。但是，“联盟11号”飞船原本只设计了两个航天员的座舱，可是苏联航天局当时过于急切，未制造出三人座的新飞船，将只能乘坐两人的“联盟11号”改为了三人座，为了节约空间，航天员无法携带航天服，只能穿舱内工作服。

    1971年6月30日，在“联盟11号”飞船返航过程中，返回舱的压力阀门突然被震开，空气快速泄漏，舱内气压也急剧下降，在34秒内就接近了真空状态。由于压力阀门位于座椅下方，航天员够不着而无法采取紧急救援措施，使他们相当于穿着普通工作服暴露于接近真空的环境，造成缺氧且体液沸腾，最终全部罹难。当地面人员打开舱门，见到的是三位英雄的尸体，令人心痛。

    在载人航天器里，舱门的手柄应该设计多长才能有利于航天员快捷、高效地进行操作？手柄和舱壁应该留多少空间？在整个开舱门过程中需要给穿着航天服的航天员留出多大空间？航天员穿上舱外航天服之后拧手柄时能使上多大力？这都需要用人因工程来评估，需要在地面开展大量工效实验，获取数据，然后进行相应的设计或改进。

    人与机器不同，有着自己的生理极限和心理极限，无法做到不知疲劳地工作，或者任何环境下都保持一成不变的工作效率——实际上机器也做不到。所以，人在人机系统以及特殊的环境和任务下，能力和工效会发生什么样的变化，是人因工程要着重研究的问题。