空間環境生物學
正文
研究宇宙空間環境中各種因素影響生物體功能的一般規律性的學科。重力生物學和地外生物學等已從空間環境生物學中分化出去，成為獨立的分支學科。空間環境生物學的主要內容包括宇宙輻射生物效應、高（低）溫生物效應、真空生物效應、應激、複合效應等。宇宙輻射生物效應 在宇宙空間主要有兩種輻射，即粒子輻射和太陽電磁輻射。通常又將輻射粒子分成輕核和重核。輕核包括氫原子核（質子）和氦原子核(α粒子)，重核指原子序數大於2的元素的原子核。銀河宇宙線和太陽宇宙線中的粒子，大部分屬於輕核，重核的數量較少。重核對生物體的損害極大，可使生物體產生不可逆的病變,因此,重粒子的生物效應成為宇宙輻射生物學研究的重點。宇宙輻射生物效應的大小與傳能線密度（LET:指粒子在單位長度徑跡上所消耗的平均能量，單位是千電子伏／微米）值密切相關，一般說，傳能線密度值越大，生物效應也越大。根據細胞學的研究，重粒子所產生的生物效應不僅比輕核大，而且對生物組織的損害在性質上也不同。當宇宙線照射劑量足夠大時，氦粒子主要影響增生迅速的組織，如骨髓、上皮組織和生殖器官組織等,但受影響的組織有時還能維持其功能;而重粒子對於非增生性組織，即使是極低的劑量也可產生特殊的生物效應。重粒子生物效應的顯著特點是，當它擊中細胞的適當部位，其能量並非均勻地分布於被作用的微細結構，而是更多地作用於組織深部，並集中於其所經過的徑跡。正因為如此，所以它的危害程度很大。
對於像組織培養中神經元這類不分裂細胞，重粒子可使其結構和生物合成功能產生不可逆變化。因為核膜同核酸的分布及其生化功能密切相關，重粒子輻射可導致核膜結構和核酸的破壞。
單一的加速重粒子和初級宇宙線粒子，都能引起眼睛的閃光感、視網膜病變、毛髮變色和植物的生長異常。這類粒子輻射，還容易誘發生物腫瘤，若照射白鼠大腦，可縮短白鼠壽命，照射肝臟和角膜，會產生異常的有絲分裂和染色體畸變。美國“生物衛星” 2號的實驗發現，經照射後的果蠅，生殖細胞內有大量染色體斷裂。在美國、蘇聯載人飛船和其他生物衛星上的實驗結果，跟地面上的對照實驗相比，有些生物會出現大量的染色體畸變，顯性和退行性突變，以及異常的有絲分裂。當然在空間飛行中，引起這些變化的因素很多，到底宇宙輻射在其中起多大作用，有待進一步研究。
在太陽輻射中，還要考慮到紫外線和紅外線的作用。波長為250～320納米的紫外線，可以使人體皮膚產生紅斑，稱為紅斑區域；波長為220～280納米的有殺菌作用，稱為殺菌區域；波長為280～320納米的部分還有致癌作用。紫外線對生物體的危害作用,主要由於機體細胞內的核酸、蛋白質或其他分子吸收了紫外線的能量,致使蛋白質結構發生光化學變性和凝結，從而導致細胞功能改變、突變、死亡或其他反應。許多蛋白質對紫外線都很敏感，其中核蛋白對波長為265納米的紫外線最敏感,胞漿蛋白對波長為280納米的紫外線最敏感,人眼的角膜則對波長為288納米的紫外線最敏感。 紅外線的波長從 750～1×106納米。在近地空間,太陽是主要的紅外輻射源。紅外線的損傷作用主要是熱。組織損傷的程度取決於紅外線的波長,組織的導熱和散熱情況，吸收能量的多少,以及能量作用的時間長短等。由於紅外線光子能量太低，不能改變原子內電子的能量水平,因此,在生物系統中不產生光化學反應。
高、低溫生物效應 簡單生物對高、低溫的反應的一般特點是：①在一次相對高的溫度作用後微生物仍能生長，但重複多次相同的高溫作用，會引起微生物的死亡；②溫度很低能夠抑制微生物的繁殖，但如結合細胞脫水，則可延長其生存；③溫度緩慢下降時，某些細菌會在－5℃下生長，如快速從30℃下降至0℃，則會引起一些細菌的死亡；④低溫下細胞乾燥，不會使整個細胞群完全死亡，其死亡率隨細胞種類不同而不同；⑤微生物因溫度變化引起周期性發展的復甦狀態，對其隨後的代謝能力、生長以及繁殖沒有影響。
