空间环境生物学

空间环境生物学（ space environmental biology ），研究宇宙空间环境中各种因素影响生物体功能的一般规律性的学科。重力生物学和地外生物学等已从空间环境生物学中分化出去，成为独立的分支学科。空间环境生物学的主要内容包括宇宙辐射生物效应、高（低）温生物效应、真空生物效应、应激、复合效应等。

宇宙辐射生物效应

在宇宙空间主要有两种辐射，即粒子辐射和太阳电磁辐射。通常又将辐射粒子分成轻核和重核。轻核包括氢原子核（质子）和氦原子核(α粒子)，重核指原子序数大于2的元素的原子核。银河宇宙线和太阳宇宙线中的粒子，大部分属于轻核，重核的数量较少。重核对生物体的损害极大，可使生物体产生不可逆的病变，因此，重粒子的生物效应成为宇宙辐射生物学研究的重点。宇宙辐射生物效应的大小与传能线密度（LET:指粒子在单位长度径迹上所消耗的平均能量，单位是千电子伏／微米）值密切相关，一般说，传能线密度值越大，生物效应也越大。根据细胞学的研究，重粒子所产生的生物效应不仅比轻核大，而且对生物组织的损害在性质上也不同。当宇宙线照射剂量足够大时，氦粒子主要影响增生迅速的组织，如骨髓、上皮组织和生殖器官组织等，但受影响的组织有时还能维持其功能；而重粒子对于非增生性组织，即使是极低的剂量也可产生特殊的生物效应。重粒子生物效应的显著特点是，当它击中细胞的适当部位，其能量并非均匀地分布于被作用的微细结构，而是更多地作用于组织深部，并集中于其所经过的径迹。正因为如此，所以它的危害程度很大。

对于像组织培养中神经元这类不分裂细胞，重粒子可使其结构和生物合成功能产生不可逆变化。因为核膜同核酸的分布及其生化功能密切相关，重粒子辐射可导致核膜结构和核酸的破坏。

单一的加速重粒子和初级宇宙线粒子，都能引起眼睛的闪光感、视网膜病变、毛发变色和植物的生长异常。这类粒子辐射，还容易诱发生物肿瘤，若照射白鼠大脑，可缩短白鼠寿命，照射肝脏和角膜，会产生异常的有丝分裂和染色体畸变。美国“生物卫星”2号的实验发现，经照射后的果蝇，生殖细胞内有大量染色体断裂。在美国、苏联载人飞船和其他生物卫星上的实验结果，跟地面上的对照实验相比，有些生物会出现大量的染色体畸变，显性和退行性突变，以及异常的有丝分裂。当然在空间飞行中，引起这些变化的因素很多，到底宇宙辐射在其中起多大作用，有待进一步研究。

在太阳辐射中，还要考虑到紫外线和红外线的作用。波长为250～320纳米的紫外线，可以使人体皮肤产生红斑，称为红斑区域；波长为220～280纳米的有杀菌作用，称为杀菌区域；波长为280～320纳米的部分还有致癌作用。紫外线对生物体的危害作用，主要由于机体细胞内的核酸、蛋白质或其他分子吸收了紫外线的能量，致使蛋白质结构发生光化学变性和凝结，从而导致细胞功能改变、突变、死亡或其他反应。许多蛋白质对紫外线都很敏感，其中核蛋白对波长为265纳米的紫外线最敏感，胞浆蛋白对波长为280纳米的紫外线最敏感，人眼的角膜则对波长为288纳米的紫外线最敏感。红外线的波长从750～1×106纳米。在近地空间，太阳是主要的红外辐射源。红外线的损伤作用主要是热。组织损伤的程度取决于红外线的波长，组织的导热和散热情况，吸收能量的多少，以及能量作用的时间长短等。由于红外线光子能量太低，不能改变原子内电子的能量水平，因此，在生物系统中不产生光化学反应。

高、低温生物效应

简单生物对高、低温的反应的一般特点是：①在一次相对高的温度作用后微生物仍能生长，但重复多次相同的高温作用，会引起微生物的死亡；②温度很低能够抑制微生物的繁殖，但如结合细胞脱水，则可延长其生存；③温度缓慢下降时，某些细菌会在－5℃下生长，如快速从30℃下降至0℃，则会引起一些细菌的死亡；④低温下细胞干燥，不会使整个细胞群完全死亡，其死亡率随细胞种类不同而不同；⑤微生物因温度变化引起周期性发展的复苏状态，对其随后的代谢能力、生长以及繁殖没有影响。

