雷朋新款太阳镜:动物航天的意义

动物航天的意义

一、动物航天的意义

在浩瀚的太空中，除航天员外，还有远远超出航天员数目的各种动物曾经或正在太空中飞行着。人们为什么花费很大的代价把动物送上太空呢？因为动物航天具有如下重要的意义：

1．检验飞船系统的可靠性

载人航天的最终目的是将人送上天，使人能在太空环境中很好地生活和工作。为了达到这一目的，首要的任务是研制能够适合人生存的航天器。但在从未实现载人轨道飞行之前，无论是设计人员还是航天医学专家对航天器的人－机系统能否经受航天过程中多种特殊环境的考验心中无数。因此，在将人送上天之前，可以利用动物对飞船系统进行一系列的测试和鉴定性飞行。

前苏联和美国在将人送上天之前，都进行过多次动物飞行实验，每次动物飞行实验不仅对飞船的环境控制、生命保障和救生系统等进行了验证，而且能为提出更完善的实验设计奠定基础。例如，前苏联在“卫星”2号飞船飞行后不到4个月，于1960年12月1日又发射了“卫星”3号飞船。此飞船在返回地面时，由于自动稳定系统出现故障，致使飞船和动物在大气层中烧毁。此后，在改进飞船自动稳定系统的基础上，发射了载有动物的“卫星”4号飞船和“卫星”5号飞船，都取得了成功，然后前苏联才决定发射载有航天员加加林的“东方”1号载人飞船，从而开创了人类进入太空飞行的新纪元。

2．在载人航天中起着“先驱”作用

太空是个十分特殊的环境，尤其失重是地球上的人从未生活过的环境。载人航天前，科学家对在这种环境下人能否生存和工作有着不同的看法。一些医学专家认为，太空环境可能会影响人体的各个生理系统，甚至危害人的生命安全，因此必须首先进行动物航天实验，在确定对动物体无明显影响的情况下，才能进行载人航天。前苏联和美国在载人航天之前都进行了多次各种动物的太空飞行，记录了飞行中动物的四大生理指标（心率、血压、心电和呼吸），在确保动物可以很好生存的情况下，才进行了载人航天。实现载人航天后，尽管动物航天“先驱”的重要作用有所降低，但在实现下一步的载人航天任务之前，例如重返月球、长期太空飞行与星际航行，动物航天仍然起着“先驱”的重要作用。

3．有助于深入地开展航天医学研究

动物和人体实验证明，航天可以引起各生理系统的明显改变，但很多关于这些变化的潜在危害性、变化机理和有效防护措施等深入的医学研究不能在人体中进行。例如，为了探讨某些变化机理，必须从分子、细胞和组织水平上了解航天对人生理系统的影响，在实验方法上需要采用插管、埋藏电极、取活体组织器官等方法，这些损伤性的实验方法不能在人体中进行，必须用动物进行实验。同时，由于参加航天飞行的航天员人数有限，而且他们在飞行中任务繁忙，不可能进行很多的医学实验；又由于航天飞行中对人体的实验条件很难控制，一些因素（例如心理活动、实验前状态、采用的对抗措施等）也会影响实验结果，因此目前对人在太空环境，尤其是失重状态下的一些生理变化规律尚未完全掌握，对生理系统变化机理的探讨也仅是刚刚开始。为了深入地开展航天医学研究，借助航天中的动物实验是必不可少的。

二、动物航天的历程

前苏联/俄罗斯和美国在载人航天的不同阶段进行了不同的动物实验。这些动物实验为载人航天提供了科学依据，为载人航天的成功作出了很大贡献。动物航天的历程大体上可分为载人航天前的准备阶段、登月前的准备阶段和国际生物医学计划实施阶段。

1．载人航天前的准备阶段（1948～1961年）

（1）动物航天实验的目的

前苏联和美国在20世纪40年代末就开始了动物航天实验。这些实验的目的是：

1．探查陌生的空间环境，观察空间辐射和微重力等因素对动物的影响，并查明这些因素是否会引起动物损伤性的变化，以推断将人送上天是否有危险，以及如何防护这些危险。

2．检验载人飞船的发射过程，并对飞船的一些重要系统进行空间实验，确定飞船系统的效能和可靠性，以保证载人航天的顺利进行。

（2）动物航天实验的方式

在载人航天前的准备阶段，动物航天实验的方式主要是生物火箭实验和生物卫星实验。

1．生物火箭实验

从20世纪4O年代末到50年代的10多年中，前苏联和美国用火箭将猴、狗和其他动物发射上天，在接近航天的条件下进行了生物医学研究，目的是了解近似轨道飞行的环境因素对动物的影响。

