在美國(guó)航宇局制定的國(guó)際空間站太空飛行任務(wù)中,有一項(xiàng)是關(guān)于輻射與健康的項(xiàng)目(SRHP)。進(jìn)行這項(xiàng)研究的目的是為了保證人類在進(jìn)行太空探險(xiǎn)時(shí),所受到的輻射水平在人的耐受限度內(nèi)。
在20世紀(jì)的載人航天時(shí)期,人類的太空飛行還只限于近地軌道。由于地球磁場(chǎng)和濃密大氣層的保護(hù),來(lái)自外層的電離輻射對(duì)人體的影響很小。在過(guò)去40多年的載人航天期間,美國(guó)和俄羅斯航天局對(duì)空間輻射的研究都很重視。例如,他們?cè)诿看物w行中,都配備了輻射劑量監(jiān)測(cè)儀和個(gè)人輻射劑量測(cè)量?jī)x,測(cè)量飛行中座艙和航天員所接收的輻射劑量,并進(jìn)行空間輻射生物學(xué)的研究。目前,他們已經(jīng)積累了豐富的太空輻射劑量的資料及空間輻射生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些資料表明,在近地軌道飛行中,航天員所接收到的太空輻射劑量是在醫(yī)學(xué)規(guī)定的安全范圍內(nèi),對(duì)航天員的健康影響不大。例如,美國(guó)的“天空實(shí)驗(yàn)室”4號(hào)是迄今為止美國(guó)空間飛行接收的最高輻射劑量的一次飛行,它的平均日輻射劑量是0.86毫戈,90天飛行的總劑量是77.4毫戈。1989年俄羅斯“和平號(hào)”空間站在飛行期間,發(fā)生了多次太陽(yáng)質(zhì)子事件,輻射劑量監(jiān)測(cè)結(jié)果表明這些事件對(duì)艙內(nèi)影響并不很大,4次事件的總劑量?jī)H為35.5毫戈。上述輻射劑量值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)和俄羅斯規(guī)定的低軌道航天員輻照限值。因此,對(duì)于400千米高度的低軌道載人航天,可以說(shuō)太陽(yáng)質(zhì)子對(duì)座艙中的影響不大,航天員在低軌道飛行時(shí)是安全的。
21世紀(jì),載人航天吹響了向火星進(jìn)軍的號(hào)角。到火星或更遠(yuǎn)的星球去航行不像登月。登月時(shí)其軌道離地球近,盡管那里的地磁場(chǎng)較弱,大氣也較稀薄,但還是對(duì)輻射起到了一定的防護(hù)作用。而在更遠(yuǎn)的太空里,充滿了宇宙射線,由于失去了天然的防護(hù),輻射對(duì)人的影響會(huì)更嚴(yán)重。如果不加防護(hù)裝置,在太陽(yáng)的輻射下,航天員所受的輻射劑量可高達(dá)幾百拉德。美國(guó)航宇局已經(jīng)認(rèn)識(shí)到累積的輻射劑量“將有可能成為人類太空探險(xiǎn)中的最大限制因素。”對(duì)于長(zhǎng)期飛行和星際飛行來(lái)說(shuō),已經(jīng)公認(rèn)的影響人體健康最主要的因素是失重、輻射和心理。如果這三個(gè)問(wèn)題不能得到很好的解決,星際飛行是難以實(shí)現(xiàn)的。
人在進(jìn)行長(zhǎng)期和星際飛行時(shí),面臨的輻射危險(xiǎn)有兩種。一種是長(zhǎng)期、低劑量的銀河系宇宙射線(主要是質(zhì)子和重離子)對(duì)人體的損傷;另一種是有可能遇到偶發(fā)的、高劑量的太陽(yáng)高能粒子輻射。這兩種輻射可能引起組織的物理?yè)p傷(如引起皮膚、腸、骨髓及其他組織的急性損傷,引起白內(nèi)障)和殺死人體細(xì)胞或改變?nèi)梭w內(nèi)的DNA,降低人的免疫能力,增加癌癥的發(fā)病率和基因的破壞。
