太空飛行之後，身體會出現哪些變化？

2003年10月15日，航天英雄楊利偉健步走進神舟五號載人飛船。第二天返回地面，他出艙時卻由搜救人員上前攙扶並將他抬走。是什麼原因使楊利偉在短短的21小時航天過程中發生變化，居然不讓他獨立行走了？這個原因叫做失重，專業一點的說法叫微重力。在微重力狀態下人體會鈣質流失，骨質疏鬆，如果自我負重，容易導致骨折。當然，楊利偉本人的情況其實並沒有那麼嚴重，他還是可以自主行走的，抬著他更多的是一種保護性措施。但這畢竟說明微重力對人體是有明顯影響的。這還僅僅是不到一天的航天飛行，如果進行了幾天、幾十天、幾個月的太空飛行後，情況又會怎樣？除了骨質疏鬆，微重力還會帶來其他的身體變化嗎？

楊利偉

生物體的結構與對重力的適應

重力其實並不是生命存在的必須因素。生命的基本特徵，像新陳代謝、遺傳物質的複製、細胞的分裂、對環境的應激性等，只要不存在過大的引力場，都可以進化出來。因此在尋找外星生物時，目標天體重力的大小並不是重要的考慮因素。但對於在特定重力環境下進化出來的生物而言，重力又是它們需要適應的環境因素之一，也是決定它們身體結構的因素之一。例如，地球的重力環境對生物體的尺度是一個限制因素，過大的動物，其肢體會承受不了自身的體重。如果它們生活在水裡，有浮力作用的幫助，則體積可以更大些。因此地球上最大型的動物，像鯨，就生活在水中；擱淺的鯨通常就是死於過大的體重造成的身體坍塌。如果較小的星球，比如月亮那麼大的星球，其他外界條件仍和地球相同的話，就有可能進化出更大體積的動物。

當重力環境或身體支撐結構發生改變時，生物體會自動調節自身的結構以適應這種變化。這種適應性如果通過達爾文式的進化方式，那就要經過幾代或更長的時間；也可能在很短的時間內產生身體結構的調整，就像楊利偉等航天員身上發生的骨鈣丟失——在失重狀態下，機體的各種重力負荷減輕，骨骼沒有必要像以前那樣堅硬，於是骨鈣流失。當然，機體的這種快速「適用」不是我們所希望的，因為航天員畢竟只在太空待很短的時間，隨後還要返回地面生活，這時骨折之類的危險就來了。

《地心引力》劇照 圖片來源：limburg

失重造成的體液重新分布及後果

除了帶來機體支撐結構的改變外，失去重力還會帶來其他很多變化。這些改變涉及到循環系統、免疫系統、神經系統……幾乎機體的每一個系統都會或多或少地受到影響，而這些影響主要和一種改變有關，就是體液分布的改變。我們知道，由於重力作用，身體的各種體液，包括血液、組織液等都傾向於滯留在身體下部。我們站立時，體液向下身和兩腳墜，躺著時流向後背和屁股，趴著時流向肚子……由於靜水壓的關係，我們身體不同部位的血壓是不一樣的：腳部的血壓高，頭部的血壓低。我們所確定的「正常的」血壓值其實是與心臟位置水平的上臂的血壓，這是為了測量方便而設計的。身體本身也有自己的一套血壓監測裝置，隨時測量血壓，然後採取措施使血壓回歸正常。這個測量點不在上臂，而是位於人脖子處的頸動脈竇。人體對身體別的地方血壓的高低不會特別在意，只有流向腦袋的血壓才是需要控制的，那是為了保證腦子供血的精確度。所以身體檢測血壓的位置設在流向腦的入口處：脖子。有些人從坐或卧位突然站起會導致眩暈，稱之為體位性低血壓。這其實並不一定是我們平時測量的血壓真低了，而是突然站立導致血液流向下身而致腦部缺血造成的，可以通過刺激「頸動脈竇」反饋性地讓血壓上升。

現在回到微重力的話題。當重力消失或大幅度下降時，包括血液在內的體液不再傾向於流向下身，而是較均勻地分布在軀體各處，甚至反過來，較多地分布在身體上部。這是因為身體上部長期處於低血壓環境下，血管壁和軟組織已經變薄弱了。在同樣的壓力下會存留更多的液體。這時問題就來了：長期生活在地面的人體各個部位已經適應了各自的血壓環境，比如腳部和腿部適應了較高的血壓，只有在這個血壓下它們才能攝取足夠的營養；而面部則適應了較低的血壓和體液壓力，過高的體液壓力反倒會出問題。體液分布一旦發生改變，身體的各個部分得到的營養物質量隨即發生改變，各種感受器和調控器官所接收的壓力和營養信號與以前不同，它們發出的指令也跟著變化——這些都會導致一系列身體機能的改變。試舉幾例：