美国在1948～1952年发射了8枚生物火箭，飞行的动物是7只麻醉的猴和14只清醒的小鼠，火箭飞行高度为58～134公里。实验记录了飞行中猴的心率、呼吸和血压，并拍摄了小鼠的行为。这些实验不仅可以了解整个飞行中动物的状态，对载人航天器的设计和改进也提供了科学数据。例如，1948年将一只猴发射到62公里的高空，可惜的是在返回时由于降落伞系统失火，动物受冲击而死亡。1951年9月，将11只小鼠和1只猴发射到71公里的高空，由于使用了改进的降落伞回收系统，小鼠都活着顺利回到地面，而猴仍在冲击着陆后死亡。1952年5月发射的两只猴因生命保障系统得到改进而成功地返回地面。1958年，美国利用火箭进行了3次载小鼠的亚轨道飞行实验，飞行高度为224公里，目的是研究动物在20～30分钟失重时间内的生理反应。通过遥测心电说明，小鼠可以耐受整个飞行过程。1958～1959年，美国利用“丘比特”火箭进行了3次载动物飞行，目的是观察未麻醉的猴在飞行过程中的意识和确定保障生命活动的基本条件。虽然其中的两次飞行没有回收到动物，但采集的遥测资料为以后的载人航天飞行提供了参考数据。

与美国相比，前苏联的空间动物实验处于领先地位，这些实验也为前苏联载人航天的首次发射成功起到了重要的保障作用。在1949年以前，前苏联就用A－3和A－4系列地理火箭将狗送入空间。

1949～1952年，前苏联进行了密闭舱生物火箭探测，发射了6枚火箭，飞行高度为110公里，有9只狗参加实验，其中3只参加了两次飞行，目的是检测动物密闭舱的生保系统和回收系统，并了解动物高空飞行时的生理功能和行为状态。飞行结果证明，采用再生气体的密闭舱可以保证2只狗飞行3小时，飞行综合因素没有引起动物行为和生理功能的明显改变。

1953～1956年，前苏联发射了9枚火箭，飞行高度为110公里，12只狗参加实验，记录了狗在飞行中的四大生理指标（呼吸、心率、血压和体温），目的是研究穿密闭服的动物在非密闭舱内的生理反应以及在不同高度弹射回收动物的安全性。飞行结果证明，在非密闭舱中穿着密闭服的动物，在79～86公里高度以565～728米／秒的速度和在39～46公里高度以1020～1150米/秒的速度弹射回收是可行的；在完全和部分失重的情况下，动物的脉搏、呼吸和血压无明显异常。

1955～1960年，前苏联发射了11枚火箭，飞行高度为212～450公里，14只狗参加实验，部分动物飞行了2～3次。目的是探测更高高度的飞行对动物的影响，研究有关设备与防护措施在保证动物安全中的作用。飞行结果证明，失重对狗的生理功能影响不大，在整个飞行期间密闭舱提供了维持动物生命的可靠条件；在再入阶段，由于引导伞释放前振动和翻滚产生的多项加速度对狗有严重影响，回收后即刻发现部分狗的肛门、鼻和眼巩膜有出血现象。此结果对载人航天器的发射和返回技术提出了更高的要求。

我国在1964～1966年成功地发射了T7A－S1和T7A－S2生物探空火箭，将狗、大白鼠和小白鼠等动物垂直发射到70～80公里高空，用于研究火箭发射过程中的主动段、失重段和返回段环境对动物机体的影响。

通过生物火箭实验达到了以下目的：

获取了火箭在飞行过程中的一些动力学因素（如超重、失重、噪声和振动冲击）对动物生理功能影响的实验资料；

初步了解了高空大气的物理性质和宇宙辐射的强度；

初步解决了密闭舱弹射、回收和安全救生的方法；

研究了密闭舱生命保障系统和防护装置；

发展了生物遥测技术。

2．生物卫星实验

首次生物卫星实验是前苏联于1957年11月3日发射第2颗人造地球卫星时进行的。星上携带了一只名叫“莱伊卡”的狗，这也是第一次在轨道上进行的长时间生物医学研究。这次生物卫星实验研究了空间综合因素对高等动物的影响，并考验了从1956年开始研制的生保系统和生理遥测系统等飞行装置的效能。因这颗人造地球卫星不能返回地面，“莱伊卡”在消耗完卫星上的氧气后死亡。但此次飞行说明高等动物可以耐受发射和轨道的飞行环境，特别是能在失重环境下生活。1960～1961年，前苏联利用可返回地面的卫星式飞船进行了生物研究，先后发射了5艘卫星式飞船，除第1艘外，其他的飞船上都载有动物（狗、大鼠、小鼠、豚鼠、蛙和果蝇等）。在卫星式飞船飞行期间，利用遥测技术记录了狗的四项生理指标，并用舱内的电视摄像机记录了动物的反应和行为。

