宇航员需要什么才能在危险的火星之旅中生存下来？

在电影中的火星任务中，到达那里是比较容易的部分。火星救援马克·沃特尼一直很好，直到一场沙尘暴让他不得不独自谋生。道格拉斯·奎德在火星上的短途旅行全面回忆一切顺利，直到他在火星海关和移民局遭到袭击。

但在现实生活中，往返火星充满了与极端天气或武装枪手无关的危险。

“火星之旅很可能是让四到六个人在一个温尼贝戈大小的罐子里一起生活三年，”休斯顿 NASA 人类研究项目副首席科学家莱蒂西亚·维加 (Leticia Vega) 说道。在火星上停留的时间将介于六到九个月的旅行和同样漫长的返程之间。

一旦离开地球的引力和磁场保护，微重力和辐射就会成为大问题。微重力会导致脑部积液，从而导致视力问题，而穿越星际空间的探险者将不断受到高能带电粒子的袭击，这些粒子会直接穿过航天器的金属腹部。研究人员还不知道这种辐射的危害有多大，但实验室实验表明，它可能会增加宇航员患癌症和其他疾病的风险。

任务时间长也会带来危险。“当你想到去火星时，月球就像是一次露营之旅，”美国宇航局休斯顿约翰逊航天中心的急救医学医师兼航天工程师埃里克·安东森说。社会和心理问题这可能发生在被困在星际移动房屋里的人们之间（SN：11/29/14，第 22 页），三年的时间比为期数天的阿波罗任务要长得多，也更容易生病或受伤。火星距离地球的距离是月球距离的 600 倍。即使是光速通信也需要大约 20 分钟才能从火星到达地球。紧急情况下打电话给休斯顿求助是不可能的。

“现实情况是，当我们首次执行火星任务时，很可能会有人死亡，”安东森说。“如果有人出去时眼球擦伤，并且对航天器上的东西没有反应，他们回来时就会变成独眼杰克。”

尽管存在这些危险，美国、俄罗斯、中国和其他国家都表达了将人类送上火星的意图。NASA 计划在 2030 年代开展火星探测任务。考虑到这一期限，研究人员正在开发一套医疗设备和药物，供火星之旅使用。

这份装箱单上的物品尚处于开发的早期阶段，有些还相当不实用且未经证实。通用诊断棒是一个遥不可及的梦想。但研究人员正在设计人造重力服、抗辐射药物和微型医疗工具，科学家们希望这些工具能在大约十年内准备就绪，以保证第一批火星旅行者的安全和健康。

伪造重力

虽然看起来非常轻松，但在微重力环境下漂浮对你来说却非常糟糕。当身体不需要拉动自己的重量时，肌肉和骨骼就会变得虚弱。这在航天早期是一个大问题。当苏联联盟号 9 号机组人员创纪录地在太空停留 18 天后返回1970 年 6 月，一名宇航员因身体虚弱走出着陆舱时无法携带自己的头盔（SN：70年6月27日，第615页）。如今，国际空间站上的宇航员每天通过锻炼几个小时来保持体力。但微重力环境下生活的其他问题仍未得到解决。

在太空中，地球引力通常会将体液保持在下半身，而体液会向头部流动，从而增加颅内压。“如果你坐在椅子上，把头放在膝盖之间……感觉有点像这样，”美国宇航局宇航员托马斯·马什伯恩说，他于 2013 年在空间站完成了为期五个月的工作。

研究人员怀疑，眼后压力持续升高是导致大约一半宇航员在太空中出现视力问题（如远视）的原因。“我很难看清笔记本电脑上的按键，”马什伯恩回忆道。

失重还会使内耳中负责平衡和运动控制的重力感应前庭器官产生混乱。马什伯恩说，回到地球后，“那天结束时，我可以轻松地走直线，但花了几天时间才开始在拐角处行走”，而不会撞到墙上。

为了确保宇航员能够直立行走并看清他们在火星上所做的事情，飞船可以配备人造重力机器。其中一台机器是下体负压舱，简称 LBNP。当一个人腰部以下被密封时，该设备将真空压力施加到身体的下半部分。真空重现了向下的重力，将人的双脚牢牢地固定在舱底板上，并将体液吸向腿部。

在一项实验中，10 名志愿者已经植入了用于测量颅内压的医疗设备，他们将下半身封闭在 LBNP 室内。参与者必须躺下进行实验，以使他们的颅内压更接近太空中的颅内压。当地球上的人从站立状态变为躺下时，他们的颅内压会从大约 0 毫米汞柱上升到大约 15 毫米汞柱——更接近宇航员在太空中经历的颅内压。随着研究人员慢慢增加设备的真空压力，参与者的平均颅内压从15 mmHg降至9.4 mmHg研究人员在 2019 年的生理学杂志。

