第二章 太空生理學

呼吸困難、骨質流失和會飛的豬

史前太空時代

人類本質上就是一根約兩米高的液體柱子，其中懸浮著各種濕潤、蠕動的生物系統——包括消化系統、排泄系統、平衡系統、血液循環系統等等。這些系統都是在地球上，也就是這根液體柱子腳下的60億噸球體上，經過漫長時間進化而來的。

那么讓我們回到1961年4月12日，假設你是尤里·加加林（Yuri Gagarin），即將執行人類歷史上一項全新的任務——乘坐導彈的彈頭進入太空軌道。在這個關鍵時刻，你憑什么相信自己的胃不會在零重力的環境下翻江倒海？你的血液還能正常繼續為大腦供氧嗎？你的肺、肝和腎在身體內漂浮時，它們還能正常運作嗎？

然而，尤里·加加林并非第一位冒險進入太空的勇者，他甚至不是第一位靈長類太空旅行者。在他升空之前，美國和蘇聯已經進行了十幾年有關太空對非人類物種影響的實驗。蘇聯工程師傾向于用狗做實驗，而美國為了展示其自由民主的優越性，選擇了猴子作為實驗對象。如果允許非人類物種享有優先權，那人類將不得不與貓、狗、老鼠、烏龜、黑猩猩、果蠅以及各種猴子競爭。這讓人聯想到諾亞方舟，只是并非每個物種都能有幸抵達彩虹的盡頭。

萊卡（Laika）是一只在莫斯科街頭流浪的溫順“串串”狗，它有幸成為繞地球軌道飛行的第一只動物。在1957年11月3日火箭升空僅僅6小時后，萊卡便因飛船意外過熱而不幸離世。盡管這次旅程縮短了它的生命，但事實上影響并不大，因為它所搭乘的“斯普特尼克2號”（Sputnik 2）并沒有配備返回艙。在1960年，蘇聯的太空小狗貝爾卡（Belka）和斯特雷卡（Strelka）成為首批成功繞地飛行并平安返回地球的狗狗。如今，它們的標本仍然保留在莫斯科航天紀念博物館（the Cosmonautics Memorial Museum of Moscow）中，生動地展示著它們的輝煌歷史。在著陸后，它們似乎并沒有因太空飛行而受到太大傷害。然而，并非所有的太空動物都能如此幸運，即使是那些幸存下來的動物也并非毫發無傷。例如來自美國的黑猩猩哈姆（Ham），它在加加林升空前不久登上了太空，并在短時間內承受了15倍地球重力的加速度。在第二天的新聞發布會上，它表現得相當暴躁，對著記者和攝影師們怒吼并露出獠牙。這并不是美國航天員能做出的典型行為，但好消息是，從純生理學角度來看，哈姆還活得好好的。

事實上，在太空中度過了一個半小時后，加加林同樣健康如初。他不僅活了下來，還享用了人類史上的第一頓太空餐：兩管肉泥配一管巧克力醬。

加加林完成的這次單圈繞地飛行任務也標志著人類太空醫學的開端。但是，就像早年太空競賽的其他飛行任務一樣，它對于我們關于太空移民的研究幾乎沒有任何幫助。就算你對那些令人著迷的任務有所了解，熟知他們分秒必爭的決策、險象環生的經歷、輝煌的成就和悲劇故事，但很抱歉，這對于我們的研究幫助甚微。阿姆斯特朗（Armstrong）和奧爾德林（Aldrin）在月球表面漫步了約3小時，而在20世紀70年代前，最長的太空旅行也不過兩周時間。這些時間還遠遠不夠解決目前已知太空醫學中最為嚴峻的問題。

長期的太空醫學研究始于蘇聯。在登月競賽失利后，他們于1971年發射了第一個空間站“禮炮1號”（Salyut-1），從而揭開了空間站時代的序幕。自此之后，空間站的數量非常有限，我們用一頁插圖就可以將它們完整記錄下來。

在此期間，航天員的航行時間普遍變長。1994年至1995年期間，蘇聯航天員瓦列里·波利亞科夫（Valeri Polyakov）在“和平號”（Mir）空間站創造了連續工作437天的記錄。此后，只有極少數航天員在一次太空任務中的飛行時間超過了6個月。盡管如此，我們大部分的太空醫學知識還是來自國際空間站的研究。它仍是有史以來建造的最大空間站，其空間約是“禮炮”系列空間站的6倍。它的固定機組由6人組成，而早期的空間站通常只有兩到三名航天員執行長期任務。

關于太空還有一個好消息：它不會立刻要了你的命。只要設備運轉正常，太空環境本身在短期內似乎并不那么危險。通常威脅航天員生命的并不是太空環境，而是出現故障的飛行器。然而，正如筆者夫婦分別照看孩子時不斷提醒對方的那樣，在生與死之間還存在著很多中間狀態。通過研究這些狀態，我們可以更加深入地了解太空移民可能面臨的健康問題。

真空環境，或者說你的身體就是一個汽水罐

在地球上，周圍的空氣以約14磅/平方英寸的恒定壓力推向你的皮膚，或者用那些可笑的國際單位制來說，這相當于一個標準大氣壓。這意味著你每平方厘米的皮膚需要承受一升水的重量。你通常不會察覺到這種壓力，就像深海里的小蝦不會察覺到周圍的液體足以壓垮潛水艇一樣，你的身體已經適應了地球表面的壓力環境。你的身體會自然抵消周圍環境對我們的擠壓，所以你也很少會經歷突然的氣壓變化。