美国在载人航天前的准备阶段也进行了生物卫星实验，主要以猴和黑猩猩作为实验对象。最后，美国还在“水星”飞船上进行了载人前的生物飞行实验。1961年1月31日，一只叫做“哈姆”的黑猩猩在“水星”飞船的座舱内完成了16分32秒的亚轨道飞行实验。3个月后，航天员谢泼德完成了首次载人亚轨道飞行。同年11月，另一只叫做“埃罗斯”的黑猩猩也乘“水星”飞船上天，完成了3圈轨道飞行。1962年2月20日，美国航天员格伦完成了首次载人轨道飞行。

与火箭相比，生物卫星飞行的时间更长，而且具有较长时间的失重环境，因此可以获得更多的实验资料。通过在生物卫星上的动物实验，使人们进一步消除了人上天前的一系列疑虑，排除了空间因素对人体有重大危害的可能性，证实了载人航天的可能性和可靠性。它为载人航天起到了“开路先锋”的作用。

2．登月前的准备阶段（1966～1970年）

美国在前苏联赢得了载人航天“第一”之后，为了与其进行空间竞赛，制定了“阿波罗”登月计划。同时，前苏联也在进行着载人登月的准备。此阶段开展的航天动物实验就是为配合载人登月任务而开展的。实验的主要目的是研究地球－月球－地球飞行和较长时间飞行时失重、电离辐射与其他因素对动物体的影响，以便为航天员的登月和更长时间的飞行提供科学依据。

60年代中后期，八樟称为“探测器号”的探测器，其中前5次失败，后4次成功返回。在“探测器”5～8号探测器上载有龟和果蝇等动物。1968年9月15日发射的载有龟和其他生物的“探测器”5号探测器飞到距月球1950公里处，绕过月球的背面，然后顺利返回地面。4次“探测器号”探测器飞行的结果表明，飞行过程中的失重和辐射因素没有使龟的生理功能和结构发生明显改变。结合果蝇和植物的实验研究认为，如果人在太阳活动处于低水平时进行地球－月球－地球航线的飞行，辐射环境不会对其机体造成损伤。

美国在此期间发射了6颗生物卫星，由于种种原因只有2次飞行成功，进行实验的动物包括猴、甲虫、寄生蜂和果蝇等。猴未完成原定的30天飞行，飞行了8天半后就返回地面，回收后12小时因心室纤颤而死亡。美国的实验结果也表明，辐射与失重或航天其他因素的综合作用可使果蝇对辐射的敏感性增加。美国在实现载人登月后仍未放弃动物航天实验，1973年发射的“阿波罗”17号飞船还首次进行了哺乳动物与人的结伴飞行，有5只囊鼠与3名航天员一起飞往月球，并绕月球轨道飞行了数天，其目的是研究高能宇宙粒子辐射对动物大脑的影响。

3．国际生物医学计划实施阶段（1970年至今）

前苏联从1970年开始发射以“宇宙”命名的一系列生物卫星，之后还邀请美国、法国、匈牙利、波兰、捷克、保加利亚、罗马尼亚、民主德国等国参加。20世纪70年代发射的“宇宙”系列卫星中携带的哺乳动物主要是大鼠，到80年代后期还增加了猴。“宇宙”生物卫星计划研究的目的是了解短期失重和辐射对动物体的影响以及研究保护动物免受失重影响的方法。