電離輻射作用于生物體,可以使生物體中的很多活性物質(zhì),特別是生物大分子受到損傷。電離輻射通過(guò)兩種途徑對(duì)生物活性物質(zhì)起作用:一是直接作用于生物活性物質(zhì)(如脫氧核糖核酸,即DNA),通過(guò)電離和激發(fā)使其受損;二是間接作用,即輻射與活性物質(zhì)中的其他分子或原子(特別是水分子)起作用,產(chǎn)生自由基,使活性物質(zhì)受損。
眾所周知,生命有機(jī)體的基本單元是細(xì)胞。在細(xì)胞內(nèi),DNA分子具備了細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞再生以及形成組織和器官結(jié)構(gòu)的信息。DNA由兩條螺旋狀排列的核苷酸鏈組成(如圖所示)。DNA鏈上具有一定功能的一段核苷酸序列稱為基因。由核苷酸序列構(gòu)成的遺傳信息作為密碼,指導(dǎo)細(xì)胞的核糖核酸(RNA)與蛋白質(zhì)的合成。
電離輻射直接影響DNA,導(dǎo)致DNA的單鏈突變、雙鏈突變,成群受損突變(DSB)和關(guān)聯(lián)根部受損。當(dāng)DNA發(fā)生單鏈突變時(shí),它還可以通過(guò)酶的作用,自行修復(fù)。如果發(fā)生了雙鏈突變,就很難正確地重建了,會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的修復(fù),結(jié)果導(dǎo)致基因的突變。當(dāng)輻射引起的DNA損傷伴有染色體數(shù)目或結(jié)構(gòu)改變時(shí),可以產(chǎn)生染色體畸變。上述變化可以引起兩種后果。一種是造成細(xì)胞死亡,特別是一些對(duì)輻射敏感的細(xì)胞(如精原細(xì)胞、卵母細(xì)胞和小淋巴腺),影響到生物體的繁殖能力;另一個(gè)后果是引起細(xì)胞變異,使細(xì)胞失去控制,異常增殖,正常細(xì)胞轉(zhuǎn)變成惡性細(xì)胞,最后形成癌癥。細(xì)胞變異如果發(fā)生在生殖細(xì)胞,就可以將它的錯(cuò)誤信息傳給后代,引起遺傳性疾病。輻射的間接作用是產(chǎn)生自由基。自由基缺少配對(duì)的電子,是一個(gè)十分活躍的物質(zhì)。它可以使生物體的DNA、RNA或蛋白質(zhì)大分子受到損傷。
目前人類的太空飛行尚處于近地軌道飛行,由于大氣層和地球磁場(chǎng)的保護(hù)作用,輻射對(duì)人體的影響尚小,失重對(duì)人體的影響要大一些。因此,在航天醫(yī)學(xué)研究中,重點(diǎn)在于觀察失重的影響及進(jìn)行失重防護(hù)措施的研究,而對(duì)于星際航行時(shí)可能遇到的輻射、其生物效應(yīng)和防護(hù)措施沒(méi)有進(jìn)行深入的研究。今后,在設(shè)計(jì)新的太空飛行器和進(jìn)行星際飛行前,必須對(duì)星際飛行的輻射生物響應(yīng)和防護(hù)措施進(jìn)行研究,估測(cè)發(fā)生極大耀斑的幾率,預(yù)測(cè)航天員暴露于輻射下的后果,并采取一些有效的防護(hù)措施。
空間電離輻射的能量很高。采用工程上的方法,完全屏蔽空間電離輻射是不可能的�？臻g輻射防護(hù)的目的是在可能的情況下,盡量降低航天員接收的輻射照射。為了防止空間輻射對(duì)航天員健康的影響,在以往的飛行中,普遍采用的方法是增加艙壁的厚度。艙壁厚度增加,可以降低艙內(nèi)的輻射劑量。例如,對(duì)于太陽(yáng)質(zhì)子事件來(lái)說(shuō),當(dāng)質(zhì)量屏蔽的厚度由2克/厘米2增加到10克/厘米2時(shí),造血器官所受到的輻射劑量減少5倍。但是,增加艙體質(zhì)量厚度的代價(jià)是十分高的。為了使宇宙輻射的劑量降低一半,需要100克/厘米2的厚度,在航天器上增加這么多的有效載荷是不可能的。因此,除了質(zhì)量屏蔽外,還要采取以下一些措施:(1)選擇合適的發(fā)射時(shí)間。