长期远程空间探索要解决的难题

魏金河

从前面的叙述中可以看出，要实现长期远程的空间探索，在技术上和科学上都存在着必须解决的难题。在技术上，一个基本难题就要研制出个再生循环式生命保障系统，解决氧气、水和食物供应问题。在目前正在研制的国际空间站中，所用的生命保障系统也只能部分地实现水的再生，绝大部分资源仍需地面定期补给。这种状况对于近地轨道飞行还是可行的，但要建立月球基地或飞往火星（往返需2年左右）就难以维系了。解决这一问题，虽然不存在重大的理论问题，但要在有限的能源、体积和重量条件下，将微生物、动植物与物理化学系统组成一个稳定高效的生态生命保障系统也绝非易事。目前，美、俄、欧、日都在开展这方面的研究，但离实际应用还相距甚远。一旦有所突破，必将有助于人类扩大自己的活动范围，而且，在军事上（如核潜艇）也有重要的应用价值。

限于篇幅，下面将重点讨论人在地球外长期生存所需解决的一个科学难题。这就是重力在人的遗传基因的形成及其表达过程中究竟起多大作用？

问题的提出。从表面看，从空间返回地面的航天员，经过一定的休养，其生理系统均可完成对地球1g重力环境的再适应。再适应的速度大体上仍与上述的三个层次一致但稍快于对微重力的适应过程。也就是说，空间飞行似乎对人体没有什么不可恢复的影响，但迄今为止的飞行时间只是人的生命周期的几百分之一到几千分之一。从长期空间探索的角度考虑，如下两个现象就不能不引起注意了。

空间飞行中人体的反应变化与老化症状相似

前已述及人体在空间飞行中的一些主要变化，其中骨钙丢失，肌肉萎缩、红细胞生成速度下降、心肌收缩力变弱及免疫功能下降等，均与人体的老化特征相似。因此，不能不产生如下的疑虑：这些现象只是表面与老化症状相似呢，还是空间飞行真的加速了老化过程？如果飞行更长的时间，这些老化现象还会是可逆的吗？这些疑虑已引起国际航天医学界的严重关切。

在空间发育的昆虫的生命周期变短

我国航天医学工作者史之祯等在生物舱卫星搭载实验中发现，空间飞行的家蚕卵比地面对照组提前2天孵化，其后的发育过程亦变短，整个生命周期比地面对照组缩短6%。这一现象在后来与俄罗斯合作的生物卫星实验中得到证实。由此，人们自然地会联想到：如果人在空间完成一个生命周期或完成发育的关键阶段会不会出现类似的情况呢？

问题分析。对宇宙空间进行探索虽然不可避免地要付出代价，但采取必要措施保障航天员的安全和健康不仅是完成航天任务的首要条件，也是航天科技工作者特别是航天医学界的责任。在未来的长期远程航天中，航天员可能在空间生活、工作几年或更长的时间，因此，上面提出的问题就显得非常重要。下面将简要地分析上述现象的实质。

人在空间飞行中出现的类似老化的症状和家蚕生命周期缩短的现象都提示空间飞行改变了生物机体发育的进程。那么，在空间飞行环境因素中是哪一个主导了这种变化呢？人体中出现的骨钙丢失、肌萎缩、心肌收缩力下降显然与失重因素有关，免疫功能的下降还包含心理应激的影响。在对飞行家蚕的研究中，如果说其变异率的显著提高可能主要是电离辐射因素所致，其生命周期的变化则很可能源于微重力的作用，其证据之一是空间飞行的800多个蚕卵的孵化提前是同时发生的。而且，近年来在空间及地面模拟失重条件下培养的心肌细胞、骨细胞等均发生退化性的组织和功能变化。因此，可以有把握地说，是重力的变化导致了生物机体发育进程的变化。

问题是，重力因素作用在机体发育过程的什么环节，是遗传基因中包含了重力困素呢，还是基因表达过程的某一环节对重力敏感呢？这正是我们需要解决的难题。从上述现象看，后一种可能性要大一些，细胞培养的结果是一个有力的证据，当然前一可能性也不能排除。

至于如何理解重力因素对机体发育过程的作用，目前只能提出一些初步的假想。生命过程可以看作是复杂的动力学过程，这个过程的程序是受遗传基因控制的，但基因的形成和在整个生命周期中的基因表达都包含着或经受着外界环境因素的影响。内因是依据，外因是条件。实际上，内因的形成中亦融合有外部的因素。在地球表面上形成的物种，由于球1g重力的持续存在，在其遗传信息及其表达过程中就很难避免重力的影响。生命过程运转的关键环节就是各种具有调控作用的蛋白分子的合成。DNA与RNA、核酸分子与蛋白质分子或多肽分子的相互作用，不仅取决于这些大分子的结构顺序（如蛋白质中各种氨基酸的顺序），还更大程度地取决于它们之间空间构型的巧妙匹配。由于在这些大分子的结构中普遍存在着不对称和重量分布的不均匀性，重力的持久性变化就有可能影响到大分子的空间构型，特别是那些含有金属原子的大分子。

因此，似乎可以假定，空间飞行中重力变化的因素对生物机体的影响的基础可能是重力变化对生物大分子及细胞内超微结构的直接作用，其效应是深刻的，有可能涉及遗传信息的表达，从而影响到机体的发育进程。