除了在生物卫星上进行研究外，美国、前苏联／俄罗斯和欧洲空间局还利用有人和无人飞船以及空间站、航天飞机等进行了大量的搭载动物实验。例如，前苏联在“卫星”1～5号飞船、“联盟号”飞船、“礼炮号”空间站与“和平号”空间站中都进行过动物实验。动物实验研究的范围很广，包括遗传学、胚胎学、细胞学、组织学、形态学、解剖学、生理学、生物化学、行为学、放射生物学等。研究的结果不仅证实了以前短期航天飞行时所观察到的一些生物现象，而且还获得了一些新的发现。美国除了在“水星”5号、“双子星座”3号、“双子星座”6号、“双子星座”8号、“双子星座”11号、“双子星座”12号、“阿波罗”14号、“阿波罗”16号、“阿波罗”17号飞船上进行了生物实验外，还和欧洲空间局专门在航天飞机上设置空间实验室进行动物实验，研究细胞生物学、发育生物学和生理学等以及失重环境对动物生长、血液、免疫、心血管、肌肉、骨骼等方面的影响。为了更深入地进行生物医学研究，美国航宇局还制定了空间生命科学研究计划。1991年和1993年在航天飞机的空间实验室中进行了20项生命科学实验，其中9项实验的对象是动物，主要是进行前庭、心血管和心肺代谢的研究。这些实验还为空间生物学和医学研究提供了许多宝贵资料。

三、动物航天实验取得的一些医学成果

参加过航天飞行的动物种类繁多，包括灵长类动物（黑猩猩、恒河猴、松鼠猴、卷尾猴），啮齿类动物（囊鼠、大鼠、小鼠、田鼠、豚鼠、兔），爬行类动物（蝾螈、蛙、龟）和狗、猫、鱼等。通过动物的航天实验，尤其是啮齿类动物和猴的实验，取得了如下一些医学成果：

1．失重对骨骼系统的影响

对航天飞行中人体研究的结果表明，失重可引起航天员承重骨的骨密度下降和持续性的骨质脱钙。通过“宇宙”系列生物卫星和航天飞机空间实验室对动物骨骼系统的生物力学、形态学、化学成分变化及生长情况的研究，证实和进一步了解了失重对骨骼系统的影响，并对其发生机理进行了初步探讨。通过动物航天实验得到以下结果：

（1）失重可引起动物骨质减少，但矿物质和基质成分的改变带有严格的选择性与局部性的特征；

（2）航天可引起大鼠一些骨骼，例如椎骨的坚固性和硬度下降；

（3）航天可引起一些大鼠骨骼的生长速度和矿化速度减慢，例如挠骨的生长速度减慢40％左右，肱骨的矿化速度下降23％；

（4）航天可使大鼠骨折后的愈合速度减慢；

（5）航天中处于人工重力作用下的鼠在飞行后骨骼的生长立即恢复；

（6）失重引起骨质减少的原因，是由于骨骼形成及其生长过程发生障碍，骨吸收作用增强。

2．失重对肌肉系统的影响

空间人体实验研究的结果表明，失重可引起肌肉萎缩、肌力下降和体力工作能力降低，航天中的体育锻炼可以减缓肌肉萎缩的进程，但不能阻止其发生。动物航天实验的结果证实了此现象，并有所发展。航天动物实验的结果如下：

（1）从解剖学、组织学和生化指标的变化进一步证实了失重飞行可引起骨骼肌的萎缩，肌萎缩发生在慢肌纤维内，而不是在快肌纤维内；

（2）失重飞行可引起大鼠、比目鱼肌和趾伸长肌肌肉伸缩速度加快，但力量、耐力和弹性下降；

（3）电子显微镜观察结果表明，在航天中可发生肌纤维损伤和坏死、肌肉再生和失神经支配，神经－肌肉内连接水平上的突触再建；

（4）肌萎缩的根

3．失重对神经感觉系统的影响

失重飞行可以引起航天员发生空间运动病，这已是一个确切的事实，但对其机理尚不清楚。由于地面上存在1G的重力，始终对人前庭的重力感受器有刺激，因此在地面上进行空间运动病发生机理的研究是很困难的。探讨空间运动病发病机理的最好方法是在航天中用动物进行研究。

