失重生理學是隨著載人航天事業的發展而誕生的一門學科。人類是在地球生態系統中長期演化產生的最高等級生物，人體的組織器官結構和各生理功能系統已經高度進化並充分適應了地球重力環境。一旦進入太空失重環境，人體各主要生理系統勢必發生不同程度的適應性變化。對已有飛行任務的大量觀察資料和實驗研究證明失重引起航天員出現水和電解質代謝失調、心血管功能紊亂、航天貧血症、骨質脫鈣、肌肉萎縮、免疫功能下降、航天運動病等變化。失重生理學是一門研究失重對人體的影響、變化機理和失重對抗措施的科學。我國的失重生理學研究經歷了40多年研究歷程，特別是近10年來成績菲然，取得了巨大的進展。
基本介紹
- 中文名：失重生理學
- 外文名：weightlessness physiology
航天中失重生理系統變化的原因,感覺傳入衝動改變,流體靜壓消失，血液頭向分布,運動能力減退,研究方法,主要方法,建立模型,國內外失重生理學研究發展歷程,國外失重生理學研究的概況,國內失重生理學研究的概況,我國失重生理學未來發展,研究目標,實施方法,
航天中失重生理系統變化的原因
感覺傳入衝動改變
人在長期的進化過程中，逐步產生了適應重力環境的、具有各種特異功能結構的感受器，這些感受器不斷地發放衝動到達中樞，使中樞神經系統產生了一系列適應地球環境的調節機制。航天中，由於重力消失，一些與重力刺激有關的感受器，如前庭感受器、壓力感受器、觸-壓力感受器、肌肉與肌腱感受器等的傳入衝動發生變化，這些變化勢必導致在地面長期形成的、儲存於各級神經中樞內的感覺-調節模式紊亂，同時也更新選來儲存的信息，出現中樞神經系統的重調和生理系統的改變，以適應新的失重環境。這種中樞感覺衝突的紊亂是引起航天初期出現航天適應性綜合症和感覺-運動紊亂的主要原因，也是引起長期航天中一些生理功能紊亂的起因之一。
流體靜壓消失，血液頭向分布
在地球上，流體靜壓對人體內血液的失重時，人體內的血液和其他物體一樣失去了重量，結果使人體內的流體靜壓作用消失。在地球上，流體靜壓對人體內血液分布、血液的流動和整個血液循環狀態都起著十分重要的作用，它的消失會引起血液和體液頭向分布。失重時，人體內的血液和其他物體一樣失去了重量，結果使人體內的流體靜壓作用消失。在地球上，流體靜壓對人體內血液分布、血液的流動和整個血液循環狀態都起著十分重要的作用，它的消失會引起血液和體液頭向分布。
運動能力減退
地球上的人，無論行走、站立、工作都要克服地心引力的作用，經過長時間的發展進化，形成了一套適應重力的、發達的肌肉和骨骼系統。失重時，重力消失，人運動和作功時不需要對抗重力作用及維持體位在一定狀態，肌肉和骨骼的作用降低。這是引起肌肉萎縮、骨質疏鬆、心血管系統和免疫系統變化的重要原因。
研究方法
自從人類開始太空探索以來，人們對失重環境及模擬失重環境下機體各系統的變化開展了大量的研究工作，實驗動物套用研究是其中的主要研究方法。
主要方法
空問實驗能提供真實的失重環境，進行空問實驗需要有適當的運載工具，但造價昂貴是最主要的制約因素。在運載工具進行動物實驗時都需要有特殊的實驗環境和設備。環境控制應符合生命保證的要求，提供適宜的大氣壓力、氣體成分、溫度和濕度；控制噪聲和振動水平；供應水和食物，實際上構成一個完整的生保系統，實驗設備必須完全自動化。設備還應力求體積小、重量輕；在艙內不產生有害成分；電源供應和線路連線等應符合艙內要求；必要時需配備照相等實時記錄裝置；生物標本的容器必須與生物組織有良好的相容性；所有這些都必須通過大量反覆的地面實驗才能確定。
應當指出在多數的空間動物實驗中，受試動物的生活環境受到極大的限制，有報導表明動物生活環境的狹小和限制同樣會造成機體各系統的異常。同時，在太空環境中的動物還不可避免地經受噪聲、振動、宇宙輻射以及加速度等諸多因素的影響，這些因素同樣可能對動物各系統的穩定和平衡產生影響。此外，由於進行太空飛行的經費昂貴，空間有限，飛行次數也較少，限制了進行有關實驗需要達到的數量和分組．導致實驗結果準確性下降。