除以上一般反应外，低温(－75～－273℃)有以下特殊生物效应：①不少细菌、酵母菌、霉菌、藻类、原虫、蠕虫、昆虫和人类的精子，以及部分高等植物的种子，能够经受－190℃低温的作用；②一些细菌在接近绝对零度(－273℃)的条件下，仍能生存，显示它们对极端温度环境的特别稳定性；③地球上的微生物在很低温度的宇宙空间或行星上没有死亡的事实表明，宇宙间的低温没有杀菌作用；④企鹅和北极熊等动物所以能在－20～－50℃的环境中生活，是因为这些恒温动物即使在上述环境中仍能产生大量热量，保持其生长和繁殖等生理功能的正常进行。

高温也有其特殊生物效应。生物对高温的耐受力差异很大。生活在南极地带2℃水中的鱼，会在6℃水中死亡；大多数无芽胞的细菌将在60℃条件下10分钟内失去生命力，而带有芽胞的细菌在干燥消毒时，通常在150～160℃下尚能承受30分钟，在120℃下高压消毒1小时便会死亡。一般来说，温度愈高，细胞死亡愈快；细胞所含水分愈少或愈能经受干燥的不良条件，则愈能耐受高温。微生物对高温的抵抗力受许多因素的影响。这些因素包括：细胞总数、细胞发育阶段、培养基成分、细胞含水量及静水压等等。低温和高温的上述效应对行星的检疫、飞船的消毒均具有一定的指导意义。

载人飞船由地面起飞，进入轨道运行，到最后返回地面，经历不同的温度环境。在发射段和返回段，飞船外壳受到气动力加热，可达数千度，舱内温度也相应升高。当飞船进入轨道后，处于真空环境，周围温度相当于4K，飞船外壳向空间辐射散热，温度逐渐下降。此时存在着太阳辐射、地球对太阳的反照和地球本身的红外辐射，这些都给飞船加热，其中起决定作用的为太阳辐射。此外，舱内人员的代谢产热，以及仪表设备的散热，都会影响飞船座舱温度。人体通常感到舒适的温度为16.6～24℃，当环境温度变化在9.5～36℃的情况下，依靠调节机制，仍能保持体温正常。人体对高温的耐受时间，取决于暴露的温度强度、着装条件以及身体活动程度。由于生理耐受限度和身体积热程度密切相关，实验表明，达到耐受限度的热蓄积值为84卡／米2，因此，耐受的时间将随积热速率而改变。当气温极高或出现辐射热情况时，人体可直接因皮肤疼痛而不能耐受。出现疼痛时的皮肤温度约为45℃。一般认为，人体对低温的耐力要比对高温的强。当直肠温度偏低于正常值10℃(即下降至27℃)时，人们尚能生存，而当偏高于正常值5℃(即上升至42℃)时，往往会引起死亡。人们虽然具有维持内环境稳定的调节机制，但对极端温度的耐受仍有一定限度。为了保证航天员的正常生活和有效工作，必须从医学工程角度，对座舱环境和个体装备实施温度控制。

真空生物效应

真空环境中缺少生物生长必需的氧气和一定的大气压力。宇宙空间的真空度可达10-16mmHg，这对于嫌气性微生物可能不会造成生命威胁，但对于非嫌气性微生物和植物，都会造成生命威胁。

微生物对真空具有很强的适应性，特别是那些有芽胞的细菌和霉菌的适应性最强，不带芽胞的微生物的适应性较弱。黑曲霉、黄曲霉、枯草菌和蕈状杆菌暴露在1×10^-5～5×10^-7mmHg的真空环境中，持续32天仍能存活。枯草菌和烟曲霉甚至在10-9mmHg的真空环境中持续5天仍能生存。此外，根据细胞学研究发现，当大气压降到1mmHg时，大肠杆菌的细胞分裂才开始受到抑制。这表明，细胞核的内部结构以及组织化学反应，对低压保持良好的稳定性。