但讓我們來想想汽水。當你買到一瓶密封的健怡可樂時，你知道里面充滿了氣體，但難以察覺到明顯的氣泡存在。這是因為瓶內的氣壓約為地球表面氣壓的4倍，這使得二氧化碳能安靜地在瓶子里待著。當你擰開瓶蓋后，里面的液體暴露在了地球相對溫和的大氣中。所有溶解在汽水里的氣體會迅速冒出，形成我們熟悉的泡沫。如果你想避免這種突然的氣體沖擊，你可以在海底40米深處打開瓶子，海水的壓力將會阻止氣體逸出，而且海水也無法讓健怡可樂的味道變得更糟糕了。

你的身體就像是那瓶汽水一樣，只不過你體內懸浮的氣體是從大氣中吸收的氮氣，如果你此時被傳送到零氣壓的外太空，你的體液會表現得像剛打開的健怡可樂，只不過此刻不會有泡沫噴涌而出，取而代之的是無數氮氣泡泡在你的靜脈和動脈里肆意游走，阻礙正常血液、氧氣和營養物質的正常流動。潛水員很熟悉這種情況，當他們從深海快速上升至地面時，常常會面臨同樣的問題。過快地從高壓環境切換到低壓環境會導致“減壓病”，俗稱“彎腰病”，因為它常常會影響到關節，導致患者痛苦地彎腰。如果這種情況發生在你的肺部，那就會導致“呼吸困難”。如果發生在你的大腦，則會讓人感受到“步履蹣跚”。

如果你突然暴露在太空中，死亡幾乎是無法避免的。事實上，歷史上在太空中喪生的人都是因為突發的失壓事件。1971年6月30日，航天員喬治·多布羅沃爾斯基（Georgiy Dobrovolkskiy）、維克托·帕薩耶夫（Viktor Patsayev）和弗拉基米爾·沃爾科夫（Vladislav Volkov）從“禮炮1號”空間站返回地球。這三位航天員在太空度過了數周時間，還表演了零重力雜技。這一切都在電視上實況直播，受到了蘇聯群眾的熱烈歡迎。雖然在進入返回艙時遇到了短暫的密封問題，但他們最終成功脫離對接，開始了回歸之旅。然而，當地面人員抵達并打開太空艙時，發現三位航天員仍安靜地坐在座位上，但已經進入了永恒的長眠。所有的急救措施都無濟于事——每位航天員都遭受了嚴重的腦出血。隨后的調查發現，當他們脫離空間站時，返回艙上的一個閥門意外開啟，導致他們暴露在幾近真空的環境中。

減壓病不僅在事故中會構成危險，在每次使用壓力服時都可能產生這個問題。你可以將太空服想象成一套笨重的衣物，但普通衣物并不需要像太空服那樣提供封閉的生存環境。更確切地說，太空服更像是一個碰巧呈人形的皮革氣球。就像氣球一樣，內壓越高，彎曲就會越困難。在一個人形氣球中，高壓意味著彎曲關節比你所想象的還要困難許多。有一種被稱為“指甲脫層”（fingernail delamination）的現象已經有詳細的記錄，但我們不建議你去深入了解它到底是什么。因此，雖然國際空間站內的氣壓和地球上一樣，但美國和俄羅斯的太空服內的壓力都只有地球的1/3左右。

那么，為什么航天員穿上太空服之后不會出現彎腰病、呼吸困難或者步履蹣跚的現象，也不至于喪命呢？因為在太空行走前，他們會預先吸入純氧，排除掉血液中的大部分氮氣。一旦氮氣被排除，就不會再出現氮氣泡的問題。雖然在電影中，英勇的航天員似乎可以輕松穿上太空服，縱身一躍進入太空進行各種救援，但事實上，按照目前的設計，結果只會導致布拉德·皮特（Brad Pitt，美國電影演員）抓著酸痛的關節蹣跚前行，并且艱難地（雖然依然帥氣）走向痛苦的死亡。

一些科技愛好者可能會好奇，為什么不把空間站的氣壓調整到和太空服一樣的低水平呢？簡而言之，雖然只要有足夠的氧氣，人類就可以在低壓環境下生存，但工程師們就必須重新設計所有設備，使其能在低壓、純氧環境下運行。

然而，純氧環境其實極度危險。1967年，在“阿波羅1號”飛行任務的準備階段，乘員艙內出現了火花，在純氧環境下引發了大火。愛德華·懷特二世（Edward White II）、羅杰·查菲（Roger Chafee）和加斯·格里森（Gus Grissom）三位航天員不幸遇難。溫度和壓力的急劇升高，導致他們無法使用向內打開的艙門逃生，同時，劇烈的高溫又使得救援人員無法展開營救。

一個類似的，但不為人熟知的故事發生在早些時候的蘇聯。1961年初，瓦倫丁·邦達連科（Valentin Bondarenko）正在接受航天員的訓練，其中一項訓練是在一個高氧加壓艙中待上10天。訓練即將結束之際，他摘下了身上的一個醫療傳感器，用酒精棉片擦掉殘留在身上的黏膠。他不經意地把棉片扔到一邊，正好落在了電熱板上，引發了大火。火勢迅速蔓延，焚毀了他的太空服。救援人員必須先將艙室中的氧氣釋放掉，才能接近他，但他很快因休克而去世。這件事發生在加加林成為進入太空的第一人僅僅一個月前。由于蘇聯對此類悲劇采取沉默的處理策略，因此當“阿波羅15號”任務在月球上留下一塊紀念碑——上面刻著在登月競賽中犧牲的各國航天員的名字時，邦達連科的名字并未被包含其中。直到近25年后，這段塵封的歷史才逐漸為人所知。

