在美國航宇局制定的國際空間站太空飛行任務中,有一項是關于輻射與健康的項目(SRHP)。進行這項研究的目的是為了保證人類在進行太空探險時,所受到的輻射水平在人的耐受限度內(nèi)。
在20世紀的載人航天時期,人類的太空飛行還只限于近地軌道。由于地球磁場和濃密大氣層的保護,來自外層的電離輻射對人體的影響很小。在過去40多年的載人航天期間,美國和俄羅斯航天局對空間輻射的研究都很重視。例如,他們在每次飛行中,都配備了輻射劑量監(jiān)測儀和個人輻射劑量測量儀,測量飛行中座艙和航天員所接收的輻射劑量,并進行空間輻射生物學的研究。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的實驗數(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)學規(guī)定的安全范圍內(nèi),對航天員的健康影響不大。例如,美國的“天空實驗室”4號是迄今為止美國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”空間站在飛行期間,發(fā)生了多次太陽質子事件,輻射劑量監(jiān)測結果表明這些事件對艙內(nèi)影響并不很大,4次事件的總劑量僅為35.5毫戈。上述輻射劑量值都遠遠低于美國和俄羅斯規(guī)定的低軌道航天員輻照限值。因此,對于400千米高度的低軌道載人航天,可以說太陽質子對座艙中的影響不大,航天員在低軌道飛行時是安全的。
21世紀,載人航天吹響了向火星進軍的號角。到火星或更遠的星球去航行不像登月。登月時其軌道離地球近,盡管那里的地磁場較弱,大氣也較稀薄,但還是對輻射起到了一定的防護作用。而在更遠的太空里,充滿了宇宙射線,由于失去了天然的防護,輻射對人的影響會更嚴重。如果不加防護裝置,在太陽的輻射下,航天員所受的輻射劑量可高達幾百拉德。美國航宇局已經(jīng)認識到累積的輻射劑量“將有可能成為人類太空探險中的最大限制因素。”對于長期飛行和星際飛行來說,已經(jīng)公認的影響人體健康最主要的因素是失重、輻射和心理。如果這三個問題不能得到很好的解決,星際飛行是難以實現(xiàn)的。
人在進行長期和星際飛行時,面臨的輻射危險有兩種。一種是長期、低劑量的銀河系宇宙射線(主要是質子和重離子)對人體的損傷;另一種是有可能遇到偶發(fā)的、高劑量的太陽高能粒子輻射。這兩種輻射可能引起組織的物理損傷(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,特別是生物大分子受到損傷。電離輻射通過兩種途徑對生物活性物質起作用:一是直接作用于生物活性物質(如脫氧核糖核酸,即DNA),通過電離和激發(fā)使其受損;二是間接作用,即輻射與活性物質中的其他分子或原子(特別是水分子)起作用,產(chǎn)生自由基,使活性物質受損。
眾所周知,生命有機體的基本單元是細胞。在細胞內(nèi),DNA分子具備了細胞內(nèi)蛋白質合成、細胞再生以及形成組織和器官結構的信息。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。由核苷酸序列構成的遺傳信息作為密碼,指導細胞的核糖核酸(RNA)與蛋白質的合成。
電離輻射直接影響DNA,導致DNA的單鏈突變、雙鏈突變,成群受損突變(DSB)和關聯(lián)根部受損。當DNA發(fā)生單鏈突變時,它還可以通過酶的作用,自行修復。如果發(fā)生了雙鏈突變,就很難正確地重建了,會出現(xiàn)錯誤的修復,結果導致基因的突變。當輻射引起的DNA損傷伴有染色體數(shù)目或結構改變時,可以產(chǎn)生染色體畸變。上述變化可以引起兩種后果。一種是造成細胞死亡,特別是一些對輻射敏感的細胞(如精原細胞、卵母細胞和小淋巴腺),影響到生物體的繁殖能力;另一個后果是引起細胞變異,使細胞失去控制,異常增殖,正常細胞轉變成惡性細胞,最后形成癌癥。細胞變異如果發(fā)生在生殖細胞,就可以將它的錯誤信息傳給后代,引起遺傳性疾病。輻射的間接作用是產(chǎn)生自由基。自由基缺少配對的電子,是一個十分活躍的物質。它可以使生物體的DNA、RNA或蛋白質大分子受到損傷。