建立模型
失重動物模型的方法模擬失重動物模型(animal model of simulated micro—gravity)是指利用科學和有效的辦法模擬空間微重力環境(通常也稱失重環境)生物學效應的動物模型。
目前，利用實驗動物進行地面模擬失重模型研究的方法主要有嚙齒類動物後肢懸空+頭低位、限制動物活動、實驗用兔頭低位傾斜法、獼猴頭低位模擬失重等。其中利用將嚙齒類動物尾部懸吊的方法造成動物後肢全解除負荷，加上尾部懸吊導致體液向上半部分轉移的效果，以模擬太空失重環境下的骨骼重力刺激消失及體液的頭向分布的情況，是一種國際公認的地面模擬失重模型。研究結果表明動物懸吊後上身器官質量明顯增加、循環系統發生紊亂、立位耐力降低、骨膜形成受到抑制、骨質脫鈣、肌肉萎縮、免疫能力下降，這些變化與人在失重或模擬失重時的變化趨勢一致。
嚙齒類動物模擬失重模型製作法是將大鼠後肢懸空+頭低位，一般保持身體的主軸向(頭尾方向)與地面保持約呈30°的夾角，此時的後肢全解除負荷。由於該模型能在相當程度上反映機體(尤其是後肢)去負荷的影響以及血液頭向轉移的變化，而且沒有航天飛行中其他環境因素的干擾，目前在觀察失重環境對骨骼肌肉系統和心血管系統所產生影響的研究中得到普遍使用。
限制動物活動方法是將動物養在一個狹小的籠內，使動物不能採取直立姿勢，或是用綁帶和石膏將動物固定。此方法適用於各種實驗動物如猴、狗、兔、鼠等。它可以模擬失重所產生的運動減退對動物的影響，但體液頭向分布的影響小。用石膏、綁帶固定方法容易引起壓瘡，觀察和測試也有一定困難，只能用於模擬失重時問較短的實驗。前蘇聯將動物限制在小籠內，進行了長時間的模擬失重實驗，觀察到很多生理變化與航天中很相似。這些變化提示我們長時間不活動也可以引起人體生理系統的變化，它為航天飛行時加強體育訓練必要性提供了理論依據。
國內外失重生理學研究發展歷程
國外失重生理學研究的概況
國外載人航天失重生理學的研究可分為如下三個階段：
（1）載人航天準備階段
載人航天飛行前，航天醫學家不能回答人是否能在太空中生存的問題，他們擔心太空中的失重環境將影響人體的各生理系統，進而危害航天員的健康和生命。因此，載人航天準備階段失重生理學研究的任務，是觀察人和動物在地面模擬失重條件下和短時間的失重飛行中及超失重交替過程中關鍵生理指標的變化，積累有關的醫學和生理學資料，確定人進行太空飛行的可能性和安全性。
在此期間，採用生物火箭和衛星進行了動物飛行實驗。1946～1947年間，美國首先採用了生物火箭進行猴失重飛行的研究，失重時間僅2～3s。1949年，前蘇聯開始在火箭上進行一系列研究，至1959年的10年間，進行了26次火箭實驗，52隻狗參加實驗，失重時間最長是10min。1957年，前蘇聯把小狗“萊伊卡”送入地球軌道，1960～1961年還成功發射了4個載狗的太空飛行器。在這些實驗中記錄的是與生命有直接關係的生理學指標，例如心率、血壓、呼吸和體溫。實驗證明，動物可以很好地適應失重環境，沒有出現危害動物生命的現象，這為人進入太空奠定了基礎。
（2）短期載人航天飛行階段
1961年，人類開始進行短期載人航天飛行，即少於2周時間的飛行。1961年4月12日，前蘇聯航天員加加林乘“東方”1號載人飛船進入太空，開創了載人航天的新紀元。之後，前蘇聯發射了“上升號”和“聯盟號”載人飛船，美國則實施“水星”、“雙子星座”和“阿波羅”載人飛船計畫。在此期間，兩國廣泛積累了航天員在飛行前、中、後發生的生理變化數據，重點是研究失重對航天員心血管系統、前庭系統和工作能力的影響。短期飛行中記錄的醫學指標有：心率、血壓、呼吸描記圖、心電圖、心震圖、腦電圖、眼電圖、肌電圖、體溫及皮膚電活動等。