我們往往會忘記，太空中沒有空氣。然而如果人類真正進駐太空，空氣將成為我們每時每刻都要面臨的問題。太空環境既可能帶來致命的危險，又是一個持續不斷的困擾。隨著人類太空探索的步伐不斷加快，風險自然隨之倍增，因為太空探索意味著物體之間會存在相對高速的移動。例如，物體在軌道上的移動速度高達8千米/秒。而當速度達到3千米/秒時，一旦有物體撞擊飛船，所產生的動能大約相當于該物體自身重量的炸藥。當然，只要兩個物體以相同的速度向同一方向運動，一切就都沒問題，但太空的實際情況往往并非如此理想。特別是當某國決定摧毀衛星時，四濺的太空碎片就會構成潛在的風險。至今，中國、美國、俄羅斯和印度都曾采取過這樣的行動。

在開放空間建立定居點的問題比在地面上更為復雜。但無論人們選擇在何處建立定居點，如果死亡的陰影無處不在，這無疑會給社會與政治帶來深遠的影響。

在太空定居點，人們可以通過化學或生物手段制造氧氣，但無論采取哪種方式，都離不開人類親手設計和建造的系統。而這樣的系統必定屬于某個人或某個組織。有學者在探討太空移民時認為，我們對人工大氣環境的依賴可能會帶來對生命必需品的獨裁控制。為了避免這一問題，天體生物學家查爾斯·科克爾（Charles Cockell）博士提出了一個被稱為“自由工程學”的理論，主張制造氧氣的系統應該被分散管理，而不是集中控制。雖然我們不知道這種做法是否可行，但太空定居點的政治情況很可能受到其物理條件的影響，這不一定是件好事。

爆炸與裸體——太空輻射帶來的教訓

假設你已經找到了應對太空近乎真空的環境所帶來的挑戰，那么接下來我們需要面對的，是在這片無垠中潛伏的另一個敵人：輻射。雖然在某些特定情況下，輻射可能會迅速致命，但在太空中，人們更擔心的是輻射導致的慢性健康問題，尤其是癌癥。當我們希望在太空中養育下一代，而不僅僅是讓成年專家在軌道上進行短暫的停留時，這種擔憂就變得尤為重要了。防御輻射已經成為影響人類設計太空定居點時必須考慮的主要因素，這無疑也會對我們在太空中的生活質量產生巨大影響。然而問題在于，我們目前仍很難預測輻射對人體會產生何種影響。

輻射無處不在

人們有時認為輻射是非自然產生的，只有在接觸核廢料或者原子彈時才會受到輻射的威脅。然而事實并非如此，你周圍的一切物質都會釋放輻射——不管是天空、大地還是食物中，都存在著輻射。例如，由于香蕉里含有放射性同位素鉀-40，“香蕉等效劑量”（Banana Equivalent Dose, BED）成了衡量輻射量的一種常用指標。但盡管如此，香蕉仍是健康的飲食選擇，并且本書作者之一認為它在布丁里尤為美味。此外，有些生活習慣——例如吃巴西堅果、與人同床共枕或者去科羅拉多州的丹佛市（Denver）旅游——都可能稍稍增加你接觸的輻射量。當然，也不排除有些膽大妄為的人可能會一次性嘗試以上三件事。

與大氣壓類似，人體也是在地球上的特定輻射環境中進化而來的。我們平時接觸到的大部分輻射，人體都能自然處理并消除，因此由輻射引發的癌癥或超能力現象都還是挺罕見的。我們身體的死皮層如同一個天然的護盾，而我們體內的生理機制也很擅長修復或消除受到輻射傷害的細胞。

然而，在太空中，一切都會變得更加復雜。除非我們采取充足的屏蔽措施，太空中的輻射劑量要遠遠高于地球，而且輻射類型也更為復雜。這些輻射主要來自兩個地方——太陽，以及遙遠的宇宙深處。

太陽想將你置于死地

作為一個等離子體輻射星球，太陽大部分時間都在四處散發熾熱的離子。幸運的是，地球的磁層和大氣層能為我們擋下大部分這樣的輻射。如果你身處太空，雖然太陽輻射不會立即奪去你的性命，但你肯定會希望遠離它的影響。然而，太陽有時會突然爆發出“太陽耀斑”（solar flare），這使它的亮度在短時間內急劇上升。

接下來還有更糟糕的情況：有時太陽耀斑會伴隨著“太陽粒子風暴”（solar particle event）出現。這種風暴雖然被稱作“粒子事件”，但其實更像海嘯中的狂潮巨浪。想象一下，太陽上的某個小區域突然噴發出大量的質子，它們就像死神的手電光一般，集中向某個地方射去。

但我們也有一些好消息。正如科幻小說大師道格拉斯·亞當斯（Douglas Adams）所言，“太空實在是太廣闊了”。這樣隨意發射的致命光束大概率不會擊中渺小的人類飛船。然而，如果你不幸正好位于這致命光束的路徑上，那么接下來你將會面臨急性放射病的侵襲。它的癥狀包括嘔吐、皮膚灼傷、心臟問題、肺部損傷、免疫系統受損等等。如果你接受的輻射劑量過高，最終可能會遭受難以忍受的痛苦死亡。

你可能會好奇，如果身處的太空飛船發生了這種情況，我們應該怎么辦。在近期重返月球的計劃中，美國國家航空航天局科學家凱里·李（Kerry Lee）博士提出了一個解決方案：“……盡量使用一切的手頭資源。”換句話說，就是將飛船或空間站內所有物品進行重新配置，因為這些物品現在成了你的防輻射盾牌。那為什么不直接使用專門的防輻射材料呢？因為那需要大量的物質，并且將其運送到月球的成本也很高，而且使用后可能就會被遺棄在月球上。未來的太空定居點必須有更好的辦法應對這個問題。而目前最有可能的策略，正如我們稍后將要探討的那樣，可能是選擇在地下生活。

