蔡　翹

宇宙生態(tài)學(xué)、失重問題、宇宙電離輻射是航空—宇宙醫(yī)學(xué)共同問題以外的三個比較突出的宇宙醫(yī)學(xué)問題。

本期我們先介紹宇宙座艙生態(tài)學(xué)問題，其它兩個問題將在以后陸續(xù)發(fā)表。

宇宙航行這個名詞在近幾年來的報章、雜志和人們交談中已是一個相當(dāng)普通的用語了，而它實際所指的，都是現(xiàn)今已經(jīng)做到的圍繞地球的軌道飛行。但就宇宙航行廣義而言，它還應(yīng)包括星際航行，即太陽系以內(nèi)及以外各星體間的航行。

由于目前載人飛船圍繞地球飛行的高度比較低，所以有人認(rèn)為這只能稱之為太空飛行，不能視為真正的宇宙航行。然而從醫(yī)學(xué)觀點(diǎn)來看，在18－20公里以外的高空，大氣支持生命的條件已經(jīng)完全喪失，與太空(指大氣外層)及宇宙空間沒有什么基本差別，可以說是相當(dāng)于宇宙空間的醫(yī)學(xué)界線，而圍繞地球飛行與星際航行所遇到的物理環(huán)境也頗為相近，所以統(tǒng)稱為宇宙航行還是可以的。

人類在地球上之所以能夠生存，一方面是因為地球上有豐富的氧氣、食物及水，另一方面又因地球上空的大氣層能夠保護(hù)人類免受宇宙空間有害因素的侵襲。

人類食物的來源是動植物。植物的生長是依靠日光、二氧化碳及水，進(jìn)行光合作用，制造養(yǎng)料，動物則依賴植物養(yǎng)料以維持生存。人吃動植物，以便攝取其中養(yǎng)份，在體內(nèi)進(jìn)行氧化而產(chǎn)生能量，維持活動。人體借呼吸作用，不斷使空氣中氧氣進(jìn)入肺內(nèi)，從肺泡內(nèi)彌散到血液，再由血液循環(huán)運(yùn)輸?shù)饺怼?/p>

宇宙空間存在的許多有害因素，特別是宇宙線、短波紫外線(包括X射線)和太陽輻射熱等，要借大氣的吸收作用，使其不致落到地球表面，損害人體。

地球大氣層對人類生存起著這樣大的作用，那么人進(jìn)入沒有大氣或大氣極少的宇宙空間怎么能夠生存呢？唯一辦法是創(chuàng)造一個能滿足人的生存的人工環(huán)境。近代高空飛行飛機(jī)的密閉加壓座艙就是這樣的一個人工氣體環(huán)境，它解決了高空飛行的低壓和缺氧問題。但是要想從事長期的宇宙航行，還有很多困難必須克服。這一次我們先談宇宙座艙的生態(tài)學(xué)問題。

什么叫做宇宙座艙生態(tài)學(xué)

宇宙航行所需的時間是比較長的，不像飛機(jī)飛行那樣以小時計算，而是要以日計、周計、月計、甚至年計；例如往返月球一次最少要一周，往返火星一次最少要幾個月，往返太陽系遠(yuǎn)離地球的星體，那就要以年計了。由于長期航行，所以發(fā)生很多飛機(jī)飛行所沒有的生活問題，總稱為宇宙座艙生態(tài)學(xué)。宇宙座艙生態(tài)學(xué)的研究，首先是要解決人在宇宙中正常生活條件的問題，必須創(chuàng)造一個能夠維持人體生命活動的環(huán)境，而且還要使人在這樣的環(huán)境里過得舒服，生活得習(xí)慣。下面分別談一談這些方面的問題。

維持生命要什么條件

為了維持人類在宇宙航行中正常的工作效率和比較舒適的生活，宇宙座艙里的“氣候”條件應(yīng)當(dāng)滿足下列要求：氣壓最好與地面相同或相接近；氧氣分壓*最低不能低于150毫米汞柱，最高不得超過300毫米汞柱(過高將引起慢性中毒)；二氧化碳分壓*必須維持在4毫米汞柱以下；溫度維持在攝氏20度左右，不得低于攝氏12度，高于30度；相對濕度*維持在40－75%之間；空氣必須凈化，使之無臭無味。