短期載人航天飛行的醫學結論是，儘管失重對航天員的生理系統有一定影響，但航天員可以短時間地在空間環境中生活和工作，也可以適應艙外活動和登月。在此期間，在地面也進行了很多有關失重生理學的研究，主要是從整體上觀察模擬失重對人體生理系統的影響，對其變化機理進行初步的研究，並制定一些行之有效的防護措施。此期間失重生理學的研究為後來航天員在空間站上的長期飛行奠定了基礎。
（3）長期載人航天飛行階段
美國於1973年發射了“天空實驗室”試驗性空間站，先後有3批航天員在上面分別生活和工作了28天、59天和84天。美國在“天空實驗室”上進行了大量醫學實驗，並研究了航天員在長期飛行過程中心血管系統、骨骼系統、血液系統和水、電解質的動態變化過程。前蘇聯從1971年起先後發射了“禮炮”1～7號和“和平號”空間站，航天員在上面分別生活與工作了30～438天。在載人空間站上，前蘇聯進行了大量的醫學觀察和研究，並開始從細胞和分子水平上進行一些醫學研究。長期航天飛行的醫學研究結果表明，人可以適應失重環境，不同生理系統的適應過程不同。失重首先引起人機體內環境機制的紊亂，然後激活特殊的功能系統以適應新環境。但是，長期航天飛行也使人體生理系統出現一定程度的病理學改變，如抗重力肌萎縮、骨質疏鬆、立位耐力下降和心電圖改變等。同時，在長達1年多的航天飛行中，人可以在失重環境中很好地生活和工作，這是由於採取了防護措施的結果。如果不採取防護措施，航天員就不可能維持飛行中的身體健康和工作能力以及返回後的再適應能力。儘管採取了不同的防護措施，但還是不能防止失重的不利影響。因此，目前對於載人航天飛行中航天員機體的一些變化機理還不清楚。
所有載人航天飛行中的失重研究都是在地面模擬失重實驗的基礎上進行的，每次航天飛行前都要在地面進行相同時間的模擬失重實驗，然後才進行失重飛行。尤其是航天飛行中航天員機體改變的機理性探討和防護措施的研究也大多是在地面進行，只是利用實際的航天飛行條件進行驗證和檢驗。
國內失重生理學研究的概況
我國失重生理學的研究始於20世紀60年代。當時，中國科學家曾用狗進行了少量的生物火箭實驗。1968年，航天醫學工程研究所成立，開始了系統的航天醫學研究。20世紀90年代，第四軍醫大學航醫系也開始了失重生理學的研究。我國失重生理學的研究是在地面模擬狀態下進行的，儘管一些實驗結果和假說還沒有接受實際失重飛行的考驗，但我國失重生理學的研究方法和分析法具有一定的特色，並取得了很多有價值的研究結果。
我國失重生理學未來發展
研究目標
21世紀我國失重生理學的研究是進一步了解失重和失重與其他因素（輻射、心理、重力）綜合作用對航天員整體與各個生理系統的影響，探討其機理並制定有效的防護措施。其目標是：
（1）確保航天員在航天飛行期間和進入其他星球時具有健康、安全、良好的工作狀態及高的工作效率。
（2）通過對空間環境的研究，進一步了解重力對生理系統的影響。
實施方法
一、根據國情，在失重生理學的某些領域進行深入研究
美國和前蘇聯/俄羅斯為了保證載人航天任務的順利進行，不僅建立了龐大的航天醫學研究機構，投入了巨額的經費、充足的人力、先進的技術和設備，而且它們擁有豐富的載人航天實踐經驗和大量的實驗數據。而我們必須根據我國的實際情況，在認真調研和地面實驗的基礎上，找出失重生理學研究中急待解決的和有重大意義的問題，進行深入研究。
目前，失重生理學的許多研究還局限於尋找失重時人體生理系統變化的規律性上，大多是從巨觀的水平進行研究，而微觀層次上的研究很少。在深入研究人體生理系統變化的機理時，需要將整體－細胞－分子水平的研究結合在一起。這樣做，一方面可以分析整體變化的原因，另一方面可以更好、更深入地了解空間生命活動的規律性以及變化發生、發展的細胞學與生物學機理，從而可以進一步推動失重生理學在載人航天飛行中的套用。
二、失重生理學的研究採用多方合作的方式
1、國際合作
