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崔娅铭,博士,古生物学家。

为什么今天人类还没登陆火星

导读

我们还没有实现登上火星伟大设想的一个重要原因,就是无法解决长期星际旅行及生活在微重力环境下对宇航员身体产生的负面影响。

今年火星真的好火!NASA前脚刚开完新闻发布会,说在火星上发现了地表液态水的证据,后脚就得帮助被困火星的马特呆萌回家。作为电影史上虐文科生的又一部力作,《火星救援》里澎湃的各行业高逼格硬核知识,帮他在火星上挨过了将近两年(将近一个火星年)的时间。

电影《火星救援》剧照电影《火星救援》剧照

国内外各路技术宅们对这部电影中种土豆和敞篷车的实际可行性讨论得很欢。在火星上“无论如何都要活下去”的信念和活学活用的脑瓜自然值得敬佩,但赫尔墨斯号上那五位讲义气高颜值的宇航员队友们事实上更加令人尊敬。电影中只提到他们无法见到家人的感伤,对于他们长期在微重力环境下生活带来的生理影响却着墨不多。

火星是和地球最相似的星球,例如陆地面积几乎相等,都拥有极地冰冠,旋转轴角度也几乎相同(也就是说火星和地球一样拥有四季变化),并且都经历过剧烈的气候变化。好奇号火星车告诉我们,火星曾经是一颗与地球非常相似的行星,有温暖的含盐海洋,有淡水湖泊,也许还有白雪覆盖的山峰,白云和水循环系统。更重要的是,前不久NASA刚刚宣布,在火星上发现了盐坡(Saline Slopes),是地表流动水的证据。

事实上,直到现在,我们还没有实现登上火星伟大设想的一个重要原因,就是无法解决长期星际旅行及生活在微重力环境下对宇航员身体产生的负面影响。

人体的运作是极其精细的,我们平日在地球上很难感受到人体对地球重力场的适应,但事实上,人体有相当多的机能都根据重力的大小进行了精确的调节。

什么是微重力环境

重力现象是两个物体之间存在的引力,在宇宙中广泛存在,究其原因可以追溯到原子水平。人们之所以能够停留在地球表面而不是飘在半空中,就是由于人和地球之间的重力。重力并不仅限于星球对其表面物体的吸引力,任何物体都有自己的重力场但重力场的强弱仅与重量有关。与地球相比,一个人的重量是微乎其微的,重力场也十分微弱,在实际生活中分分钟就被其他的力抵消掉,所以我们只能感受到被地球吸引,而从未见过两个人由于引力的作用被吸到一起(如果你真的见过,那有可能是爱情的力量)。

微重力环境是重力加速度约等于零或失重环境,就是可以飘在半空中的环境。太空中的微重力环境在两种情况下发生。第一种是当宇航员在地球的轨道上时,重力用于提供向心力,以供宇航员不断改变方向,做匀速圆周运动。这时宇航员就处在微重力环境中。另一种就是当宇航员身处太空中(不在任何星体的轨道范围以内),这时宇航员与其他星体的距离太小,作用于宇航员身体上的重力几乎为零,因此这时宇航员也处于微重力环境,因此会漂浮。

微重力环境和漂浮状态都会对宇航员的身体产生影响。有一个学科叫做“微重力学”就专门研究这个领域的问题。研究显示微重力使身体的各项机能趋于紊乱。航空部门一直致力于减少这些微重力对身体产生的影响,使宇航员们能够进行更长时间的太空旅行,也许终有一天登上火星。

微重力环境对身体的影响

血液循环

长期生活在微重力环境中的宇航员会有奇怪的身体比例,我们将之称为“肿脸”和“鸟腿”现象。这是太空中最常见的微重力影响。火星的重力大约是地球的三分之一,所以在火星上生活了这么久,虽然不是微重力环境,马特呆萌的身体也还是会受到火星低重力的影响,这也许就是他身体骨瘦如柴,而脸蛋还是如刚登上火星一般饱满(其实明明是他不愿为电影减肥而宁愿用替身)。