實際上，整個宇宙都想將你置于死地

有時，恒星會發生爆炸。雖然這種情況并不常見，但發生的頻率足以讓太空中充滿爆炸的殘骸。盡管這些殘骸密度相對較低，但高速的帶電粒子卻遍布其中。這些粒子大部分都是低質量的單個質子或氦原子，但也有一小部分是重型的高速帶電粒子。

這些粒子非常危險。在一項實驗中，科學家們向凝膠物質發射了高能的鐵原子核，以模擬太空對人體的潛在傷害。單個鐵原子核——僅僅是一個原子——就能在凝膠中打出一條與人類頭發粗細相當的通道。

暴露在這種“銀河宇宙輻射”（galactic cosmic radiation）中是太空生活的常態。有時候，航天員會報告只有他們自己才能看到的“光線閃爍”，這可能就是因為他們的眼睛被這些來自遙遠星球的粒子擊中了。根據目前的估計，一旦離開了地球保護層和磁層，你體內的每個細胞核每隔幾天就會被一顆質子擊中，每隔幾個月就會被較大的帶電粒子撞擊一次。

輻射將會襲擊你的設備

同樣，輻射也會干擾我們的技術。1859年，地球經歷了一次太陽耀斑的沖擊，這次事件以英國的天文學家理查德·卡靈頓（Richard Carrington）的名字命名，被稱為“卡靈頓事件”（Carrington Event）。在那年的8月28日，美國各地都有關于這次事件的記錄。例如，在下午6：30左右，波士頓某個辦公室里的電報系統突然停止工作。在匹茲堡，電力系統中涌入的劇烈電流迫使工人們緊急切斷電源。在操作途中，“火光”和火花四濺。那晚，從加利福尼亞到英國，從希臘到澳大利亞，人們都目睹了天空中如同北極光般的壯麗景象，有人形容它就像“……燃燒的熔鐵爐，被五彩斑斕的柱子撐起……”這次的電磁干擾持續了整整一天，正如一位作者所述，“地球的大氣層里仍充盈著電能和磁能”。如果這種情況發生在宇宙飛船上，后果可能會更加嚴重。幸運的是，自那以后，我們再也沒有經歷過這樣的事件。但在2012年，一次相似的太陽輻射事件與地球擦身而過。天文學家菲爾·普萊特（Phil Plait）博士告訴我們，“這次的幸免距離，并不足以讓人感到真正放心”。

在國際空間站上，輻射問題偶爾也會引起一些麻煩。美國航天員特里·弗茨（Terry Virts）在記錄國際空間站的生活回憶錄《如何成為航天員》（How to Astronaut）中分享了一個真實的故事：在2014年的一次任務中，弗茨突然聽到一陣刺耳的警報聲。機組成員急忙跑去檢查情況，發現是代表大氣層（atmosphere）的ATM警報燈亮了。弗茨最初認為只是個小問題，或者虛驚一場，但意大利航天員薩曼莎·克里斯托弗雷蒂（Samantha Cristoforetti）迅速意識到了問題的嚴重性，并大聲喊道：“不，是氨氣泄漏！”

在空間站里，你絕對不希望遇到氨氣。雖然氨氣對冷卻系統有益，但對人類來說卻是致命的，而且難以清除。如果泄漏的氨氣過多，整個空間站都可能變得無法居住。最糟糕的情況是，過多的氨氣可能導致艙室內壓力過大，甚至引發艙體超壓破裂。

當發生這種事時，他們應該遵循的操作步驟如下：

1.立即戴上氧氣面罩。

2.飄到俄羅斯艙段，并關閉第一道艙門。

3.脫掉所有衣物。

4.關閉第二道門，封鎖美國艙段。

你可能對其中一個步驟感到有些奇怪。但這背后其實有一個簡單的原因：俄羅斯的冷卻系統使用的是乙二醇，而不是氨。所以，如果出現氨氣泄漏，那一定是在美國艙段。

對了，還有第三步。氨氣會污染衣物，所以為了安全起見，你應該把衣服留在氨氣區，并祈禱俄羅斯那邊有多余的內衣。當氨氣警報響起后，航天員們決定不用嚴格按照步驟來處理。他們沒有聞到氨氣的味道，所以猜測這可能是一場虛驚。又或者，也許他們覺得在失重環境下突然看到同事的裸體，可能比死亡更糟糕。

當氨氣警報第二次響起時，大家已經默認了跳過第三步。這也給了那些期望規劃、控制人類行為，或者基于人類理性邏輯預測人們在太空中行為的規劃者提供了一個深刻的教訓。

那么，這和輻射有什么關系呢？雖然無法百分之百地確定，但大家猜測誤報的原因可能是設備受到了輻射的沖擊。

輻射在更遙遠的太空也造成了一系列問題。在2003年，當火星奧德賽探測器正在環繞火星運行時，太陽突然釋放了巨大的輻射沖擊波，導致探測器與地球的聯系中斷，進而觸發了安全模式。其中一個用于探測輻射的傳感器因為輻射遭到了永久性的破壞。有科學家形容，它被數據給“噎住了”。試想一下，你正身處繞火星運行的飛船上，突然與地球失去了聯系，接著得知你的輻射檢測器由于輻射超標而停止工作，那是一種什么感受呢？