加州大学圣地亚哥分校的太空生理学家 Alan Hargens 表示：“我们现在真的不知道需要多长时间（在 LBNP 中）来保护身体”免受太空中液体转移的有害影响。但为了防止 LBNP 成为一天中的重要部分，Hargens 的团队制造了一套可以在日常活动中穿着的 LBNP 原型服。这套衣服由一套带有内置鞋子的工作服和腰部密封件组成。真空压力将穿着者拉到鞋底上。“这些下半身负压装置是人造重力的早期形式，”Hargens 说。与正在测试的替代装置（如离心机）相比，此类装置可能更容易送入太空。

离心机通过离心力模拟重力——当你把桶摇过头顶时，水会留在桶底。为帮助宇航员在微重力环境下生存而设计的离心机看起来有点像旋转木马，但用床代替了小马。乘坐者躺在床上，头朝向旋转木马的中心，旋转木马会向脚施加水平离心力，其强度与重力向下的拉力一样大。在宇宙飞船中发射一个房间大小的离心机要比发射 LBNP 服困难得多。但一些研究人员认为，全身离心体验可能会对抗 LBNP 无法解决的微重力问题，例如内耳问题。

为了研究离心机对感觉运动控制的影响，佛罗里达大学盖恩斯维尔分校的运动控制研究员雷切尔·塞德勒 (Rachael Seidler) 和同事让 24 名志愿者在床上躺了 60 天，以模拟微重力下的生活。其中 16 名参与者每天在离心机中旋转 30 分钟，而其他 8 名参与者则没有离心。在卧床休息之前和之后，参与者接受了平衡测试，并参加了障碍训练。塞德勒说：“我们只是对数据进行了非常初步的了解，但看起来人造重力确实有助于”运动控制。

做好辐射防护

对于火星宇航员来说，在微重力环境下生活可能是一个问题，但至少对宇航员来说，这是一个熟悉的挑战。另一方面，长期暴露在深空辐射下，是太空旅行者从未遇到过的危险。

太阳系中充斥着被称为银河宇宙射线的带电粒子，其传播速度接近光速。这些粒子可以像撕纸一样撕碎金属，杀死细胞或导致 DNA 发生突变。空间站上的宇航员和地球上的人一样，在很大程度上受到地球磁场的保护，不会受到这些微小破坏球的伤害。但前往火星的宇航员将完全暴露在外。在前往火星的途中，宇航员预计每天将受到近 2 毫西弗的辐射，大约相当于每六天进行一次全身 CT 扫描。

唯一完全暴露在深空辐射下的人是那些登上月球的人，但他们暴露的时间不到两周。在火星任务中，“我们真的不知道人类在受到这种类型的辐射时会发生什么，”休斯顿贝勒医学院的太空医学研究员 Emmanuel Urquieta 说。但从实验室动物和细胞实验来看，这种辐射不会给宇航员带来任何超能力。

在对动物和人体组织的测试中，模拟太空辐射的粒子束会破坏心脏和血管组织，这表明火星宇航员罹患心血管疾病的风险可能更高根据 2018 年的一份报告自然评论心脏病学. 同样，对暴露于辐射的啮齿动物的观察表明太空辐射会损害认知功能研究人员在 2019 年 5 月的一篇评论文章中报告称太空研究中的生命科学。

纽约州厄普顿布鲁克海文国家实验室研究辐射生物学效应的研究员彼得·吉达 (Peter Guida) 说：“还有大量数据显示辐射会在肺、肝和脑中诱发癌症。”

实验室动物或细胞培养物中出现的可怕辐射效应应该持保留态度。老鼠不是人，培养皿中的脑细胞不会形成大脑。此外，动物和细胞通常会在一次或数周或数月的一系列辐射暴露中接受整个火星任务级别的辐射剂量，这与持续接受低剂量辐射不同。但这些实验发出的警告信号已经足够令人担忧，研究人员正在测试各种抗辐射药物。

“对抗措施发展的最大和最有前景的领域是抗氧化剂，”Guida 说。高能带电粒子会将体内的水分子分裂成有毒化合物（称为活性氧）而造成伤害。用抗氧化剂滋养身体可以帮助中和一些活性氧并抑制其影响。选择包括维生素 A 和 E，以及硒蛋氨酸（一些膳食补充剂中的一种成分）。“所有这些已被证明在不同程度上减少了辐射的负面影响，”他说。

甚至利用浆果的天然抗氧化能力也可能有所帮助。在一项实验中，喂食添加冻干蓝莓粉的食物四周的老鼠在暴露于高能带电粒子后，在记忆测试中的表现似乎比暴露前喂食正常食物的老鼠略好。在测试中，老鼠被展示两个物体：一个它们在暴露于辐射之前见过，另一个它们没有见过。喂食蓝莓的老鼠花了近 70% 的时间探索新物体，正如动物能识别旧物体一样。但其他老鼠花了大约一半的时间探索每个物体，这表明他们忘记了之前见过的物体研究人员在 2017 年报告称太空研究中的生命科学。