空间运动病的发生与人前庭器官的耳石和半规管以及中枢神经系统的兴奋性有关，因此首先要研究失重情况下这两部分发生的变化。1970年，美国在一颗卫星上进行的一项重要实验，就是监测两只牛蛙在失重和人工重力下耳石感受器的功能状态。实验是通过埋藏电极的方法，比较飞行蛙和地面对照组蛙前庭神经细胞发放冲动的改变。结果表明，飞行蛙刚进入失重环境后，前庭神经细胞发放的冲动会明显增加，随后就会减少，3天后恢复到正常水平。后来，美国在航天飞机的航天医学－生物学实验室中，采用电子显微镜的方法观察鼠前庭斑Ⅰ型和Ⅱ型毛细胞上神经突触的变化，结果是发生了改变。俄罗斯科学家研究了航天中猴的前庭－眼反射对失重环境的适应情况，发现在进入失重环境的初期，耳石和半现管的兴奋性增强，5～6天后，前庭神经核对前庭刺激的反应恢复正常。在动物航天中也进行了失重对脑系统结构影响的研究，研究表明鼠在空间生活5天后，小脑的颗粒细胞和台状纤维的活动增强，说明它们接受了来自耳石器官和前庭神经核的强烈传入冲动，表明在失重环境下耳石－前庭神经核系统毛细胞的敏感性增强了。一些动物航天的前庭实验证实了发生空间运动病的“感觉冲突论”假说，但也有不同的实验结果，因此空间运动病的发病机理还需要进一步研究。

四、未来动物航天研究的方向

1．进一步了解长期微重力对生理功能的影响并探讨其机制

目前航天员和动物飞行的结果表明，失重对人机体所有的生理系统都有不同程度的影响，而且一些生理系统的变化将影响今后的长期航天飞行，尤其是星际飞行。因此，今后动物航天生理学的研究重点是研究更长时间航天飞行对人机体的影响，并主要集中在神经生理学、骨骼－肌肉生理学、心血管生理学，以及生殖、生长、发育生理学等方面。

（1）神经生理学研究的主要任务是：

1．探讨空间运动病的发病机理，并寻找有效的防护措施和治疗方法；

2．研究微重力下空间定向、姿态维持和前庭－眼球反射的变化与适应过程；

3．研究失重对中枢神经系统的影响；

4．研究失重对新生儿感觉－运动功能发育的影响。

（2）骨骼生理学的研究集中在以下几个方面：

1．探讨航天引起骨质疏松的机理并寻找有效的防护措施；

2．航天时肌肉萎缩对骨骼系统的影响；

3．返回地球后已脱失骨钙骨骼的恢复情况。

（3）失重肌肉生理学研究的重点是研究长期失重时肌肉萎缩的原因和防护措施。

（4）失重心血管生理学研究的重点是探讨失重时心血管变化的机理，其潜在的危险性及防护措施。

（5）生殖、生长、发育生理学的研究重点是研究空间微重力对卵子和精子的作用，以及对受精卵及其生长和发育的影响。

2．研究采用人工重力的防护措施

为了克服长期失重对人机体的影响，最有效的方法是在载人航天器中设置人工重力。前苏联在“宇宙”系列生物卫星上研究的结果表明，人工重力对防止失重对人生理系统的一些影响是有效的，不过研究也发现生活在航天器离心机上的鼠出现一些不良的副作用，例如动物脑皮层的工作能力下降，抑制了脑有关区域（特别是运动区）的蛋白质代谢，同时也观察到动物半规管的敏感性和反应能力降低。这可能是由于离心机的臂太短、转速太快造成的。人在转速快的离心机中也会产生前庭器官的一些反应和幻觉。所以，在设计人工重力环境时，必须考虑离心机的转速和旋转半径对人体的影响，合理地匹配旋转半径和转速，并对有关人员进行适应性训练，将副作用减小到可以接受的程度。人工重力防护措施的设计和验证，除了进行人体试验外，还需要在航天中进行动物实验。

3．研究失重和其他因素（辐射、重力环境）的综合作用对机体的影响

21世纪是星际航行的时代，在缺少大气及地磁屏障的星际航行时，空间辐射特别是多种电离辐射将对航天员的健康构成严重威胁，尤其是在航天员经受长期失重影响后，辐射对人体的影响将会更大。自从载人航天以来，人主要是在地球轨道上飞行，因此对于人进入其他星球时辐射对机体的影响及其与失重的复合作用对机体的危害性研究得很少。目前，美国航宇局已经把空间辐射列为长期载人航天飞行的主要限制因素之一，并决定加强这方面的研究，以获取足够的知识，设计合理的防护措施，减少辐射对人体的危害。今后重点是从分子、细胞、组织和整体水平上研究各种空间电离辐射及其与失重的综合作用对不同生物体的影响，并找出有效的防护措施。

在载人航天史上，动物航天起到了“先驱”的作用。将来，为了更好地开发和利用空间。人们将会在空间长期地生活和工作，为了保证人的健康与安全，动物航天实验将来也是不可缺少的，动物又会为人类的长期航天“再立新功”。