《保健(功能)食品通用标准》实施

-190-4宇航飞行安全救生技术4.1航天飞行中失重对人体生理的影响航天医学研究所李瑞英摘要航天飞行中影响人体正常活动的作用因素很多但影响最大作用时间最长的重要因素之一是失重在失重作用下人体生理系统诸如心血管血液骨骼肌肉前庭等系统都发生了一系列的变化本文仅根据美俄前苏联载人航天飞行实践中获得的一些医学资料重点介绍了失重对心血管骨骼和肌肉系统的影响关键词失重肌肉萎缩心血管系统骨骼肌肉生理影响航空航天医学自20世纪50年代末期前苏联实现了载人航天飞行以来人类征服外层空间的脚步从来就没有停止过但人类作为地球上的最高级动物从生命的开始到衰亡始终处于地球这个1g的重力环境中人已经适应了这个条件可是一旦离开了地球面飞向太空当飞船进入轨道后重力几乎完全消失人从承受地球上的1g重力改变为轨道中的微重力或无重力即失重这种失重作用持续的长时间的作用于人体使得机体各生理系统如心血管血液骨骼肌肉前庭等系统都发生了一系列的改变美俄前苏联30多年的载人飞行实践充分地表明了失重对人体生理机能具有很大的影响本文仅根据美俄前苏联飞行实践所获得的成果粗略地探讨一下失重对心血管骨骼肌肉系统的影响和引起这些变化的生理机制一失重对心血管系统的影响心血管系统在生命活动中担负着十分重要的任务心脏是血液流动的源泉由于它的挤压和推动血液得以流向全身血管是血液赖以流动的管道生命从毛细血管的血液获得物质交换新陈代谢血管系统功能一旦发生障碍将影响整个机体的生理功能那么在失重条件下心血管系统发生怎样的变化呢1心功能的变化心电图是监测航天员健康状态的最重要的指标从前苏联和美国的载人航天实践中表明航天员在航天飞行中很多航天员心电图的T波幅度降低尤其在下身负压和运动时更为明显甚至有人出现ST段下降美国阿波罗15号登月舱的航天员在飞行中及在月球表面工作时出现了结性2联律和房性期前收缩在天空实验室飞行中二名航天员在入轨与返回时出现频发的室性期前收缩美国航天飞机航天员在出舱活动时有的出现室性期前收缩和房性期前收缩[12]前苏联执行长期飞行任务的16名和平号空间站上的航天员都有不同程度的T波波幅下降有的航天员在飞行中发生明显的心律紊乱一名预期飞行一年的航天员由于在飞行中出现过多的期前收缩不得不被迫终止飞行提前返回地面心电图的变化表明失重可以引起航天员的心肌缺血性变化和心律紊乱但航天员都是经过严格的身体检查的排除患有心脏病的可能性关于航天飞行中出现的心律紊乱的原因学者们众说纷纭但迷走神经紧张性过高引起失重时出现心律紊乱是学者们的共识因为飞行中所观察到的心律紊乱多在体力活动和应激刺激后从交感紧张向迷走紧张过度时或在睡眠和安静休息时因此认为迷走神经紧张性过高是引起失重时心律紊乱的主要原因航天员心电图中出现ST-T段的改变一些学者认为是由于失重时血液动力学电解质代谢-191-和微循环的变化引起的也有一些学者认为是心肌的负极化程度本身发生了改变动物实验结果表明它可能与心肌本身能量供应紊乱有关但航天飞行中航天员所出现的ST-T变化和心律紊乱在返回地表面即可消失提示这种变化并非病理性的而是功能性的变化2心肌的形态和生化变化失重和模拟失重能够引起人或动物的心肌结构形态学上的改变前苏联对航天飞行失事的3名宇航员进行了人体解剖发现心肌都有病理性改变动物是最方便观察组织形态学变化的可以观察到大白鼠21天失重飞行后心肌超微结构中出现线粒体受损嵴断裂基质密度下降及心肌萎缩[4]地面的模拟失重也发现心肌重量减轻和形态学的变化如悬吊30天的大白鼠心脏重量减轻17%60天时减轻18%100天时减轻24%形态学的变化主要是心肌内脂质沉积[2]某些心肌纤维有萎缩现象等限制活动的家兔模拟失重时心脏血管和主动脉出现明显的硬化[2]这些变化说明在失重或模拟失重条件下由于缺少运动肌体的氧化还原过程受到干扰致使心肌发生了退行性变化模拟失重实验动物心肌下丘脑和肾上腺组织中肾上腺素和去甲肾上腺素分泌情况发生了变化家兔实验前每克心肌去甲肾上腺素的含量为0.8mg限动的第1214天减少到0.37mg第36天时为0.33mg下丘脑组织中的去甲肾