國際合作是整個高科技發展的大趨勢，也是快速、經濟和高效發展航天醫學的重要途徑。在失重生理學的研究方面，也需要採用國際合作的方式。在此方面，航天生理學的研究是有教訓的。到目前為止，失重生理學儘管已進行了40多年的研究，但還沒有找出航天飛行中航天員各生理系統變化的規律。這其中很主要的一個原因，是各國或各個專家僅根據自己的實驗項目進行實驗設計，由於實驗條件（觀察指標和儀器、飛行時間、測量時間、航天員狀態）不同和參加實驗的人數有限，因此得出的結論很不一致，甚至是相反的結論。所以，很多科學家提出，在進行失重生理學研究時應制訂統一的實驗設計方案，以便從中發現變化規律。我國在進行失重生理學研究時，應加強國際合作，進行國際學術交流，並爭取參加國際空間站方面的一些醫學課題研究，同時也可以爭取其他國家參加我國航天醫學的研究。
2、國內合作
航天飛行中，航天員的生理變化不僅是局部生理系統的生理改變，而且涉及到多個生理系統的相互關係，是不同器官、組織在不同層次上發生的生理、生化、形態和結構的改變。對人體生理變化的研究涉及到多學科、多層次和多部門，僅僅依靠某一個研究單位是很難完成任務的，需要組織多學科、多部門的協同作戰，圍繞著一個研究方向或一個重大課題集中攻關。在具體實施方式上可以綜合美國和前蘇聯/俄羅斯的研究方式，以醫學工程研究所為核心，制定協調一致的計畫，通過招標的方法建立協作課題組，對研究課題進行突破性研究。
三、套用研究與基礎研究相結合
失重生理學是一門套用科學，其研究的最終目的是為了保證載人航天計畫實施。它的研究與型號任務有十分密切的關係，最理想的研究是在航天員失重飛行時進行。但是，在航天飛行中進行大量的醫學實驗也是不現實的。因此，在選題和進行實驗設計時，應考慮一次實驗，多方收穫。同時，在解決套用研究課題時，也可以為基礎研究提供有用的信息、數據和思路。基礎研究的目的也是為了套用，因此基礎研究得出的成果，可以為套用研究提供指導性的意見和理論依據。所以，基礎研究與套用研究必須緊密地聯繫在一起。
四、防護措施的研究應具有中國特色
目前，在航天飛行中航天員採用運動、下體負壓、穿特種服裝、飲鹽水和服用藥物等措施來對抗失重的影響，但仍出現了很多不利於航天員身體健康的生理－病理變化。因此，失重防護措施的研究仍然是今後研究的重點課題。在防護措施的研究上，我們可以突出中國醫學的特色，用整體和辯證的方法分析失重時的生理改變，以中國醫學的辯證論治的理論為基礎，採用具有中國特色的中藥、氣功、針灸等方法，進行防護措施的研究。我們在這方面進行的地面實驗證明，中藥、氣功、針灸等在改善模擬失重時人和局部生理系統的變化是有效的。進一步的研究是制定綜合的防護措施，調整航天飛行中整個人體的機能狀態，加快對航天飛行的適應和返回後的再適應過程。
五、地面模擬失重研究與航天飛行失重研究相結合
在進行失重生理學研究時，應注意將航天飛行失重研究與地面模擬失重研究有機地結合在一起。由於經費和實驗條件的限制，在空間不能進行大量的醫學實驗，很多實驗必須在地面模擬失重的情況下進行。地面模擬失重實驗具有經費少、樣本大、實驗條件易控制、可進行深入機理和防護措施研究等優點，實踐證明它可以預測、補充或證實航天飛行中的一些變化。但是，在地面上無法模擬長期完全失重的狀態，因此，地面模擬失重研究只能作為航天飛行失重研究的補充。失重生理學中的一些重大問題還需要在航天飛行中進行研究。地面模擬失重研究與航天飛行失重研究二者之間的關係是：以航天飛行失重研究為主，地面模擬失重研究為輔，地面上研究結果需得到航天飛行研究的驗證才有意義。
六、利用空間站進行失重生理學基礎理論研究，並著重探討變化機理
空間站是研究失重影響的最理想實驗室。1983～1993年，國外發射了10個空間實驗室，專門用於生命科學研究。從這些研究中得出的結論，對於研究失重時心血管功能失調、紅細胞減少、骨質疏鬆和肌肉萎縮等原因提供了十分有價值的依據。我國今後也應在空間實驗室中裝備一些測試設備，進行失重狀態下的人體生理學研究。