（一）下肢血流不足導致下肢萎縮。剛才提到身體重力負荷的減輕會導致骨骼和肌肉棄用性退化，表現為骨質疏鬆、肌肉萎縮。而體液分布的改變則對這種效應會產生疊加的影響，下肢的骨質疏鬆和肌肉萎縮比上肢更明顯，而頭部的骨頭不但不發生疏鬆，其骨密度反而會增加，這是體液和血液更多流向頭部的結果。

（二）面部腫脹和頭疼。體液過多地流向了面部，使得宇航員們的面部不再那麼俊朗、稜角分明，而是腫脹變形，彷彿換了一張臉。面部變醜還是小事，腦殼內體液一旦增多就更麻煩了。因為腦的容量是被顱骨固定住的，不能任意擴大。體液的湧入導致顱內壓增高，人會感到頭疼，腦功能也會損害。

（三）排尿增加，體液減少。這也是體液過多流向腦部的後果。別忘了，身體感受體液總量的感受器就設在腦部。一旦體液在腦部聚集，被下丘腦感受到的。它誤以為體液過多了，就會抑制一種叫做抗利尿激素的化學物質的分泌。顧名思義，這種激素是用來抑制排尿的，一旦分泌減少，尿液就會變多；體液排出過多，體重就會減輕。此外，排出的體液帶走了電解質所造成的紊亂也會損害健康。

（四）出現錯覺。下肢壓力感受的下降，上身壓力感受的上升，會使人對自身體位狀態的感受發生錯誤。鬧不清哪邊是上，哪邊是下，出現定向錯覺、本體性感覺錯覺和視覺錯覺等。比如會感到頭向下翻轉，周圍物體移位或傾斜等等。這些錯覺與內耳中的前庭和半規管的信號輸入錯誤也有關係。

失重對身體的其他效應

體液分布的改變以及身體神經體液調節產生的次級改變，對身體不同的器官都會產生或大或小的影響。除了上面提到的外，還可能出現消化系統的改變、味覺嗅覺的改變及所導致的食慾的改變、心血管系統的改變、免疫功能下降，等等，這些改變涉及到更加複雜的生理機制。

有些失調，與身體還沒有學會如何在這種微重力環境下協調不同的組織器官活動有關。例如在太空中或月球上的人運動協調能力降低。本來只需要很小的肌肉力量即可完成一個動作，常常會用力過度。有時會產生危險，比如自己的肌肉會把自己的已經脆弱的骨頭拽折了。不過，作為對太空微重力環境適應的一部分，與骨質疏鬆發生的同時，肌肉也在不斷萎縮，說明身體已經不需要那麼多肌肉了。但這種適用需要一定時間才能完成，長期在軌飛行的人的各個組織器官會對微重力環境會做出較好的調整。微重力產生的種種不良反應主要是在適應期發生的。

生物體身上有重力感受器嗎？

這是一個有爭議的話題。有時候要看你怎樣定義重力感受器這個詞。一般講，機體的某種感受器都是針對某種變化的環境刺激而存在的，如視覺感受器、聽覺感受器等等。對於一直在地表生活的地球生物來說，重力始終存在且維持不變，似乎沒有必要專門設置一種感受器或者一類重力感受分子，但是在運動中的生物體確實通過重力大小和方向的變化來調整自己的身體姿態，內耳中的前庭和半規管就起這樣的作用。此外還有各種捕捉機械力改變的感受裝置，儘管它們並不是專門為感受重力而設計的。比如，骨頭存在對牽拉的感受裝置，對某根骨頭的反覆牽拽會刺激骨鈣沉著和骨密度的增加；血管上的壓力感受器會響應血壓，通過神經和體液的調節，反饋地調節血管的緊張度等。這些過程肯定涉及到某些基因的表達和特定蛋白質的合成。