你的防護罩也想置你于死地

這真的是一個非常有趣的現象——即便你為飛船裝備了厚重的防輻射屏障，但你依然可能受到“散裂反應”（spallation）的影響。雖然前文提及的斯坡姆和散裂反應在詞源上沒有關系，但“spallation”這個詞其實源自一個古老的概念，它的意思是斷裂掉的“小碎片”。當高速的重離子撞擊上防護層并減速時，它們會產生一系列的次級粒子和對生物有害的粒子，這種現象有時也被稱為“核簇射”（nuclear shower）。

“散裂反應”尤其能說明，一旦涉及細節，太空設計的復雜性會大大超出我們的想象。比如說，如果你使用了特別厚重的鋁制防輻射罩，那么你最終受到的輻射可能比沒有任何屏障的情況還要多。

關于核輻射問題的最終答案

所以，太空輻射是個大問題，對吧？

嗯……沒錯。至少我們是這么認為的。

事實證明，對太空輻射進行科學研究真的很難。我們目前手頭上的最佳數據主要來自實驗室的動物研究，以及那些在工作中接觸到放射性物質的人，還有一些重大事件，如切爾諾貝利事故或美國對日本廣島和長崎投放原子彈。但這些數據對于評估太空輻射還不夠準確。例如，受原子彈影響的人通常是在瞬間受到了大量的中子輻射，而太空中，人們面臨的則是長時間的帶電粒子輻射。此外，對實驗動物的研究結果也不完美，因為它們與人類生理不完全相同，而且在實驗室中，模擬太空輻射的條件也是極其困難的。

但你可能會反問，我們已經有了50年的空間站經驗，難道沒有從中學到什么嗎？確實，我們學到了一些，但所有的空間站都在地球磁層的保護下運行，這意味著航天員接受的太空輻射約為深空中的1/3或1/2。

因此，如果想真正了解磁層之外的輻射對人體的影響，唯一資料只有那些前往月球的阿波羅任務。其中，持續時間最長的是阿波羅17號任務，但也僅僅持續了大約12天半的時間。

通常，前往火星的旅程大約需要6個月。令人欣慰的是，盡管阿波羅任務的航天員受到了大量的輻射，但他們似乎沒有表現出更高的癌癥發病率。這無疑是一個好消息，但問題在于我們只有24名航天員的數據。而且，這24人并不普通——他們都是精英中的精英，其中大多數都是試飛員。他們都經歷了嚴格到近乎虐待的體檢，其中包括一項常人極其難以忍受的檢查，他們稱之為“鋼鰻”。如果這群人的癌癥率低于預期，也許是因為他們相較于大多數人更為健康強壯。

另一種更令人擔憂的解釋是，輻射與癌癥之間確實存在某種聯系，但我們還沒有完全了解其中的關聯。這一點在太空研究領域中尤為突出。如果你想看看科學界毫無幫助的那些論文，你可以讀一讀2018年錢塞勒（Chancellor）等人作出的結論：“……我們并沒有明確證據表明太空輻射會導致人類罹患癌癥，但有理由相信，確實有這種可能性。”

盡管科學研究尚未給出定論，但太空機構還是需要制定相關的政策來應對輻射風險。根據國家輻射委員會（National Radiation Council）的模型，美國國家航空航天局制定了航天員輻射劑量的相關規定——每位航天員“由于暴露導致死亡”的風險不得超過3%。然而，這一看似合理的標準也帶來了一些奇特的后果。事實上，死亡的概率并不平等。一些原子彈幸存者的研究數據顯示，卵巢和乳腺組織對輻射的敏感度較高。因此，一些太空探索的支持者甚至呼吁禁止女性參與長期火星任務。這無疑對于未來太空移民的人口增長計劃造成了挑戰。但也許這并不是問題的關鍵。至今，在太空停留時間最長的是航天員根納季·帕達爾卡（Gennady Padalka），他總共在太空度過了約29個月，而典型的火星任務則需要連續進行30個月。

這已經違反了美國國家航空航天局對航天員所設置的年齡和性別的限制標準。所以這不只是阻止女性進入太空，而是根本不讓人類進入太空。對于那些已經快達到或者達到輻射限制的資深航天員來說，他們的太空之路也將變得遙不可及。那有什么解決方法嗎？美國國家科學院在最近的一篇研究中提出了一個簡單的建議：如果我們確實希望讓經驗豐富的航天員執行前往火星的任務，那么我們可以動用地球上最有力的保護手段——讓他們簽訂一份豁免責任的協議。

太空的特殊問題——微重力

雖然航天員還在地球引力的牽引范圍內，但由于他們沿著環形軌道移動，就好像一直處在向地球“自由落體”的狀態，如同坐在一輛不停運轉的過山車上。在這種狀態下，航天員飄浮在空中，就好像完全不受任何強大的引力影響。像過山車一樣，這種下墜感最初常常會讓航天員感到惡心，但通常幾天后這種不適就會消退。一旦適應了，太空中的微重力體驗便成了航天員在太空之旅中最特別且愉快的體驗之一。

然而，微重力對人體并不友好。在這種環境下，人體會經歷一系列可預測的生理變化。有些變化是短暫的，但有些可能是長期甚至永久的。有些問題可能還沒有被發現，因為人類在太空中的停留時間還很短。

如果這本書只是關于在太空中待上一年的旅游計劃，那我們可以給出很好的建議。但你的目標是在太空長期定居下來。我們面臨的一個主要挑戰是，目前的數據大多都是基于微重力環境下的研究。然而，真正的太空移民可能并不在微重力環境下進行。大部分的太空移民計劃都集中在月球，它的重力是地球的1/6，或者火星，它的重力是地球的2/5。還有人提議建設可以模擬地球重力的旋轉太空站。