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的保護作用,輻射對人體的影響尚小,失重對人體的影響要大一些。因此,在航天醫(yī)學研究中,重點在于觀察失重的影響及進行失重防護措施的研究,而對于星際航行時可能遇到的輻射、其生物效應和防護措施沒有進行深入的研究。今后,在設計新的太空飛行器和進行星際飛行前,必須對星際飛行的輻射生物響應和防護措施進行研究,估測發(fā)生極大耀斑的幾率,預測航天員暴露于輻射下的后果,并采取一些有效的防護措施。
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。空間輻射防護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,對于太陽質子事件來說,當質量屏蔽的厚度由2克/厘米2增加到10克/厘米2時,造血器官所受到的輻射劑量減少5倍。但是,增加艙體質量厚度的代價是十分高的。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,除了質量屏蔽外,還要采取以下一些措施:(1)選擇合適的發(fā)射時間。在低地軌道飛行時,發(fā)射時間的選擇不很重要,但在登月飛行或火星飛行時,就需考慮太陽質子事件發(fā)生的概率,盡量選擇太陽活動低年時發(fā)射。(2)進行飛行輻射危險性分析。通過分析,提出是否需要進行干預的意見,及提出干預措施及防護行動的劑量水平。(3)飛行期間監(jiān)測軌道輻射環(huán)境和艙內(nèi)輻射環(huán)境的輻射劑量,及時向航天員和地面指揮中心提供軌道輻射環(huán)境變化的有關信息,尤其是太陽質子事件到達的信息。(4)地面天文臺站需不間斷地實時進行太陽活動觀測,并將觀測和近期預報結果提供地面指揮中心。(5)航天員應裝備個人劑量儀,使航天員能及時了解到個人接收輻射照射的有關信息。必要時,可設置聲、光報警,及時向航天員提示輻射環(huán)境惡化的信號。(6)采用化學藥物防護方法。實驗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,在輻射劑量超限時服用,可以減輕輻射的傷害。
目前,美國對空間輻射的影響十分關注。美國航宇局正在研制模擬太空輻射環(huán)境的設備及從分子和細胞水平分析輻射的生物效應。美國航宇局為了進行輻射研究,研制了進行輻射研究的設備。例如,美國航宇局資助洛馬琳達大學,研制進行質子研究的設備;資助布魯克海文國家實驗室,研制進行重離子研究的設備;資助英國核實驗室進行調(diào)壓器應用設備的研制等。這些設備將用于進行輻射生物學和防護的研究。
在國際空間站上生活的航天員由于沒有地球磁場的屏蔽作用及長期生活在太空,其所受的輻射總量要超過在地球時的水平。因此它是一個研究空間輻射的好場所,其真實的輻射環(huán)境是地球上的模擬設備所無法創(chuàng)造的。在國際空間站上,輻射研究是一個重要課題。站上將采用多種方法定量地監(jiān)測座艙內(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)也有輻射劑量檢測儀,定期將測量信息送回地面。此外,還有薄紙樣的輻射劑量計數(shù)器和艙內(nèi)外釋放粒子探測器和分光器,檢測銀河系發(fā)出的輻射。美國航宇局顧問組制定了航天員輻射劑量個人耐受極限。只有確保國際空間站上的航天員受到的輻射在標準耐受范圍內(nèi),才能為將來火星探險計劃設計性能更強的防輻射系統(tǒng)打下基礎。
浙公網(wǎng)安備 33059102000256號