要維持這樣的密閉座艙環(huán)境，如果一個人居住其中的話，每天就必須供應(yīng)900克的氧氣，2公斤的水，600克的干燥、精制食物，并且必須清除由身體排出的二氧化碳一公斤，水2公斤以及500克其他排泄物和大約2，500－3，000大卡的熱量(由一個人所散出的，機(jī)器及電子儀器的熱不計算在內(nèi))。按這樣的粗略計算，每天每人需要供應(yīng)的氧、水和食物，總重量約為3.5公斤。收集的廢物，可以采取在飛行過程中拋出艙外的辦法，但這要有一定的工程設(shè)備；或者也可以儲存在飛船里帶回地面；但在后一情況下，就不能減輕飛船的重量了；若將其中水份回收利用，那就還需要化學(xué)藥品和儀器設(shè)備。

解決氧氣供應(yīng)問題，在短期的、兩周以內(nèi)的宇宙航行可以采取攜帶式的供氧辦法，例如攜帶壓縮氧氣和液態(tài)氧。一公斤的壓縮氧氣需要10公斤的容器。而液態(tài)氧所需的容器重量及體積則比較小一些；供應(yīng)一公斤氧氣只要兩公斤總重量，但在高溫和失重條件下，從液態(tài)氧蒸發(fā)的氧氣較難控制，這是一個缺點(diǎn)。所以它們都不能用作長期宇宙航行唯一的氧氣來源。

二氧化碳和水的排除可以利用化學(xué)藥品作為吸收劑，例如用氫氧化鋰和石灰鈉吸收二氧化碳及水。但是它們需要占用相當(dāng)大的體積，因為氫氧化鋰只能在頭四個鐘頭完全吸收二氧化碳，而且在生成碳酸過程中又不能把所有的水份保留??；開始的時候水份吸收比較快，以后就越來越慢。石灰鈉吸收二氧化碳及水的能力不如氫氧化鋰?？傊暨x吸收劑并將其配制合宜，仍然是宇宙座艙衛(wèi)生工程中尚未完全解決的問題。

上面講的方法是將供氧和排除二氧化碳分別獨(dú)立處理，現(xiàn)在已經(jīng)有很多聯(lián)合產(chǎn)氧和消除二氧化碳的化學(xué)方法及物理方法，但是要真正應(yīng)用到宇宙航行中去，卻還有一些問題沒有完全解決。

例如，用堿土金屬過氧化物來產(chǎn)生氧氣并吸收二氧化碳及水，它們簡單的化學(xué)反應(yīng)式如下：

2KO₂＋H₂O→2KOH＋3/2O₂

2KO₂＋CO₂→K₂CO₃＋3/2O₂

在下面的反應(yīng)中有更多的二氧化碳和水被吸收：

2KOH＋CO₂→K₂CO₃＋H₂O

KOH＋CO₂→KHCO₃

K₂CO₃＋H₂O＋CO₂→2KHCO₃

每3公斤的過氧化鉀可以產(chǎn)生1公斤的氧和吸收定量的二氧化碳及水。

現(xiàn)在，攜帶現(xiàn)成純氧和化學(xué)產(chǎn)氧聯(lián)合使用的辦法，已為蘇、美的衛(wèi)星式飛船所采用了。

另外，用物理方法，例如水的電解，也可以產(chǎn)生氧氣：

不過，這種方法需要較大的電力，并須預(yù)防氫的爆炸。因此有人建議，把水解產(chǎn)生出來的氫與由人體排出的二氧化碳合成水，其反應(yīng)式如下：

4H₂O→4H₂＋2O₂

CO₂＋4H₂→2H₂O＋CH₄

上面反應(yīng)只合成一半的水，同時產(chǎn)生可作燃料的甲烷。

供氧系統(tǒng)示意圖

再循環(huán)系統(tǒng)示意圖

也就是說，無論在采用上述那一種方法時，都必須考慮到人的呼吸商等于0.82－0.85這樣一個條件。在人體內(nèi)每個分子的氧，會產(chǎn)生0.85個分子的二氧化碳，可是，過氧化鉀產(chǎn)氧及吸收二氧化碳的比例只是1比0.67；而利用水的電解產(chǎn)氧及二氧化碳加氫合成水來吸收二氧化碳的方法，產(chǎn)氧和吸收二氧化碳的比例只有1比0.25。因此，用這兩種方法都不能全部吸收掉人體排出的二氧化碳和水份，必須另外加用二氧化碳及水的吸收劑來補(bǔ)充。在工程方面，則要考慮設(shè)備的重量及體積的問題。