心脏的任务是把血液均匀地输向身体的各个部位。由于人类直立行走的行动方式,在重力的作用下,血液会自然地流向下半身,下半身的肌肉活动帮助血液流回心脏。而上半身,特别是头部,则很难得到足够的血液供应。因此,心脏必须用更大的力量将血液泵到上半身,下半身则无需特别关照。而在微重力环境中,虽然没有了重力的影响,心脏却仍然遵循这一工作模式。于是,宇航员的上半身的血压总是过高,那感觉就好像被倒挂起来。他们就会产生“肿脸综合征”:脸部和颈部的血管会鼓起来,眼睛会一直又红又肿,鼻腔由于充血会总是不通气,甚至导致头痛;而腿部则由于血压较低血量较少而变得很细。大约有40%的宇航员会因此感到头晕或恶心,但两三天后随着身体对新环境的逐渐适应,这种症状会慢慢消退,但在整个飞行任务中仍然明显。

宇航员桑尼塔·威廉姆斯在地球上的照片(左)和在微重力环境中的照片(右)。宇航员桑尼塔·威廉姆斯在地球上的照片(左)和在微重力环境中的照片(右)。

而这种影响导致的不仅仅是外观上的变化,微重力环境会造成人体心血管系统的重大异常。其中一项就是总血量的减少。进入太空24-36小时以后,宇航员身体的总血量就会通过肾脏、皮肤和肺部减少20%。当他们回到地球上的时候,他们会难以站立,血压过低甚至晕倒。通常在着陆之前补充大量体液,并穿上特制的防护服可以减弱这种影响。

骨骼和肌肉

在微重力环境下,骨骼肌肉系统会逐渐退化。肌肉,特别是腿部肌肉由于失去了负重而得不到足够的锻炼,会变得非常松弛并逐渐变小,患上肌肉萎缩症。骨骼也是一样,由于负重锻炼过少,机体会逐渐移走骨骼中的钙、磷、硫等元素,供其他器官使用或排出体外。令宇航员患上严重的骨质疏松。

在地球上,人体的骨质密度在30岁达到峰值,然后以每年1%的速度缓慢减少。而在微重力环境下,宇航员每个月都会损失1-2%的骨质。马特在升空过程中断了两根肋骨,就是因为他的骨骼变得更脆弱。为了尽量减少这种情况的发生,可以为宇航员补充钙质,但最根本的方法还是要加强锻炼。

正常骨骼(左)和骨质疏松骨骼(右)正常骨骼(左)和骨质疏松骨骼(右)

另外,人的身体在微重力环境下还会变高。这是因为由于没有了重力作用,脊柱中脊椎骨的压缩程度变小了,每块脊椎骨之间的距离都会稍微变长一点。在微重力环境下,宇航员们身高平均增加七厘米宇航员经常会有背痛的问题,这也许是由于背部肌肉和韧带放松导致的。而当他们回到地球时,由于重力的重新出现,身高又会回到正常水平。

在微重力环境中,每块脊椎骨之间的距离会稍有增加,而整个脊柱变长。整个身高增加约七厘米。图片来源:Canadian Space Agency在微重力环境中,每块脊椎骨之间的距离会稍有增加,而整个脊柱变长。整个身高增加约七厘米。图片来源:Canadian Space Agency

如何解决

除了上面提到的问题之外,在微重力环境下,宇航员还会发生失去方向感和不明原因的免疫力降低等一系列症状。

解决所有这些由重力变化导致的生理失调,根本上讲,就是要在微重力环境中创造出人工重力。这在理论上是可行的,可以通过舱体高速旋转和加速度运动来实现人工重力。但是,在飞船上和空间站中,由于空间和能量的限制,在现实中是很难做到的。

在电影中,赫尔墨斯号上的一部分舱体可以实现重力,而且宇航员似乎很轻松地就可以进入这种重力状态。这种电影中的设想,在现实中还完全做不到。

目前,宇航员所能做的预防身体机能失调的方式就是加强运动。宇宙空间站的宇航员们每天要运动大约两个小时。当然,因为没有重力的影响,他们的运动比在地球上要轻松得多。许多复健专家和医生们为他们专门研制了许多在微重力下进行锻炼的健身器材。但这只能缓解,并不能完全解决微重力环境带来的负面影响以及回到地球后的不适感。

【责任编辑:贾嘉】
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