長期遠程空間探索要解決的難題

魏金河

從前面的敘述中可以看出，要實現(xiàn)長期遠程的空間探索，在技術上和科學上都存在著必須解決的難題。在技術上，一個基本難題就要研制出個再生循環(huán)式生命保障系統(tǒng)，解決氧氣、水和食物供應問題。在目前正在研制的國際空間站中，所用的生命保障系統(tǒng)也只能部分地實現(xiàn)水的再生，絕大部分資源仍需地面定期補給。這種狀況對于近地軌道飛行還是可行的，但要建立月球基地或飛往火星（往返需2年左右）就難以維系了。解決這一問題，雖然不存在重大的理論問題，但要在有限的能源、體積和重量條件下，將微生物、動植物與物理化學系統(tǒng)組成一個穩(wěn)定高效的生態(tài)生命保障系統(tǒng)也絕非易事。目前，美、俄、歐、日都在開展這方面的研究，但離實際應用還相距甚遠。一旦有所突破，必將有助于人類擴大自己的活動范圍，而且，在軍事上（如核潛艇）也有重要的應用價值。

限于篇幅，下面將重點討論人在地球外長期生存所需解決的一個科學難題。這就是重力在人的遺傳基因的形成及其表達過程中究竟起多大作用？

問題的提出。從表面看，從空間返回地面的航天員，經(jīng)過一定的休養(yǎng)，其生理系統(tǒng)均可完成對地球1g重力環(huán)境的再適應。再適應的速度大體上仍與上述的三個層次一致但稍快于對微重力的適應過程。也就是說，空間飛行似乎對人體沒有什么不可恢復的影響，但迄今為止的飛行時間只是人的生命周期的幾百分之一到幾千分之一。從長期空間探索的角度考慮，如下兩個現(xiàn)象就不能不引起注意了。

空間飛行中人體的反應變化與老化癥狀相似

前已述及人體在空間飛行中的一些主要變化，其中骨鈣丟失，肌肉萎縮、紅細胞生成速度下降、心肌收縮力變?nèi)跫懊庖吖δ芟陆档龋c人體的老化特征相似。因此，不能不產(chǎn)生如下的疑慮：這些現(xiàn)象只是表面與老化癥狀相似呢，還是空間飛行真的加速了老化過程？如果飛行更長的時間，這些老化現(xiàn)象還會是可逆的嗎？這些疑慮已引起國際航天醫(yī)學界的嚴重關切。

在空間發(fā)育的昆蟲的生命周期變短

我國航天醫(yī)學工作者史之禎等在生物艙衛(wèi)星搭載實驗中發(fā)現(xiàn)，空間飛行的家蠶卵比地面對照組提前2天孵化，其后的發(fā)育過程亦變短，整個生命周期比地面對照組縮短6%。這一現(xiàn)象在后來與俄羅斯合作的生物衛(wèi)星實驗中得到證實。由此，人們自然地會聯(lián)想到：如果人在空間完成一個生命周期或完成發(fā)育的關鍵階段會不會出現(xiàn)類似的情況呢？

問題分析。對宇宙空間進行探索雖然不可避免地要付出代價，但采取必要措施保障航天員的安全和健康不僅是完成航天任務的首要條件，也是航天科技工作者特別是航天醫(yī)學界的責任。在未來的長期遠程航天中，航天員可能在空間生活、工作幾年或更長的時間，因此，上面提出的問題就顯得非常重要。下面將簡要地分析上述現(xiàn)象的實質(zhì)。

人在空間飛行中出現(xiàn)的類似老化的癥狀和家蠶生命周期縮短的現(xiàn)象都提示空間飛行改變了生物機體發(fā)育的進程。那么，在空間飛行環(huán)境因素中是哪一個主導了這種變化呢？人體中出現(xiàn)的骨鈣丟失、肌萎縮、心肌收縮力下降顯然與失重因素有關，免疫功能的下降還包含心理應激的影響。在對飛行家蠶的研究中，如果說其變異率的顯著提高可能主要是電離輻射因素所致，其生命周期的變化則很可能源于微重力的作用，其證據(jù)之一是空間飛行的800多個蠶卵的孵化提前是同時發(fā)生的。而且，近年來在空間及地面模擬失重條件下培養(yǎng)的心肌細胞、骨細胞等均發(fā)生退化性的組織和功能變化。因此，可以有把握地說，是重力的變化導致了生物機體發(fā)育進程的變化。

問題是，重力因素作用在機體發(fā)育過程的什么環(huán)節(jié)，是遺傳基因中包含了重力困素呢，還是基因表達過程的某一環(huán)節(jié)對重力敏感呢？這正是我們需要解決的難題。從上述現(xiàn)象看，后一種可能性要大一些，細胞培養(yǎng)的結果是一個有力的證據(jù)，當然前一可能性也不能排除。

至于如何理解重力因素對機體發(fā)育過程的作用，目前只能提出一些初步的假想。生命過程可以看作是復雜的動力學過程，這個過程的程序是受遺傳基因控制的，但基因的形成和在整個生命周期中的基因表達都包含著或經(jīng)受著外界環(huán)境因素的影響。內(nèi)因是依據(jù)，外因是條件。實際上，內(nèi)因的形成中亦融合有外部的因素。在地球表面上形成的物種，由于球1g重力的持續(xù)存在，在其遺傳信息及其表達過程中就很難避免重力的影響。生命過程運轉(zhuǎn)的關鍵環(huán)節(jié)就是各種具有調(diào)控作用的蛋白分子的合成。DNA與RNA、核酸分子與蛋白質(zhì)分子或多肽分子的相互作用，不僅取決于這些大分子的結構順序（如蛋白質(zhì)中各種氨基酸的順序），還更大程度地取決于它們之間空間構型的巧妙匹配。由于在這些大分子的結構中普遍存在著不對稱和重量分布的不均勻性，重力的持久性變化就有可能影響到大分子的空間構型，特別是那些含有金屬原子的大分子。

因此，似乎可以假定，空間飛行中重力變化的因素對生物機體的影響的基礎可能是重力變化對生物大分子及細胞內(nèi)超微結構的直接作用，其效應是深刻的，有可能涉及遺傳信息的表達，從而影響到機體的發(fā)育進程。