小石城阿肯色大学医学科学系的放射生物学家 Marjan Boerma 表示，抗氧化剂本身可能不足以起到保护作用。Boerma 及其同事正在测试阿司匹林和其他抗炎药（包括一种名为 γ-生育三烯酚的维生素 E）是否有助于减少高能粒子对细胞的损伤。这可能需要多种药物——或者可能是精心混合的冰沙。她说，科学家们还远未敲定这种抗辐射方案的确切成分。

宇航员，治愈你自己

在人造重力环境下换班和服用抗氧化剂可能成为宇航员的日常生活。但火星游客还必须应对任何意外疾病和伤害，因为没有任务控制中心的帮助，他们无法应对紧急情况。

火星宇航员中可能包括一名医生。“但那个人也可能生病，”乌尔基塔说，“而且那个医生不会在 10 个不同的专业领域获得委员会认证。”理想情况下，火星飞船将配备人工智能，可以考虑宇航员的症状，推荐医疗检查，做出诊断并分配治疗。但可靠的“人工智能医生”离现实还很远。

目前，最复杂的症状检查工具是 VisualDx 之类的工具，这是医院和诊所的医护人员使用的诊断软件。用户回答有关患者的问题，例如症状和人口统计特征，以筛选可能的诊断。对于皮肤病，VisualDx 还可以分析患者皮肤的照片；现在它正在扩展以帮助用户评估超声波扫描。

皮肤科医生兼 VisualDx 首席执行官 Art Papier 和同事们设计了一套适用于深空环境的系统，该系统可在无需互联网的笔记本电脑上运行。该软件不必考虑所有可能的诊断，例如热带地区的传染病。相反，重点是宇航员患上皮疹或肾结石等概率较高的疾病。

为了帮助宇航员进行急救和体检，休斯顿 KBR 公司的航天生理学家和太空医学科学家道格拉斯·埃伯特和同事们正在开发一种名为“自主医务官支持系统”（AMOS）的工具。该软件的早期版本使用图片和视频来教新手如何进行眼科检查或插入呼吸管等操作。

研究人员让大约 30 名非医生测试了 AMOS 原型，他们学习了如何执行几种医疗程序。这些人在三到九个月后回来再次执行这些程序，并在必要时使用该软件进行指导，以模仿宇航员如何使用 AMOS 进行飞行前训练和在紧急情况下提供即时支持。

约 80% 的参与者准确地进行了眼科检查和超声波检查，约 70% 的参与者正确地插入了静脉注射管。当涉及到一项更艰巨的任务——插入呼吸管时，只有大约一半的人成功了，埃伯特和同事于 1 月在德克萨斯州加尔维斯顿举行的 NASA 人类研究计划调查员研讨会上报告道。4 月，空间站上的宇航员成功地使用该软件进行了肾脏和膀胱超声扫描，而无需地面控制人员的帮助。

在进行体检时，宇航员不会带着飞船企业的医务室可供他们使用。他们需要适合航天器的微型医疗设备。

对于医学成像，太空医学研究人员关注的是一款名为 Butterfly iQ 的新型超声波设备，该设备用电动剃须刀大小的单个探头取代了通常需要用于对不同身体部位进行成像的各种传感器。标准超声波机器比 Butterfly iQ 重约 15 倍，后者可在移动应用上显示图像。

1Drop Diagnostics 公司正在开发信用卡大小的芯片，用于检测手指刺破血液样本中不同疾病的化学标记物，该公司还致力于为宇航员提供便携式血液检测。

宇航员用来互相治疗的医疗包必须轻巧紧凑。为了决定在太空飞船急救包里放什么，研究人员使用了 NASA 的综合医疗模型，该模型可以预测宇航员在执行特定任务时最有可能出现哪些健康问题。

研究人员输入任务细节，例如机组人员的目的地、宇航员的性别和既往病史。然后，该模型运行数千次任务模拟，以评估特定机组人员患便秘、心脏病等疾病的风险，以便规划人员可以优先安排医疗用品。

埃伯特和同事们已经使用该系统为 NASA 计划于 2022 年进行的载人月球飞行任务制定了一份初步的急救包清单。对于这次为期三周的旅行来说，急救箱非常简单：治疗背痛、晕动病等的药物。

埃伯特说，打包行李前往火星将是一场全新的游戏。但研究人员至少还有十年的时间来缩小设备尺寸，并找出哪种医疗用品组合能让火星宇航员在史诗般的旅程中存活下来。