除此以外，還有人建議用生物再循環(huán)的方式以解決宇宙航行供氧及排除二氧化碳問題。我們知道，植物利用動物代謝所產(chǎn)生的水及二氧化碳，可以進(jìn)行光合作用，制造碳水化合物及氧。它的反應(yīng)式是：

6CO₂＋6H₂O＋光能→C₆H₁₂O₆＋6O₂反應(yīng)中產(chǎn)生出來多余的氧，釋放到空氣中，供動物呼吸之用；產(chǎn)生的養(yǎng)料則供動物食用，而動物的排泄物則又可作為植物肥料。從理論上講，這種生物再循環(huán)的自然現(xiàn)象已在地球上存在著億萬年，如果能用人工方法制造這種再循環(huán)，并推行到宇宙座艙里去，那就不愁航行時間之長久了。有的學(xué)者利用生長很快的綠藻(小球藻)在飼養(yǎng)有小動物的密閉小室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，綠藻吸收動物排出的二氧化碳，進(jìn)行光合作用，而動物(小白鼠)則吸收綠藻放出的氧氣。按照實驗結(jié)果推算，一人一天只要1.3公斤的綠藻就可獲得所必須的氧和清除所呼出的二氧化碳。但是，培養(yǎng)這樣多的綠藻需要相當(dāng)大量的光能，光源剩余的熱及同時積放的CO(有毒)又必須予以清除，而且綠藻代謝的商數(shù)又不完全符合人的呼吸商，所以必須予以不斷的調(diào)整。這一切都需要大量的機(jī)械設(shè)備。醫(yī)學(xué)工程進(jìn)一步的研究指出。從重量及體積考慮，兩叁個月的宇宙航行用這個方法是不合算的。

至于用綠藻作為食物，問題更多。雖然綠藻含有近50%的蛋白質(zhì)，脂肪及維生素等也不缺乏，然而用它作為長期食用，人是否能吃得下，是否應(yīng)該加工、精制和如何補(bǔ)充其他食物等等，都是有待研究解決的問題。有的生物學(xué)家建議，用一部份綠藻飼養(yǎng)小動物(如水蠶，又名小蝦子，以綠藻為食物，生長很快)，小動物再供食用。這不過是一種想法，將來在宇宙站或其他星體或者還可以試行，但在眼前空間有限的宇宙飛船，那就不適宜了。

凈化·溫度·壓力

現(xiàn)在談?wù)勗谟钪嬷芯S持人體生命活動的第二個重要問題，就是保證宇宙座艙的凈化和溫度、壓力的調(diào)節(jié)問題。

座艙凈化包括大小便及排泄的氣體(如氨，吲哚，甲烷，硫化氫等等由人體排出的氣體)的清除。這是衛(wèi)生工程問題，是完全可以解決的，只是解決的方法和所需的機(jī)器、藥品的重量和體積，需要從長考慮，仔細(xì)設(shè)計。由于它是屬于普通衛(wèi)生工程范疇，這里就不一一詳述了。

生理衛(wèi)生學(xué)對座艙溫度及壓力提出的要求，前面已經(jīng)提到了，不過從工程設(shè)計方面著想，我們總是希望要盡可能地把要求放低一些，以便減輕飛船負(fù)擔(dān)。但是，人類習(xí)慣于地球表面的氣候已有幾十萬年，能夠忍受的溫度、壓力僅限于一個相當(dāng)狹窄的范圍；鍛煉雖然能夠提高耐力，然而終究是很有限的。因此問題的解決，主要還要依靠工程設(shè)計。例如，人能忍受攝氏100度的高溫空氣最多不過15分鐘，70度不過30分鐘，60度不過40分鐘，45度不過1.5小時，而在飛船返回地球進(jìn)入大氣層時，船壁外殼表面溫度可達(dá)攝氏六、七百度，如不從工程上解決，飛船將會被燒毀，人在其中自然也不能幸存。除此以外，人體散出的熱，如不予以吸收或排去，在密閉的小座艙內(nèi)，不要很多時間也會使溫度上升。

