太空人需要什麼才能在危險的火星之旅中生存下來？

在電影中的火星任務中，到達那裡是最容易的部分。火星人馬克沃特尼（Mark Watney）一直都很好，直到一場沙塵暴讓他只能自力更生。 道格拉斯·奎德在《紅色星球》的短途旅行全面回憶一直一帆風順，直到他在火星海關和移民局受到攻擊。

但在現實生活中，光是往返火星就會充滿危險，而這些危險與極端天氣或武裝槍手無關。

「火星任務可能需要四到六個人一起在一個溫尼貝戈大小的罐子裡生活三年，」位於休士頓的 NASA 人類研究計畫副首席科學家萊蒂西亞·維加 (Leticia Vega) 說。 在地球上的時間將夾在六到九個月的旅程和同樣的長途返回之間。

一旦脫離地球的引力場和磁場保護，微重力和輻射就會成為大問題。 微重力會使液體在頭部積聚，從而導致視力問題，而在星際空間中航行的冒險家將不斷受到高能量帶電粒子的撞擊，這些粒子會直接穿過太空船的金屬腹部。 研究人員不知道這種輻射到底有多有害，但實驗室實驗顯示它可能會增加太空人罹患癌症和其他疾病的風險。

任務的持續時間長也會帶來危險。 「當你想到去火星時，月球就像一次露營旅行，」艾瑞克·安東森（Erik Antonsen）說，他是休士頓美國太空總署約翰遜太空中心的急診醫學醫師和航太工程師。 拋開社會和心理問題這可能發生在被困在星際移動房屋內的人之間（SN：2014 年 11 月 29 日，第 14 頁 22 號），與為期一天的阿波羅任務相比，三年提供了更多的時間和機會生病或受傷。 火星距離地球的距離大約是月球距離的 600 倍。 即使是光速通信，從火星到達地球也需要大約 20 分鐘。 在緊急情況下打電話給休斯頓尋求幫助是不可能的。

「現實情況是，當我們執行第一次火星任務時，很可能有人死亡，」安東森說。 “如果有人出去，眼球被擦傷，而且眼球對車上的任何東西都沒有反應，那麼他們回來時就會變成獨眼傑克。”

儘管存在這些危險，美國、俄羅斯、中國和其他國家都表達了將人員送往這顆紅色星球的意圖。 NASA 正計劃在 2030 年代執行火星任務。 考慮到這個最後期限，研究人員正在開發一套醫療設備和藥物，以實現火星之旅。

此裝箱單上的項目處於開發的早期階段，在某些情況下，仍然非常不切實際且未經證實。 通用診斷棒是一個遙遠的夢想。 但研究人員正在設計人造重力服、抗輻射藥物和微型醫療工具，科學家希望這些工具能在大約十年內準備就緒，以確保第一批火星旅行者的安全和健康。

假裝重力

對於看起來如此輕鬆的事情來說，在微重力中漂浮對你來說出奇地有害。 當身體不需要拉動自身重量時，肌肉和骨骼就會減弱。 這在航太早期是一個大問題。 當蘇聯聯盟9號機組人員太空停留 18 天創紀錄返回1970年6月，一名太空人走出登陸艙時身體虛弱，無法攜帶自己的安全帽（SN：70 年 6 月 27 日，第 6 頁 615）。 如今，國際太空站上的太空人每天透過鍛鍊幾個小時來保持體力。 但微重力下生命的其他問題仍未解決。

在太空中，地球引力通常保留在下半身的體液會流向頭部，增加顱內壓。 「如果你坐在椅子上，把頭放在膝蓋之間……那就有點像這種感覺，」2013 年在太空站完成了五個月任務的NASA 太空人托馬斯·馬什伯恩(Thomas Marshburn) 說道。

研究人員懷疑，眼後壓力持續升高是造成視力問題的原因，例如大約一半的太空人在太空中出現遠視問題。 「我很難讀懂筆記型電腦上的按鍵，」馬什伯恩回憶道。

失重也會擾亂內耳中負責平衡和運動控制的重力感應前庭器官。 返回地球後，「那天結束時我可以輕鬆地走直線，但我花了幾天時間才開始繞過拐角」而不會撞到牆上，馬什伯恩說。

為了確保太空人能夠筆直行走並看到他們在火星上所做的事情，太空船可以配備人工重力機器。 其中一種機器是下半身負壓室（LBNP）。 該裝置將真空壓力施加到身體的下半部，同時將人從腰部以下密封。 真空重新產生向下的重力，將人的腳牢牢地踩在房間的地板上，並將體液吸向腿部。

在一項實驗中，10 名已經植入了用於測量顱內壓的醫療設備的志願者將他們的下半身密封在 LBNP 室內。 參與者必須躺下進行實驗，以使他們的顱內壓更接近太空中的情況。 當地球上的人從站立變為躺下時，他們的顱內壓會從大約 0 毫米汞柱上升到大約 15 毫米汞柱——更接近太空人在太空中所經歷的情況。 隨著研究人員慢慢增加設備的真空壓力，參與者的平均顱內壓從 15 毫米汞柱下降至 9.4 毫米汞柱，研究者於 2019 年在《生理學雜誌。