上腺素也明显减少由0.16mg减至0.08mg肾上腺素的变化情况是在限制活动30天时肾上腺素明显减少从248mg减少为90mg[3]上述变化说明失重能引起心肌形态和生化方面的变化这很可能是失重状态下引起心脏功能心肌电生理变化的原因之一3调节功能降低失重对心血管系统的调节功能是有影响前苏联采用下肢负压LBNP检查了飞行中礼炮1号和和平号空间站的航天员的心血管情况结果显示航天员平均心率和平均动脉压与飞行前明显不同所有参加65天至231天飞行的航天员心率和外周阻力增加较多左室排血时间血管和肌肉紧张度组织压和静脉压下降非常明显飞行后地面立位实验证实所有航天员都出现不同程度的立位耐力下降如东方号3名航天员飞行后立位实验时心率比飞行前对照值增加显著恢复较慢其中两名航天员每博量和心输出量减少都在26%~47%较飞行前对照值的变化明显[5]联盟9号的两名航天员飞行后立位耐力的下降表现为头晕虚弱和心动过速不能维持站立姿势感到身上有2~2.5g的力压迫着这些反应随着时间的推移会逐渐得到好转[3]美国水星8号航天员希拉着陆后1小时进行立位实验时心率由平时的56次/min增到104次/min血压由16.5/11.2kpa降到12.0/9.33kpa水星9号的航天员库柏在飞行后立位实验时从132次/min增加到188次/min站立一分钟后他出现脸色苍白出汗身体轻度摇摆主诉眼发黑脸和脚出现麻刺感[6]在以后的双子星座航天员的立位实验中都表现为比飞行前心率增加血压下降脉压变小个别航天员还有出现立位晕厥的情况我们知道人在地球表面上由于受到地心引力的作用身体是有重量的血液在血管中存在着流体静压人体直立时由于流体静压的影响头部血压低下肢血压高部分血液滞留在下体主要在下肢血管内在失重条件下由于流体静压作用消失贮留在下肢血管的血液以及下肢的部分组织液会自然地向上移动引起了机体内血液的重新分布此外运动减退等综合作用于人体使得心肌冠脉内皮下层水肿内径变细毛细血管出现血液淤滞等现象以1至使得心肌电生理组织结构生物化学发生了改变失重对心脏功能是有严重影响的是长期载人航天研究的一个重大课-192-二失重对骨骼系统的影响失重状态下骨骼不再承受重量又减少了运动对骨骼的刺激因而失重的结果是使骨密度下降骨骼脱钙化造成骨质疏松1骨密度下降:骨质疏松表现为骨组织稀疏骨密度下降美国科学家测量双子星座任务中的航天员的跟骨密度的变化结果发现飞行后跟骨密度比飞行前下降2%~15%[7]在阿波罗和天空实验室中用更精确的单光子吸收方法同样测量了跟骨骨密度的变化阿波罗航天员飞行后跟骨密度有轻度下降天空实验室3号的航天员有1名下降较明显天空实验室4的3名航天员中有2名下降分别为4.5%和7.9%前苏联在检测了联盟9号两名航天员飞行前后的跟骨密度情况后指出飞行后比飞行前骨密度分别下降为8.5%和9.6%用双光子吸收仪测量了和平号航天员的骨骼变化一名航天员胫骨骨干密度减少了5.6%一名飞行8个月的航天医生飞行中身体的总骨质量无明显变化但骨质量的分布发生了改变上身骨质量增加而下身骨的骨质量却有减少[3]动物实验也证实了失重对骨骼的这一影响美国和前苏联在航天中进行了一系列的动物实验在宇宙605936和1129号飞行中鼠骨远干骺端骨密度平均下降7.5%~21%骨密度减少为5.2%~17.7%[3]用电镜检查其形态学变化有一半大白鼠的管状骨骨骺部骨质疏松在软骨板附近伴有原发性骨松质密度降低失重飞行还会引起动物骨小梁变薄变少少量的前骨质成骨细胞的数量和活动减少骨膜的形成减慢等变化2钙的丢失飞行中航天员尿和粪便中的钙含量呈明显增加天空实验室任务中分析了9名航天员尿和粪便中的钙含量结果表明从飞行一开始尿钙的排出量就明显增加飞行一个月后尿钙排出量为飞行前的2倍之后一直维持这个水平至飞行结束[3]这表明钙在丢失体钙的丢失就表明骨钙在丢失出现了持续性的负钙平衡其结果必然导致航天员骨质疏松人在地球受到1G重力时重力作用于骨骼对骨结构及骨代谢都有影响在失重情况下骨骼的载重负荷消失骨的机械力作用减少或趋于消失肌肉活动量减少肌肉对骨骼的刺激作用减少骨代谢也发生紊