座艙壓力的情況，也不允許有大幅度的變化。假如座艙因種種原因，失去密閉性而發(fā)生爆炸減壓*時，人能維持意識的時間不過十幾秒鐘。因此，座艙的氣密性必須絕對保證；萬一出了問題，也應(yīng)當(dāng)可以迅速修補(bǔ)恢復(fù)。當(dāng)然，宇宙航行員都穿有密閉服及戴有密閉頭盔。當(dāng)座艙壓力下降到某一限度時，服內(nèi)及盔內(nèi)就會自動充氣，使人體表面四周形成一個小型的密閉環(huán)境，從而可以進(jìn)行座艙的修補(bǔ)或地面降落，如果處在大氣低層，則還可以脫離破損的座艙，跳傘逃生。自然這只能作為一項不得已的救急措施，希望備而不用。

應(yīng)急救生

食物·水

不言自白，人在宇宙中還要得到食物及水的供應(yīng)。

到目前為止，還沒有什么好的方法可以在飛船上生產(chǎn)食物，因此食物必須由地面帶上去。一般地說，每人每天需要大約600克的干燥、精制食物，還必須飲用2－3公斤的水。為了長期飛行，僅氧、食物及水三項必須儲備的重量就相當(dāng)可觀，大約每人每月約要100公斤，還不包括容器及儲藏設(shè)備的重量。當(dāng)然，水可以由尿回收一部份，但需要設(shè)備及藥品，是否在重量及體積上合算，也仍然是必須考慮和研究的問題。從醫(yī)學(xué)觀點(diǎn)，更重要的是：應(yīng)該研究長期食用儲備的干糧，對人體健康以及精神方面有什么樣的影響，以及研究如何提高食品質(zhì)量，使其適合于長期宇宙航行的生理衛(wèi)生學(xué)要求。

生活安排·環(huán)境布置

上面談到了人在宇宙中維持生命活動的起碼條件，但是，人要在宇宙航行中正常工作，保持良好的工作效率和身心健康，還必須考慮到生活習(xí)慣問題，這就要求妥善地安排人在宇宙航行中的生活及環(huán)境。人類習(xí)慣于地球晝夜24小時的周期生活，一切生理及心理活動都已適應(yīng)了這種周期，因而也具有晝夜的周期。睡眠與工作是這種周期的典型例范，其他如體溫、呼吸、飲食等，也都是適應(yīng)了這種周期。在宇宙航行中，物理的晝夜周期起了巨大變化，如圍繞地球軌道飛行，繞一周只要一個多小時，其中一小半時間是受地球陰影所遮蓋，見不到太陽，相當(dāng)于在地球上的夜間；而在日間，天空也甚為黑暗，只見明亮亮的星星，所以情形與在地球上完全不同。在短期間內(nèi)維持地球的生活習(xí)慣，自然是可行的，但時間長了，是否應(yīng)該改變生活制度，以便更適合于宇宙環(huán)境，是一個需要研究的問題。

宇宙飛船內(nèi)的座艙空間不可能很寬敞，又處于失重狀態(tài)，如果各種裝置安排得不好，既容易引起工作的疲勞，又由于日日夜夜臥在床椅上，肌肉缺乏運(yùn)動與張力，免不了要逐漸萎縮，同時也可能會導(dǎo)致消化不良，心血管孱弱，平衡機(jī)能退化。為了克服這種可能發(fā)生的病理生理現(xiàn)象，有必要使宇宙航行員進(jìn)行一定的體力活動和遵守一定的作息制度。至于具體如何進(jìn)行，一方面在座艙設(shè)備上要有適當(dāng)?shù)陌才?，另一方面對預(yù)備(候補(bǔ))宇宙航行員要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)腻憻?，使其適應(yīng)于宇宙座艙的生活。

宇宙航行的環(huán)境是禁閉的，孤獨(dú)的、肅靜的，沒有社會活動的，除無線電通話外，幾乎生活在人間之外。航行初期航行員會有緊張情緒，而在一段時間之后，由于外界刺激減少，又可能易于嗜眠。這一切都要求宇宙航行員要具有穩(wěn)定的情緒，高超的性格，靈活的神經(jīng)，和英雄的氣魄。由此可見，選拔合格的宇宙航行員，并加以嚴(yán)格的政治訓(xùn)練、技術(shù)訓(xùn)練和體育訓(xùn)練是很重要的。

目前雖然已實現(xiàn)了人類飛出地球的愿望，但要作長期的宇宙航行，宇宙座艙生態(tài)學(xué)仍是一個重要而復(fù)雜的問題。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>