加州大學聖地牙哥分校的太空生理學家艾倫·哈根斯 (Alan Hargens) 表示，「我們現在確實不知道（在 LBNP 中）我們需要多長時間來保護身體」免受太空中液體流動的有害影響。 但為了防止 LBNP 成為一天中的重要組成部分，Hargens 的團隊製作了一款可以在日常活動中穿著的原型 LBNP 套裝。 此套裝由一組內建鞋子的工作服和腰部密封件組成。 真空壓力將穿著者拉到鞋底上。 「這些下半身負壓裝置是人造重力的早期形式，」哈根斯說。 此類設備可能比正在測試的替代品（例如離心機）更容易送入太空。

離心機透過離心力來模擬重力——當你將桶子甩過頭頂時，離心力會將水保留在底部。 旨在幫助太空人在微重力環境下工作的離心機看起來有點像旋轉木馬，但裡面有床而不是小馬。 騎手躺在床上，頭部指向旋轉木馬的中心，旋轉木馬旋轉，向腳部施加水平離心力，其強度與向下的重力一樣強。 在太空船中發射房間大小的離心機比 LBNP 套裝要困難得多。 但一些研究人員認為，全身離心體驗可以解決 LBNP 無法解決的微重力問題，例如內耳問題。

為了研究離心機對感覺運動控制的影響，佛羅裡達大學蓋恩斯維爾分校的運動控制研究員 Rachael Seidler 和同事讓 24 名志願者在床上躺了 60 天，以模擬微重力生活。 其中 16 名參與者每天在離心機中旋轉總共 30 分鐘，而另外 8 名參與者則沒有進行離心。 在臥床休息之前和之後，參與者接受了平衡測試，並接受了障礙訓練。 塞德勒說，「我們剛剛初步了解了」這些數據，但「看起來人造重力確實對運動控制很有幫助」。

做好輻射準備

微重力生活對火星太空人來說可能是一個問題，但至少對太空人來說這是一個熟悉的挑戰。 另一方面，長期暴露於深空輻射是太空旅行者以前從未遇到過的危險。

太陽系充滿了被稱為銀河宇宙射線的帶電粒子，它們以接近光速的速度傳播。 這些顆粒像撕紙一樣撕破金屬，可以殺死細胞或在內部 DNA 中產生突變。 太空站上的太空人，就像地球上的人一樣，在很大程度上受到地球磁場的保護，免受這些微小的破壞球的侵害。 但前往火星的船員將完全暴露在外。 在前往這顆紅色星球的途中，太空人預計每天會受到近兩毫西弗的輻射——大約相當於每六天接受一次全身 CT 掃描。

唯一完全沉浸在深空輻射中的人是那些登上月球的人，但他們暴露的時間不到兩週。 休士頓貝勒醫學院的太空醫學研究員伊曼紐爾·厄奎塔 (Emmanuel Urquieta) 說，在火星任務中，「我們真的不知道人類在受到這些類型的暴露後會發生什麼事」。 但從實驗室動物和細胞實驗來看，這種輻射不會賦予太空人任何超能力。

在對動物和人體組織進行的測試中，旨在模擬太空輻射的粒子束會降解心臟和血管組織，這表明火星太空人罹患心血管疾病的風險可能更高，根據 2018 年的一份報告自然評論心臟病學。 同樣，對暴露於輻射的囓齒動物的觀察顯示太空輻射損害認知功能，研究人員在 2019 年 5 月的一篇評論文章中報告空間研究中的生命科學。

紐約厄普頓布魯克海文國家實驗室研究輻射生物效應的研究員彼得·吉達（Peter Guida）說，「還有大量關於輻射誘發肺部、肝臟和大腦癌症能力的數據」。

在實驗室動物或細胞培養中看到的可怕輻射效應應該保留態度。 老鼠不是人，培養皿裡的腦細胞也不能形成大腦。 此外，動物和細胞通常會在一次或數週或數月的一系列輻射暴露中獲得整個火星任務等級的輻射劑量，這與持續的低水平暴露不同。 但這些實驗的警訊足以令人擔憂，以至於研究人員正在測試各種抗輻射藥物。

「抗氧化劑開發最大、最有前途的領域是抗氧化劑，」Guida 說。 高能量帶電粒子會將體內的水分子分裂成稱為活性氧的有毒化合物，造成損害。 給身體補充抗氧化劑可以幫助中和一些活性氧並抑制它們的影響。 選擇包括維生素 A 和 E，以及硒代蛋氨酸（某些膳食補充劑中的一種成分）。 「所有這些都在不同程度上顯示出可以減少輻射的負面影響，」他說。