乱骨生成过程受到抑制因此骨密度下降骨质疏松出现是必然的结果三失重对肌肉系统的生理影响在航天条件下由于基本上不存在地球重力人体支撑负荷消失所以肌肉在结构和功能上都发生了改变1肌肉结构变化航天飞行时肌肉结构的变化主要表现为肌肉萎缩1下肢容积减少前苏联对失重条件下航天员的肌肉进行了研究表明失重会引起小腿容积减少如礼炮号飞行中航天员小腿容积减少的情况分别为飞行96天时减少16%~20%飞行140天时减少20%~23%175天时较少19%~24%[8]返回地球表面后小腿容积可以逐渐得到恢复2体重的减轻肌肉占人体体重的40%对航天员在飞行前后做了体重测量的数据收集发现绝大多数航天员飞行中飞行后都有不同程度的体重下降美国天空实验室飞行期间-193-飞行之初航天员体重就呈明显的下降之后出现持续缓慢地减少前苏联在地面进行了大量的模拟实验发现卧床后与航天飞行中出现了相同的肌肉萎缩现象实验动物的变化也说明了失重对肌肉是有影响的例如对乘宇宙1667号生物卫星飞行了7天的大白鼠的比目鱼肌腓肠肌和肱二头肌的重量进行了测量分别比飞行前减少22.7%10.7%12.3%研究失重时动物的组织学变化可得知其在失重时形态学和生物化学发生了改变对乘宇宙605和宇宙690生物卫星分别飞行22天的大白鼠剖检时发现在比目鱼肌有水肿并伴有结缔组织增加肌纤维膜间层扩展有的肌纤维被分解或吞噬骨骼肌内酶活性大大增强组织蛋白酶活性值比对照组高2.5倍以上[3]地面模拟实验也得到了同样的结果肌原纤维组织蛋白酶活性也大大高于对照组可以看出失重使肌原纤维组织蛋白酶活性进一步提高导致肌肉蛋白质分解大于蛋白质合成这为肌肉萎缩性变化提供了有力的证据失重引起肌肉萎缩的主要原因是肌肉完全处于无重力的环境下肌肉运动受到了抑制失重时一切物体都没有重量机体运动不需要用力也就是废用性人体各器官久之不用就会萎退如前所述地面模拟实验与空间飞行时出现同样肌肉萎缩的变化充分说明了不运动会导致肌肉萎缩因为地面模拟对人体仍承受1g的重力只是减少了活动和运动说明失重情况下活动减少是引起肌肉萎缩的原因之一在航天飞行的特殊环境下枯燥孤独以及航天初期出现的运动病症的困扰都会引起航天员的食欲不佳特殊制成的航天食品不如地面食物可口使得航天员饮食不佳营养不足肌原纤维蛋白酶活性的增加使得肌肉蛋白质分解增加制造人体肌肉蛋白的原料不足是导致肌肉萎缩的第二个原因第三个原因是失重致使静水压改变使得下肢肌肉血液供应减少血液粘稠度增高也影响了肌肉的营养吸收和充实2肌肉功能降低肌肉萎缩肌肉自然功能也就下降美国对所有空间实验室航天员飞行前后手臂和腿的肌力进行了测量表明飞行后肌力下降天空实验室2号和3号分别飞行28天和56天航天员肌力平均减少25%4号的航天员飞行84天由于在飞行中增加了跑台运动但依然下降8%用握力计测量航天员飞行前和飞行中的握力飞行前握力为45~65kg飞行中握力就减少了4~22kg[3]肌肉的协调性也变差在失重飞行中要完成一组动作不仅所花费的时间比地面上长而且动作不准确往往是用力过度这可能是与肌张力的下降及在地球生活的习惯用力有关前苏联联盟9号两名航天员在飞行后第二天腹前肌和股四头肌硬度明显下降运动减少是肌张力减少的主要原因返回地面正常生活后可逐渐恢复失重还可导致与肌肉有关的一些神经系统发生变化模拟失重时发现卧床后腓肠肌的肌电振幅明显下降这与低重力时肌肉萎缩有关其表现与卧床中引起肌紧张度和运动能力下降是相一致的测量了航天员的肌腱反射飞行后一个月航天员腱反射的阈值仍比飞行前低说明肌肉收缩的反射性调节发生了改变在航天环境条件下由于重力的缺失和运动减少会导致机体肌肉萎缩并使得其功能和反射调节机能受到影响一旦脱离失重环境这些变化都会得到恢复本文仅就失重对心血管系统骨骼肌肉系统的影响做了简单的介绍但失重对人体的影响是多方面的如对前庭功能工作能力血液系统等都有影响为此在飞行中已采用了很多措施来对抗失重的影响如运动下身负压穿着特种衣服和补充营养等这些防护措施对克服失重带来的不良影响有一定的效果但航天失重对人体的影响是航天生理的一个重大课题许多问题还有待于更深入的研究和探讨