關于部分地球重力下生活的醫學數據非常有限。我們最詳盡的數據來自12名航天員，他們在月球上才待了不到一個月。如果在這樣的重力環境下存在有害影響，那么它們可能需要更長時間才會顯現出來。

這意味著我們的了解可能存在很多不準確的地方。也許月球的微重力與地球重力足夠接近，減少了微重力會帶來的最嚴重的問題。又或者，月球帶來的影響與在微重力環境中的影響類似，只是需要更長的時間才能顯現出來。還有可能會出現一些我們之前未曾預見的問題。

為了更好地了解太空環境，我們能做的最好的事情就是告訴你迄今為止的情況是怎樣的。但請注意，我們目前可以提供的結論是有限的，要獲得更詳細和準確的數據，我們可能需要等待未來的大型旋轉太空船實驗或首個月球基地的建設。

你即將變得悲慘的體質——微重力下的人體

從骨骼的角度來看，在地球上行走其實就是反復受到重力的拉扯和沖擊的過程。我們的身體已經適應了這種環境，但它也是個小氣鬼。骨骼和肌肉都是“用進廢退”的組織，但當我們飄浮在微重力環境中時，它們往往變得沒那么必要。

在太空中，雙腿可以提供離開墻壁的推力，同時也能幫助我們將身體固定在各處的尼龍搭扣上。但是，大多數的活動都是通過上半身完成的，這會導致身體的其他部位逐漸萎縮。如果在太空中執行為期4個月的任務，航天員的脊柱質量每個月都會減少1%。

順帶一提，在零重力狀態下，你的脊椎不僅會退化，還會拉長。因此，航天員在太空或返回地面后，經常會感到腰背部疼痛。邁克·穆蘭（Mike Mullane）在回憶起其1984年的一次飛行任務時描述，包括他在內的5名男性航天員都受到了背痛的困擾，而唯一的女性航天員——朱迪·雷斯尼克（Judy Resnik）博士——卻安然無恙。穆蘭回憶，她當時調侃說，“真是難以置信！我和5個男人同吃同睡，結果他們全都得了背痛”。

在太空中，不僅骨骼會受到影響，肌肉也會經歷類似的過程。一項針對國際空間站航天員的研究顯示，經過6個月在國際空間站的駐留，航天員的小腿肌肉萎縮了13%。雖然這聽起來不那么嚴重，但你得知道，在這半年中，航天員還堅持著每日多小時的鍛煉。盡管大部分航天員在返回地球后一兩個月內就會恢復正常，但在某些情況下，他們需要長達半年到3年的時間才能完全恢復到原先的狀態。

因此，在太空中待上一段時間后，你可能會面臨骨質疏松、肌肉無力和背部酸痛的問題。另外，骨鈣流失還可能導致便秘和腎結石。這就像你剛剛離開了地球的搖籃，便進入了太空的養老院。

經過半個多世紀在太空站的研究和探索，如今這個問題的最佳解決方案可能是人們最不喜歡聽的兩個詞——均衡飲食和規律鍛煉。服用維生素D和針對骨質疏松的藥物似乎能在一定程度上緩解骨質流失，但與此同時，航天員還需要堅持每周6天、每天2.5小時的鍛煉，以減緩肌肉和骨骼的退化——盡管太空鍛煉也是導致他們受傷的主要原因之一。

對于那些擁有微低地球重力的太空定居點來說，居民們可以通過穿著厚重的衣物來模擬地球上的重力環境。但是，目前我們還不清楚長時間在零重力或微低重力環境中生活會帶來什么長遠的影響，特別是在太空中成長的孩子，我們對此尚無任何了解。

它就在你的腦海中——可怕而迷人的流體轉移

我們常常將人體的循環系統比作一個帶管道的泵。心臟不斷地跳動，將血液輸送到有需要的地方。雖然這種比喻在一定程度上是準確的，但實際上人體的循環系統要比這更為復雜。心臟上方的血液只需順流而下就能回到心臟。而來自腳部的血液則需要強大的力量推動才能向上流動。但是，如果你正在倒立，情況就完全相反了。令人難以置信的是，無論你是躺著、側身還是頭朝下，你的循環系統都能正常運轉，而這在房屋的管道系統里是難以實現的。

然而，當你在零重力狀態下待上一段時間，情況就會變得有點奇怪。你的雙腿好像仍然在與已經適應的地球重力做斗爭。體液會向上移動，導致腿部的體液減少。這種現象被一篇論文稱作“腫臉-鳥腿”（PuffyFace-Bird Leg）綜合征。此外，由于身體對各種液體上浮“感到困惑”，你會更頻繁地前往洗手間。

這樣的現象真的很糟糕嗎？看你問誰了。在超前的著作《太空性愛》（Sex in Space）的采訪中，資深航天員蘇珊·赫爾姆斯（Susan Helms）提到，你的體重會下降、皺紋會減少，同時你的腿會變瘦，身高還會增加。雖然并非每個人都喜歡看到那些太空旅行的億萬富翁變得更加性感迷人，但“好消息”是，他們的身體將會忘記如何在重力下管理血液的流動，這可能導致他們在登陸火星時感到頭暈，甚至昏厥。

目前，我們的最佳建議并沒有什么技術含量：在回到地球之前，多喝些含鹽的飲料，比如清湯或運動飲料。在恢復正常重力前，多補充一些電解質和液體，這有助于恢復身體的正常水分平衡和血壓。