在低地軌道飛行時(shí),發(fā)射時(shí)間的選擇不很重要,但在登月飛行或火星飛行時(shí),就需考慮太陽(yáng)質(zhì)子事件發(fā)生的概率,盡量選擇太陽(yáng)活動(dòng)低年時(shí)發(fā)射。(2)進(jìn)行飛行輻射危險(xiǎn)性分析。通過(guò)分析,提出是否需要進(jìn)行干預(yù)的意見,及提出干預(yù)措施及防護(hù)行動(dòng)的劑量水平。(3)飛行期間監(jiān)測(cè)軌道輻射環(huán)境和艙內(nèi)輻射環(huán)境的輻射劑量,及時(shí)向航天員和地面指揮中心提供軌道輻射環(huán)境變化的有關(guān)信息,尤其是太陽(yáng)質(zhì)子事件到達(dá)的信息。(4)地面天文臺(tái)站需不間斷地實(shí)時(shí)進(jìn)行太陽(yáng)活動(dòng)觀測(cè),并將觀測(cè)和近期預(yù)報(bào)結(jié)果提供地面指揮中心。(5)航天員應(yīng)裝備個(gè)人劑量?jī)x,使航天員能及時(shí)了解到個(gè)人接收輻射照射的有關(guān)信息。必要時(shí),可設(shè)置聲、光報(bào)警,及時(shí)向航天員提示輻射環(huán)境惡化的信號(hào)。(6)采用化學(xué)藥物防護(hù)方法。實(shí)驗(yàn)證明一些藥物具有減輕輻射損傷的作用。在航天中配備這些藥物,在輻射劑量超限時(shí)服用,可以減輕輻射的傷害。
目前,美國(guó)對(duì)空間輻射的影響十分關(guān)注。美國(guó)航宇局正在研制模擬太空輻射環(huán)境的設(shè)備及從分子和細(xì)胞水平分析輻射的生物效應(yīng)。美國(guó)航宇局為了進(jìn)行輻射研究,研制了進(jìn)行輻射研究的設(shè)備。例如,美國(guó)航宇局資助洛馬琳達(dá)大學(xué),研制進(jìn)行質(zhì)子研究的設(shè)備;資助布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,研制進(jìn)行重離子研究的設(shè)備;資助英國(guó)核實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)壓器應(yīng)用設(shè)備的研制等。這些設(shè)備將用于進(jìn)行輻射生物學(xué)和防護(hù)的研究。
在國(guó)際空間站上生活的航天員由于沒(méi)有地球磁場(chǎng)的屏蔽作用及長(zhǎng)期生活在太空,其所受的輻射總量要超過(guò)在地球時(shí)的水平。因此它是一個(gè)研究空間輻射的好場(chǎng)所,其真實(shí)的輻射環(huán)境是地球上的模擬設(shè)備所無(wú)法創(chuàng)造的。在國(guó)際空間站上,輻射研究是一個(gè)重要課題。站上將采用多種方法定量地監(jiān)測(cè)座艙內(nèi)和航天員所受到的輻射劑量。航天員在飛行中都戴有自己的輻射量測(cè)定器,在飛行后可獲得飛行中所受到的輻射總量。在航天員的居住區(qū)也有輻射劑量檢測(cè)儀,定期將測(cè)量信息送回地面。此外,還有薄紙樣的輻射劑量計(jì)數(shù)器和艙內(nèi)外釋放粒子探測(cè)器和分光器,檢測(cè)銀河系發(fā)出的輻射。美國(guó)航宇局顧問(wèn)組制定了航天員輻射劑量個(gè)人耐受極限。只有確保國(guó)際空間站上的航天員受到的輻射在標(biāo)準(zhǔn)耐受范圍內(nèi),才能為將來(lái)火星探險(xiǎn)計(jì)劃設(shè)計(jì)性能更強(qiáng)的防輻射系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。