除以上一般反應外,低溫(－75～－273℃)有以下特殊生物效應：①不少細菌、酵母菌、黴菌、藻類、原蟲、蠕蟲、昆蟲和人類的精子，以及部分高等植物的種子，能夠經受－190℃低溫的作用;②一些細菌在接近絕對零度(－273℃)的條件下，仍能生存,顯示它們對極端溫度環境的特別穩定性；③地球上的微生物在很低溫度的宇宙空間或行星上沒有死亡的事實表明，宇宙間的低溫沒有殺菌作用；④企鵝和北極熊等動物所以能在－20～－50℃的環境中生活，是因為這些恆溫動物即使在上述環境中仍能產生大量熱量，保持其生長和繁殖等生理功能的正常進行。
高溫也有其特殊生物效應。生物對高溫的耐受力差異很大。生活在南極地帶2℃水中的魚，會在6℃水中死亡；大多數無芽胞的細菌將在60℃條件下10分鐘內失去生命力，而帶有芽胞的細菌在乾燥消毒時,通常在150～160℃下尚能承受30分鐘,在120℃下高壓消毒1小時便會死亡。一般來說，溫度愈高，細胞死亡愈快；細胞所含水分愈少或愈能經受乾燥的不良條件，則愈能耐受高溫。微生物對高溫的抵抗力受許多因素的影響。這些因素包括：細胞總數、細胞發育階段、培養基成分、細胞含水量及靜水壓等等。低溫和高溫的上述效應對行星的檢疫、飛船的消毒均具有一定的指導意義。
載人飛船由地面起飛，進入軌道運行，到最後返回地面,經歷不同的溫度環境。在發射段和返回段,飛船外殼受到氣動力加熱，可達數千度，艙內溫度也相應升高。當飛船進入軌道後，處於真空環境，周圍溫度相當於4K，飛船外殼向空間輻射散熱，溫度逐漸下降。此時存在著太陽輻射、地球對太陽的反照和地球本身的紅外輻射，這些都給飛船加熱，其中起決定作用的為太陽輻射。此外，艙內人員的代謝產熱，以及儀表設備的散熱，都會影響飛船座艙溫度。人體通常感到舒適的溫度為16.6～24℃，當環境溫度變化在9.5～36℃的情況下,依靠調節機制，仍能保持體溫正常。人體對高溫的耐受時間，取決於暴露的溫度強度、著裝條件以及身體活動程度。由於生理耐受限度和身體積熱程度密切相關,實驗表明,達到耐受限度的熱蓄積值為84卡／米2，因此,耐受的時間將隨積熱速率而改變。當氣溫極高或出現輻射熱情況時，人體可直接因皮膚疼痛而不能耐受。出現疼痛時的皮膚溫度約為45℃。一般認為,人體對低溫的耐力要比對高溫的強。當直腸溫度偏低於正常值10℃(即下降至27℃)時，人們尚能生存,而當偏高於正常值5℃(即上升至42℃)時，往往會引起死亡。人們雖然具有維持內環境穩定的調節機制，但對極端溫度的耐受仍有一定限度。為了保證航天員的正常生活和有效工作，必須從醫學工程角度，對座艙環境和個體裝備實施溫度控制。
真空生物效應 真空環境中缺少生物生長必需的氧氣和一定的大氣壓力。宇宙空間的真空度可達10-16mmHg，這對於嫌氣性微生物可能不會造成生命威脅，但對於非嫌氣性微生物和植物，都會造成生命威脅。
微生物對真空具有很強的適應性，特別是那些有芽胞的細菌和黴菌的適應性最強，不帶芽胞的微生物的適應性較弱。黑麴黴、黃麴黴、枯草菌和蕈狀桿菌暴露在1×10-5～5×10-7mmHg的真空環境中,持續32天仍能存活。枯草菌和煙麴黴甚至在 10-9mmHg的真空環境中持續 5天仍能生存。此外，根據細胞學研究發現，當大氣壓降到1mmHg時,大腸桿菌的細胞分裂才開始受到抑制。這表明，細胞核的內部結構以及組織化學反應，對低壓保持良好的穩定性。
真空對動物能產生顯著效應。在距地球15.3公里高度上（航空醫學上稱為第一宇宙高度）由於肺泡里氣體壓力同外界大氣壓力相等（同為87mmHg），動物如突然暴露在該高度上，可立即引起爆發性缺氧。首先是對缺氧最敏感的腦功能陷入紊亂狀態，高等動物經過10餘秒鐘便喪失有效意識。隨後是對缺氧敏感的心臟和眼也陷入功能紊亂。緊接著生命迅速陷入危險。這種有效意識喪失的時間,即使在真空環境也不再縮短。在距地球19.3公里高度（航空醫學稱為第二宇宙高度）時，外界氣壓降低到47mmHg，等於37℃體液的飽和蒸汽壓，暴露在此高度上的動物的體液便轉化成氣體而形成氣泡，即所謂體液沸騰。實驗表明,突然減壓到3mmHg的近似真空環境後，僅僅經過1秒鐘,被實驗動物心臟中已可發現有小氣泡，隨著時間的延長，小氣泡聚集形成“氣泡血流”。與此同時，體內殘餘氣體膨脹，引起肺氣脹性損傷。