你的眼睛進入太空后……可能會遭受永久性的傷害

微重力環境還有可能破壞你的視力。雖然具體原因尚不明確，但目前最可信的推測是，由于體液向上流動，頭部壓力增加，從而改變了眼球的形狀和血管結構。

在太空中停留的時間越長，視力受影響的程度也越嚴重。根據一項涉及300名航天員的調查，23%參加過任務的航天員在返回地球后表示，他們很難看清近處的物體。鑒于航空任務的時長通常只有兩周或更短，這一比例顯得相當令人擔憂。而在國際空間站上停留時間更長的航天員中，這一比例更是高達50%。超過40歲的航天員尤為容易出現這個問題，所以他們通常會提前配備遠視眼鏡，以備不時之需。這種眼鏡被稱為太空預視眼鏡，英文縮寫為“SAG”（space anticipation glasses）。真的要感謝美國國家航空航天局的縮寫小組，給這種眼鏡取了個如此有“創意”的名字。所有40歲以上的航天員，向你們致敬。

我們對眼球受微重力影響的問題有了一定的了解，但也許眼睛只是最容易被察覺的受損部位，大腦可能也正在受到某種難以察覺的影響。雖然我們并不打算在這個問題上花費太多篇幅，因為當前的數據還不足以得出確切結論，但我們不能排除太空環境會對人的思維產生影響。坦白說，考慮到空間中的輻射和體液流動的變化，太空旅行導致的大腦損傷并非不可能發生。如果這是一個隨著時間推移會逐漸惡化的潛在問題，那它對于任何的太空移民計劃都會構成不小的挑戰。

至于我們討論過的所有與微重力相關的問題，在長時間的太空停留后，它們可能都會變得更加嚴重。想象一下，如果你在火星的低重力環境中生活了10年，你還能適應回到地球的重力環境嗎？我們現在還不能確定。尤其是，如果你從出生就開始在火星上生活，那我們真的不知道答案。

雖然我們還沒找到完美的解決方案，但目前有一個經過多年測試的設備，能夠對人類的下半身施加減壓，從而促使體液流向腿部。美國航天員斯科特·凱利稱這種設備為“吸力褲”（pants that suck）。不過，這種裝置可能存在一定風險。據他描述，一名俄羅斯航天員在使用這種褲子時因心率下降而暈倒。由于壓力設置錯誤，凱利本人也險些失去意識。

在地球上，為了研究眼球的問題，研究人員會讓參與者連續躺下好幾天，這種狀態能模擬出與太空中眼部相似的變化。這種方法使得新設備得以進行測試，而最新的嘗試已經不再局限于那些原始的吸力褲了。有一項地面實驗測試了吸力睡袋，結果顯示它確實有效。至于在太空定居點是否需要使用吸力褲或吸力睡袋，那將是未來的冒險家們需要解決的問題。

當你在思考太空移民時，你可能不會首先考慮體液轉移之類的問題。然而，隨著時間的推移，這些問題可能會成為最重要的考慮因素。在低微重力環境中生活也許不會帶來同等程度的傷害，但如果真的發生了，太空定居點必須提前考慮為大部分居民的嚴重視力問題做好準備。如果還有更加嚴重的問題，例如對認知能力的影響，我們只能希望那些吸力褲的設計能與時俱進，適應未來的需求。

太空家園的醫療護理——外太空的創傷醫學

我們在進行醫療選擇時，最常用的策略之一，就是淘汰那些患有輕微疾病的候選人。但這種篩選方法對于預防意外傷害卻無能為力，因為我們無法預測“在某個實驗中意外受傷”的概率。

在地球上，常見的外傷包括氣道阻塞、骨折，以及一些在不該出血的部位出現的流血現象。創傷外科醫生的首要任務是確保患者能正常呼吸，并控制出血——最好能在事故現場迅速處理，并在幾分鐘內能夠完成。但即便在與地球距離僅幾百英里的國際空間站，撤離也需要6～24小時。

這確實讓人感到擔憂。在經歷了漫長的太空旅行后，太空旅行者不僅身體會出現前文提到的各種不適，還會因為重力改變而出現短暫的反應，比如惡心、頭暈和變得笨手笨腳等。之后，他們將進入一個陌生的環境，還得馬上開始工作。這種情況下，事故幾乎是無可避免的。

除非有一個配備了先進的空氣過濾系統的專用病房，否則太空定居點的外科醫生很難擁有一個理想的手術環境。在微重力環境下，食物、微生物和人的排泄物可能隨處飄浮，這無疑給手術帶來了更大的挑戰。因此，醫生必須針對他們所處的特定重力環境接受專門的培訓。例如，有研究指出，血液在太空中會“……聚集形成圓球形，在被外科手術器械干擾時會分裂成小滴”。因此，太空創傷外科醫生可能需要接受特殊的影像訓練，以便為不同的重力環境做好充分準備。

雖然太空中至今還沒有專門的醫療中心，但在太空定居點，這些設施肯定是必備的。目前，人們提出了一些新的設計方案，包括為空間站特制的“創傷艙”（traumapods）或者“外科工作站”（surgical workstation）——這是一種圍繞在病人周圍的可充氣帳篷，既可以保護病人不受外界的影響，同時也防止手術區域對外部環境造成污染。

另一個建議是采用“微創手術”（minimally invasive surgery）。醫生只需要一個很小的無菌切口，然后在體內完成所有手術操作，這實際上就是把人體內部變成了一個手術工作臺。這種方法聽起來很先進，而且在地球上已經展現出顯著成效，但它能解決的醫療問題仍然有限。尤其在微重力環境下，醫生可能會面臨一些在地球上從未遇到過的問題。比如有篇研究報告提到，“在手術過程中，腸子會在手術區飄來飄去”。而另一篇報告指出，“器官可能會不受控制地從手術切口處突出”。