即使利用莓果的天然抗氧化能力也可能有所幫助。 在一項實驗中，連續四週餵食含有冷凍乾燥藍莓粉的食物的老鼠在暴露於高能帶電粒子後的記憶測試中似乎比暴露前餵食正常食物的老鼠表現稍好。 在測試中，老鼠被展示了兩個物體：一個是它們在輻射暴露之前見過的，另一個是它們沒有見過的。 餵藍莓的老鼠幾乎 70% 的時間都花在探索新物體上，這與識別舊物體的動物的預期相同。 但其他老鼠花了大約一半的時間探索每個物體，表示他們忘記了之前見過的物體，研究者於 2017 年報告空間研究中的生命科學。

小石城阿肯色醫學大學的放射生物學家 Marjan Boerma 表示，抗氧化劑本身可能不足以提供足夠的保護。 Boerma 和同事正在測試阿斯匹靈和其他抗發炎藥物（包括一種稱為γ-生育三烯酚的維生素 E）是否有助於減少高能量粒子對細胞的損傷。 它可能需要混合多種藥物，或者可能需要精心混合的冰沙。 她說，科學家們還遠遠沒有敲定出抗輻射療法的確切成分。

太空人，治癒自己

拉動人工重力和吞嚥抗氧化劑可能會成為太空人日常生活的一部分。 但火星訪客也必須應對任何意外的疾病和傷害，而任務控制中心無法說服他們解決緊急情況。

火星船員可能包括一名醫生。 “但是那個人也可能會生病，”烏爾奎塔說，“而且那個醫生不會獲得 10 個不同專業的委員會認證。” 理想情況下，火星飛船將配備人工智慧，可以考慮太空人的症狀，建議醫學檢查，進行診斷並分配治療。 但一位可靠的“博士” 「人工智慧」離現實還很遠。

目前，最複雜的症狀檢查器是 VisualDx 等工具，這是醫院和診所的醫護人員使用的診斷軟體。 使用者回答有關患者的問題，例如症狀和人口統計特徵，以篩選可能的診斷。 對於皮膚狀況，VisualDx 還可以分析患者皮膚的照片； 現在它正在擴展以幫助用戶評估超音波掃描。

皮膚科醫生兼 VisualDx 執行長 Art Papier 和同事設計了一個用於深空的系統版本，可以在沒有互聯網的筆記型電腦上運行。 該軟體不必考慮所有可能的診斷，例如來自熱帶的傳染病。 相反，重點是太空人很有可能患上的醫療狀況，例如皮疹或腎結石。

為了幫助太空人完成急救和體檢，休士頓 KBR 公司的航太生理學家和太空醫學科學家 Douglas Ebert 及其同事正在開發一種名為「自主醫療官員支援」（AMOS）系統的工具。 該軟體的早期版本使用圖片和影片來教導新手如何進行眼科檢查或插入呼吸管等。

研究人員與大約 30 名非醫生一起測試了 AMOS 原型，他們學會如何執行多種醫療程序。 三到九個月後，這些人回來再次執行程序，根據需要使用軟體進行指導，模仿太空人如何使用 AMOS 進行飛行前訓練和緊急情況下的即時支援。

大約 80% 的參與者準確地進行了眼科檢查和超音波檢查，大約 70% 的參與者正確地插入了靜脈注射。 艾伯特和同事一月份在德克薩斯州加爾維斯頓舉行的美國宇航局人類研究計劃調查員研討會上報告說，當遇到一項更艱鉅的任務——插入呼吸管時——只有大約一半的人成功完成。 今年四月，太空站上的太空人成功使用該軟體在沒有地面控制幫助的情況下進行腎臟和膀胱超音波掃描。

太空人進行體檢時不會使用星艦企業他們可以使用醫務室。 他們需要適合太空船的微型醫療設備。

對於醫學成像，太空醫學研究人員著眼於一種名為 Butterfly iQ 的新型超音波設備，它取代了通常使用電動刮鬍刀大小的單一探頭對不同身體部位進行成像所需的各種換能器。 標準超音波機械比 Butterfly iQ 重約 15 倍，後者在行動應用程式上顯示影像。

1Drop Diagnostics 公司正在開發信用卡大小的晶片，用於檢測刺穿手指的血液樣本中不同疾病的化學標記物，該公司正在為太空人開發便攜式血液測試。

太空人用來互相修補的醫療包必須重量輕、結構緊湊。 為了確定太空船急救箱中的物品，研究人員使用美國太空總署的綜合醫學模型，該模型可以預測執行特定任務的太空人最有可能出現哪些健康問題。

研究人員輸入任務細節，例如機組人員的前往地點、太空人的性別和先前存在的狀況。 然後，該模型運行數千次任務模擬，以評估特定機組人員患有從便秘到心臟病發作等各種疾病的風險，以便規劃人員可以優先考慮醫療包供應。

Ebert 和同事已經使用該系統為 NASA 計劃於 2022 年進行的載人月球飛行任務制定了初步急救裝箱單。類的。

艾伯特說，收拾行李前往火星將是一場全新的比賽。 但研究人員仍然有至少十年的時間來縮小他們的設備尺寸，並找出什麼樣的醫療用品組合才能為火星宇航員提供在史詩般的航行中生存的最佳機會。