大量水氣蒸發，在肺臟形成蒸汽胞，在皮下組織形成組織氣腫，使軀幹容積增大，四肢僵直。當體液（包括血液等）出現大量氣泡時，可形成血液循環的機械性阻塞，加速組織細胞的破壞。此時常見嚴重的心律紊亂，由單一的期外收縮，一直發展到危險的心室自搏或顫動，呈現停搏前的心臟活動，加速動物的死亡。但實驗中發現，狗在減壓到2mmHg的近似真空環境後,暴露時間不超過90秒鐘時，雖然意識喪失，呼吸、循環活動異常，但如恢復到常壓，經10～15分鐘後，仍可恢復常態。當暴露時間延長到120秒鐘以上時,由於腦、心臟等重要器官的損傷，死亡率明顯增加。上述資料表明，地球上動物暴露在宇宙真空環境中是不能生存的。
應激 應激是生物體在異常環境條件下產生的一種功能動員狀態。應激效應在高等動物體上表現出典型的徵候群，包括腎上腺糖皮質激素分泌增多，血糖含量增加，胸腺和淋巴結萎陷，免疫功能受到抑制，並出現胃腸黏膜充血以及潰瘍等。徵候群的出現，主要是由於下丘腦、垂體、腎上腺皮質系統控制的神經體液失調造成的。
近年來由於實現了載人航天，研究人體在長期航天條件下垂體、腎上腺皮質機能方面也取得一定成果。在“天空實驗室”飛行中，航天員血漿皮質醇有增高現象。這是由於飛行精神緊張和體力負荷引起的反應。在血漿皮質醇含量增加時，醛固酮含量卻有所降低，反映了糖和鹽皮質激素比例失調。上述情況表明，在長期飛行中航天員的垂體腎上腺皮質系統功能已受到影響，在飛行後13天才逐步恢復。在更長期飛行時，這些變化是否能進一步發展，則有待於將來的研究。
複合效應 空間因素的複合效應，是指航天過程中各種因素共同作用於航天員或其他生物體而產生的效應。在實際航天中，一般不是單因素而是多因素共同作用的，如在飛船起飛階段，可同時受到振動、噪聲、次聲、加速度和精神緊張等因素的綜合作用。在飛船進入軌道後，可同時受到失重、狹小環境、特殊氣體環境和電離輻射等因素的綜合作用。
在地面實驗中很難充分模擬複合因素的條件，大部分研究結果僅能說明一、二種因素的綜合作用。複合因素的綜合效應可以分為3種情況：
①疊加效應 如噪聲和振動同時作用，噪聲影響聽力，振動引起臟器位移但並不加重聽力損傷。此時，綜合效應是臟器位移和聽力損傷的簡單疊加。其他如加速度和振動、振動和缺氧等也是簡單的疊加效應。
②增強效應 如狹小環境所造成的活動減少，可以使橫加速度耐力明顯降低。屬於此類的尚有缺氧和體力負荷，缺氧和寒冷，高氧和電離輻射，失重和電離輻射，加速度和高溫，全身振動和高溫，減壓和體力負荷等。
③抵消效應 如長期航天由於活動減少可以使航天員心血管系統調節機能降低，但增強航天員的體力鍛鍊可以減輕心血管機能失調現象。屬於此類的尚有吸入二氧化碳和缺氧，缺氧和電離輻射，局部振動和高溫等。
研究複合因素的綜合作用在於力求避免其消極影響而利用其積極作用，以提高航天員對複合因素的耐力。在載人航天初期，航天員的心血管系統機能失調現象比較明顯。研究者曾擔心這種現象會降低航天員的耐受力，限制飛行時間。經過幾次軌道飛行的實踐表明，影響航天員耐受力的因素除失重外，尚有很多因素。包括穿著航天服使航天員體力負荷增加，座艙狹小環境限制航天員活動，不合適的膳食和作息制度等。由於這些因素的綜合作用，嚴重影響著航天員的持續飛行時間。在以後的航天中注意採取不穿著航天服，擴大座艙容積，合理調配膳食，改善作息制度並加強體育鍛鍊等一系列措施，雖然失重仍然存在，但由於減少或排除了其他因素的綜合作用，所以便提高了航天員的耐受能力，使航天員持續飛行的時間可增長到7個月之久。
利用航天中複合因素的抵消效應，也能提高航天員的耐受力。在長期飛行中已普遍採取的體育鍛鍊，能改善活動減少引起的心血管機能的失調現象。在“天空實驗室”飛行中體育鍛鍊量適當增大，則飛行後航天員心血管機能恢復正常所需的時間就可以縮短。
參考書目
M. Calvin and O.G.Gazenko ed., Foundations of Space Biology and Medicine，USA/USSR Publ.in three Volumes,Washington,1975.