你可能會好奇，至少在手術過程中會給使用麻藥吧？確實會，但我們不能使用吸入式麻醉劑，因為一旦發生泄漏，整個密閉空間里都會充滿笑氣。還有一種選擇是脊髓麻醉，但因為體液都向上流動，麻醉劑可能不會到達你想要的位置。因此，最理想的方法可能就是在手術部位直接注射麻醉藥。但值得注意的是，它可能并不像我們預期的那樣有效。研究表明，在失重的環境中，人體吸收營養和藥物的速度會發生變化。考慮到體內的液體都會流動不定，胃里的食物也都處于漂浮狀態，這種情況下藥物效果會有變化也不足為奇。這也意味著，對于每一種不同的重力環境，我們都需要重新驗證藥物的使用和效果——特別是麻醉劑這樣需要慎重對待的藥物。

你可能會好奇，我們是如何知道這么多關于零重力創傷手術的知識的。在太空中已經進行了多次緊急創傷手術了呢？答案是一次也沒有——至少對人類來說是這樣。不過，我們的確在兩次太空任務中在嚙齒動物身上進行了外科手術的實驗。其中一次實驗成功驗證了局部麻醉的可行性。但這并不能解釋我們為什么知道很多奇怪的細節。例如，在失重狀態下，我們仍然可以進行縫合，甚至在飄浮狀態下也能進行顱骨鉆孔。血液會形成小圓球，而內臟會四處飄浮。

對于那些好奇的讀者，我們推薦他們查閱那些包含著“豬”和“拋物線”字樣的科學文獻。比如有一個標題叫《微重力下的心臟復蘇：拋物線飛行對豬的效力》（“Cardiopulmonary resuscitation in microgravity：efficacy in the swine during parabolic flight”）的論文。為了模擬失重的環境，科學家們常常使用拋物線飛行的方法。簡單地說，讓飛機沿特定軌跡進行拋物線飛行，我們便能獲得大約30秒的自由落體時間。

如果你反復進行這樣的實驗，你甚至可以在一天內積累1小時的模擬失重經驗。而如果你還帶上了一只死豬和一群非常敬業的醫生，你或許還能學到一些關于太空醫療手術的知識。

然而遺憾的是，我們無法在此深入探討，因為這本書的重點不是那些勇敢的醫生和科研者。他們為了科學，反復承受著像過山車一樣的飛行體驗，就為了在一個過去“呼哧呼哧”的小豬身上進行高精度手術。或許他們的事跡不會被詩人所歌頌銘記，但也許這也未必是他們所追求的。因此，如果你曾好奇地問過：“我們能否掌握在太空中進行開顱手術的方法？”答案是肯定的。當豬能飛起來的時候，我們也能學會這種手術技巧。

對于太空定居點的外科醫生來說，好消息是低微重力可能會起到關鍵作用。如果有人在月球上流血，血液會緩慢下落，但它最終還是會沿著地面流向排水口。但壞消息是，醫生們不得不在一個陌生的環境中，在狹小的空間、有限的物資支持下進行手術，同時也無法將患者迅速轉移至外傷病房。因此，面對意外傷害，我們必須做好萬全的準備。即便是阿波羅計劃中的那些英勇的太空英雄，他們在月球上行走和安裝實驗工具時也經常摔倒。考慮到太空定居點將是一個持續建設的地方，雇用的工人們也都是在完全不同的環境下成長的，因此無論如何，具備應對意外傷害的創傷醫學技能都是必不可少的，哪怕這意味著需要大量的物資投入。

未來：會變得更糟嗎

至今為止，我們還未在太空中進行手術，部分原因在于，通常不會讓可能面臨醫療問題的候選人成為航天員。但隨著太空逐漸走向商業化，這一情況正在逐漸改變。隨著太空旅游的興起，進行太空旅行的標準不再是過去的個人能力、嚴格的健康和訓練要求，而變成是否擁有足夠的財力，以及是否愿意接受相關的風險。這就意味著，未來的太空醫學將更多地轉向處理已經存在的健康問題，而不僅僅是選擇身體最為健康的探險者。這無疑是一個更具挑戰性的問題，但如果我們真的想在其他星球建立城市，那解決它就變得尤為重要。

現在，請花一點時間來感受一下我們究竟有多無知。迄今為止，人類最長的太空飛行時長只持續了1.3年，而很少能有航天員的累計工作時長可以達到這個數字。對于地球磁層之外的放射性輻射會對人類產生怎樣的長期影響，我們還不得而知。而在微低重力環境下的生存情況，我們同樣知之甚少。我們手頭也沒有關于慢性病患者在太空中生活狀況的數據。

雖然存在這些問題，但我們認為它們并不會阻止太空移民的計劃。如果我們有無盡的資金和高端的技術，建立一個帶有厚厚保護罩的巨大旋轉式空間站似乎能夠解決幾乎所有問題。我們稍后會深入探討這是否是個好主意，但現在需要明確的是，上述問題可能并不是無法解決的障礙。這些問題并不能直接決定我們是否能夠進入太空，它們只是在我們的太空探險路上設置了一些障礙。而隨著科技的發展，這些障礙也將變得更加容易應對。

那么，這對于我們的勇敢探險者阿斯特麗德來說意味著什么？她需要一套宇航服、一條吸力褲和一副太空預視眼鏡。

令人欣慰的是，目前她只是在身體上感到有點不適。但隨著我們深入一個更為私密的話題，她的感受將會有所改變。