機體主要成分是細胞，而細胞之間常藉助細胞外的蛋白質彼此粘在一起，構成完整的組織或器官。在細胞內部則存在各種蛋白纖維構成的細胞骨架，支撐起細胞的一定形態和結構。當你牽拉某一個組織和器官，或給予它們一定的壓力時，這種拉力或壓力會藉助細胞之間的粘連傳遞到單個細胞，使得細胞骨架感受到這種機械力。現在已知細胞骨架是細胞內信號傳導的高速通路，細胞骨架的變化產生的信號有可能傳入細胞核，導致某些基因的表達和蛋白質的合成，進而造成組織和器官功能的改變。這也許就是機體對外界重力改變做出反應的方式之一。

重力對生物體的效應與生物體的體積大小有關，生物越小，重力環境的改變對其生存質量的影響越小。像細菌這類單細胞生物對重力就很不敏感，因為它們不存在細胞和細胞之間的強力牽拉或擠壓。 對於亞細胞結構或生物大分子來說，重力更是可有可無的東西。生物化學的各種反應並不涉及到重力的因素，主要是電磁力在起作用。電磁力才是生命運行所涉及的基本的力的形式。只有生物體大到了一定程度，重力，或者說引力才會在其中起到一定作用。

人類未來的太空之旅和移民

1911年，俄羅斯宇航學家齊奧爾科夫斯基寫下了名言：「地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃里。它首先小心地探索大氣層的邊緣，然後將把控制和干預能力擴展到整個太陽系。」自從火箭技術發展之後，人類對太空的探索不斷深入，地球上人口的爆炸和資源的耗竭增加了人類向太空探索和移民的必要性和步伐。

事實證明。在地球表面進化出的人體結構對不同的重力具有相當的適應範圍，尤其是對重力減輕的適應。人類在失重的環境中可以長期存活，如果移民到月球、火星等只是重力低於地球的天體時，日子比在空間站還要好過些。人類對於超重的適應性要差些，超重三倍時（3G）身體就很不舒服了。一般人不能承受7~8G以上的超重，即使是經過訓練的宇航員也不能長期承受超重。因此，如果將來人類找到一個可能移民的岩石行星，還要考慮星球的大小。太大的星球產生過強的重力，會把人類的胸腔、腹腔壓垮的。即便不致如此，整天拖著像灌了鉛的腿走路也形同惡夢，除非人類已進化出更強健的骨骼和肌肉。

人體可以通過調整自身結構和功能適應一定範圍的重力環境。在進入太空後，通過一定時間，逐漸適應微重力環境，但宇航員返回地表時又產生麻煩——還得重新適應回來——骨質重新沉著鈣質，肌力再次增加，身體血容量開始恢復等等。為了避免這種對太空和地面不同重力環境的反覆適應，最好主動出擊，盡量減少微重力對機體的影響。比如在飛船中通過拉力器、自行車、跑台等進行體育鍛煉，防止骨丟失；利用下肢負壓裝置將體液「吸」回下肢，改變體液分布；進行肌肉電刺激防治肌肉萎縮等。

在將來漫長的宇宙航行中還可以通過離心作用在航天器中模擬出人工重力來。所謂人工重力是在太空飛行過程中將航天器按一定的速度進行旋轉，所產生的離心力可在一定程度上模擬重力。當然，這應該是一個直徑很大的航天器，使人感覺不出在旋轉。美俄等國都曾經使用動物進行過太空人工重力的研究，取得了一些結果。結果初步證明慢旋轉形成的人工重力，對生物體克服失重的機體損傷具有積極的作用。其副作用是有可能造成運動和協調功能障礙，但可隨旋轉半徑的增加而改善。實際上，在空間站的生物學實驗室中就使用離心機來模擬正常重力和超重。將小型動物（如小鼠）或細胞放入離心機中飼養或培養，以研究不同重力環境對機體和細胞的影響。如果將來製造出針對人類的人工重力裝置，人們太空旅遊時就可以乘坐旋轉飛船遨遊太空，在一定程度上保持地面已經習慣了的重力，不至於讓微重力效應使自己的太空旅行變得不爽。如果要定居在某星球，也許事先要找一個重力健康專家，制定一個重力調整方案……人類在地球上發展出高度的文明和科學技術後，進入宇宙其他地方几乎是將來必然的選擇。人類的太空探險是自哥倫布時代的航海大發現之後，又一次人類生存環境的大開發。等待的時間不會很長，也許到我們的子孫，或者子孫的子孫時，人類已經在外星建立了新的殖民地。

（作者：老談談，北京理工大學教授）

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