真空对动物能产生显著效应。在距地球15.3公里高度上（航空医学上称为第一宇宙高度）由于肺泡里气体压力同外界大气压力相等（同为87mmHg），动物如突然暴露在该高度上，可立即引起爆发性缺氧。首先是对缺氧最敏感的脑功能陷入紊乱状态，高等动物经过10余秒钟便丧失有效意识。随后是对缺氧敏感的心脏和眼也陷入功能紊乱。紧接着生命迅速陷入危险。这种有效意识丧失的时间，即使在真空环境也不再缩短。在距地球19.3公里高度（航空医学称为第二宇宙高度）时，外界气压降低到47mmHg，等于37℃体液的饱和蒸汽压，暴露在此高度上的动物的体液便转化成气体而形成气泡，即所谓体液沸腾。实验表明，突然减压到3mmHg的近似真空环境后，仅仅经过1秒钟，被实验动物心脏中已可发现有小气泡，随着时间的延长，小气泡聚集形成“气泡血流”。与此同时，体内残余气体膨胀，引起肺气胀性损伤。大量水气蒸发，在肺脏形成蒸汽胞，在皮下组织形成组织气肿，使躯干容积增大，四肢僵直。当体液（包括血液等）出现大量气泡时，可形成血液循环的机械性阻塞，加速组织细胞的破坏。此时常见严重的心律紊乱，由单一的期外收缩，一直发展到危险的心室自搏或颤动，呈现停搏前的心脏活动，加速动物的死亡。但实验中发现，狗在减压到2mmHg的近似真空环境后，暴露时间不超过90秒钟时，虽然意识丧失，呼吸、循环活动异常，但如恢复到常压，经10～15分钟后，仍可恢复常态。当暴露时间延长到120秒钟以上时，由于脑、心脏等重要器官的损伤，死亡率明显增加。上述资料表明，地球上动物暴露在宇宙真空环境中是不能生存的。

应激

应激是生物体在异常环境条件下产生的一种功能动员状态。应激效应在高等动物体上表现出典型的征候群，包括肾上腺糖皮质激素分泌增多，血糖含量增加，胸腺和淋巴结萎陷，免疫功能受到抑制，并出现胃肠粘膜充血以及溃疡等。征候群的出现，主要是由于下丘脑、垂体、肾上腺皮质系统控制的神经体液失调造成的。

近年来由于实现了载人航天，研究人体在长期航天条件下垂体、肾上腺皮质机能方面也取得一定成果。在“天空实验室”飞行中，航天员血浆皮质醇有增高现象。这是由于飞行精神紧张和体力负荷引起的反应。在血浆皮质醇含量增加时，醛固酮含量却有所降低，反映了糖和盐皮质激素比例失调。上述情况表明，在长期飞行中航天员的垂体肾上腺皮质系统功能已受到影响，在飞行后13天才逐步恢复。在更长期飞行时，这些变化是否能进一步发展，则有待于将来的研究。

复合效应

空间因素的复合效应，是指航天过程中各种因素共同作用于航天员或其他生物体而产生的效应。在实际航天中，一般不是单因素而是多因素共同作用的，如在飞船起飞阶段，可同时受到振动、噪声、次声、加速度和精神紧张等因素的综合作用。在飞船进入轨道后，可同时受到失重、狭小环境、特殊气体环境和电离辐射等因素的综合作用。

在地面实验中很难充分模拟复合因素的条件，大部分研究结果仅能说明一、二种因素的综合作用。复合因素的综合效应可以分为3种情况：

①叠加效应　如噪声和振动同时作用，噪声影响听力，振动引起脏器位移但并不加重听力损伤。此时，综合效应是脏器位移和听力损伤的简单叠加。其他如加速度和振动、振动和缺氧等也是简单的叠加效应。

②增强效应　如狭小环境所造成的活动减少，可以使横加速度耐力明显降低。属于此类的尚有缺氧和体力负荷，缺氧和寒冷，高氧和电离辐射，失重和电离辐射，加速度和高温，全身振动和高温，减压和体力负荷等。

③抵消效应　如长期航天由于活动减少可以使航天员心血管系统调节机能降低，但增强航天员的体力锻炼可以减轻心血管机能失调现象。属于此类的尚有吸入二氧化碳和缺氧，缺氧和电离辐射，局部振动和高温等。

研究复合因素的综合作用在于力求避免其消极影响而利用其积极作用，以提高航天员对复合因素的耐力。在载人航天初期，航天员的心血管系统机能失调现象比较明显。研究者曾担心这种现象会降低航天员的耐受力，限制飞行时间。经过几次轨道飞行的实践表明，影响航天员耐受力的因素除失重外，尚有很多因素。包括穿着航天服使航天员体力负荷增加，座舱狭小环境限制航天员活动，不合适的膳食和作息制度等。由于这些因素的综合作用，严重影响着航天员的持续飞行时间。在以后的航天中注意采取不穿着航天服，扩大座舱容积，合理调配膳食，改善作息制度并加强体育锻炼等一系列措施，虽然失重仍然存在，但由于减少或排除了其他因素的综合作用，所以便提高了航天员的耐受能力，使航天员持续飞行的时间可增长到7个月之久。

利用航天中复合因素的抵消效应，也能提高航天员的耐受力。在长期飞行中已普遍采取的体育锻炼，能改善活动减少引起的心血管机能的失调现象。在“天空实验室”飞行中体育锻炼量适当增大，则飞行后航天员心血管机能恢复正常所需的时间就可以缩短。