在美国航宇局制定的国际空间站太空飞行任务中,有一项是关于辐射与健康的项目(SRHP)。进行这项研究的目的是为了保证人类在进行太空探险时,所受到的辐射水平在人的耐受限度内。
在20世纪的载人航天时期,人类的太空飞行还只限于近地轨道。由于地球磁场和浓密大气层的保护,来自外层的电离辐射对人体的影响很小。在过去40多年的载人航天期间,美国和俄罗斯航天局对空间辐射的研究都很重视。例如,他们在每次飞行中,都配备了辐射剂量监测仪和个人辐射剂量测量仪,测量飞行中座舱和航天员所接收的辐射剂量,并进行空间辐射生物学的研究。目前,他们已经积累了丰富的太空辐射剂量的资料及空间辐射生物学的实验数据。这些资料表明,在近地轨道飞行中,航天员所接收到的太空辐射剂量是在医学规定的安全范围内,对航天员的健康影响不大。例如,美国的“天空实验室”4号是迄今为止美国空间飞行接收的最高辐射剂量的一次飞行,它的平均日辐射剂量是0.86毫戈,90天飞行的总剂量是77.4毫戈。1989年俄罗斯“和平号”空间站在飞行期间,发生了多次太阳质子事件,辐射剂量监测结果表明这些事件对舱内影响并不很大,4次事件的总剂量仅为35.5毫戈。上述辐射剂量值都远远低于美国和俄罗斯规定的低轨道航天员辐照限值。因此,对于400千米高度的低轨道载人航天,可以说太阳质子对座舱中的影响不大,航天员在低轨道飞行时是安全的。
21世纪,载人航天吹响了向火星进军的号角。到火星或更远的星球去航行不像登月。登月时其轨道离地球近,尽管那里的地磁场较弱,大气也较稀薄,但还是对辐射起到了一定的防护作用。而在更远的太空里,充满了宇宙射线,由于失去了天然的防护,辐射对人的影响会更严重。如果不加防护装置,在太阳的辐射下,航天员所受的辐射剂量可高达几百拉德。美国航宇局已经认识到累积的辐射剂量“将有可能成为人类太空探险中的最大限制因素。”对于长期飞行和星际飞行来说,已经公认的影响人体健康最主要的因素是失重、辐射和心理。如果这三个问题不能得到很好的解决,星际飞行是难以实现的。
人在进行长期和星际飞行时,面临的辐射危险有两种。一种是长期、低剂量的银河系宇宙射线(主要是质子和重离子)对人体的损伤;另一种是有可能遇到偶发的、高剂量的太阳高能粒子辐射。这两种辐射可能引起组织的物理损伤(如引起皮肤、肠、骨髓及其他组织的急性损伤,引起白内障)和杀死人体细胞或改变人体内的DNA,降低人的免疫能力,增加癌症的发病率和基因的破坏。
电离辐射作用于生物体,可以使生物体中的很多活性物质,特别是生物大分子受到损伤。电离辐射通过两种途径对生物活性物质起作用:一是直接作用于生物活性物质(如脱氧核糖核酸,即DNA),通过电离和激发使其受损;二是间接作用,即辐射与活性物质中的其他分子或原子(特别是水分子)起作用,产生自由基,使活性物质受损。
众所周知,生命有机体的基本单元是细胞。在细胞内,DNA分子具备了细胞内蛋白质合成、细胞再生以及形成组织和器官结构的信息。DNA由两条螺旋状排列的核苷酸链组成(如图所示)。DNA链上具有一定功能的一段核苷酸序列称为基因。由核苷酸序列构成的遗传信息作为密码,指导细胞的核糖核酸(RNA)与蛋白质的合成。
电离辐射直接影响DNA,导致DNA的单链突变、双链突变,成群受损突变(DSB)和关联根部受损。当DNA发生单链突变时,它还可以通过酶的作用,自行修复。如果发生了双链突变,就很难正确地重建了,会出现错误的修复,结果导致基因的突变。当辐射引起的DNA损伤伴有染色体数目或结构改变时,可以产生染色体畸变。上述变化可以引起两种后果。一种是造成细胞死亡,特别是一些对辐射敏感的细胞(如精原细胞、卵母细胞和小淋巴腺),影响到生物体的繁殖能力;另一个后果是引起细胞变异,使细胞失去控制,异常增殖,正常细胞转变成恶性细胞,最后形成癌症。细胞变异如果发生在生殖细胞,就可以将它的错误信息传给后代,引起遗传性疾病。辐射的间接作用是产生自由基。自由基缺少配对的电子,是一个十分活跃的物质。它可以使生物体的DNA、RNA或蛋白质大分子受到损伤。
目前人类的太空飞行尚处于近地轨道飞行,由于大气层和地球磁场的保护作用,辐射对人体的影响尚小,失重对人体的影响要大一些。因此,在航天医学研究中,重点在于观察失重的影响及进行失重防护措施的研究,而对于星际航行时可能遇到的辐射、其生物效应和防护措施没有进行深入的研究。今后,在设计新的太空飞行器和进行星际飞行前,必须对星际飞行的辐射生物响应和防护措施进行研究,估测发生极大耀斑的几率,预测航天员暴露于辐射下的后果,并采取一些有效的防护措施。
空间电离辐射的能量很高。采用工程上的方法,完全屏蔽空间电离辐射是不可能的。空间辐射防护的目的是在可能的情况下,尽量降低航天员接收的辐射照射。为了防止空间辐射对航天员健康的影响,在以往的飞行中,普遍采用的方法是增加舱壁的厚度。舱壁厚度增加,可以降低舱内的辐射剂量。例如,对于太阳质子事件来说,当质量屏蔽的厚度由2克/厘米2增加到10克/厘米2时,造血器官所受到的辐射剂量减少5倍。但是,增加舱体质量厚度的代价是十分高的。为了使宇宙辐射的剂量降低一半,需要100克/厘米2的厚度,在航天器上增加这么多的有效载荷是不可能的。因此,除了质量屏蔽外,还要采取以下一些措施:(1)选择合适的发射时间。在低地轨道飞行时,发射时间的选择不很重要,但在登月飞行或火星飞行时,就需考虑太阳质子事件发生的概率,尽量选择太阳活动低年时发射。(2)进行飞行辐射危险性分析。通过分析,提出是否需要进行干预的意见,及提出干预措施及防护行动的剂量水平。(3)飞行期间监测轨道辐射环境和舱内辐射环境的辐射剂量,及时向航天员和地面指挥中心提供轨道辐射环境变化的有关信息,尤其是太阳质子事件到达的信息。(4)地面天文台站需不间断地实时进行太阳活动观测,并将观测和近期预报结果提供地面指挥中心。(5)航天员应装备个人剂量仪,使航天员能及时了解到个人接收辐射照射的有关信息。必要时,可设置声、光报警,及时向航天员提示辐射环境恶化的信号。(6)采用化学药物防护方法。实验证明一些药物具有减轻辐射损伤的作用。在航天中配备这些药物,在辐射剂量超限时服用,可以减轻辐射的伤害。
目前,美国对空间辐射的影响十分关注。美国航宇局正在研制模拟太空辐射环境的设备及从分子和细胞水平分析辐射的生物效应。美国航宇局为了进行辐射研究,研制了进行辐射研究的设备。例如,美国航宇局资助洛马琳达大学,研制进行质子研究的设备;资助布鲁克海文国家实验室,研制进行重离子研究的设备;资助英国核实验室进行调压器应用设备的研制等。这些设备将用于进行辐射生物学和防护的研究。
在国际空间站上生活的航天员由于没有地球磁场的屏蔽作用及长期生活在太空,其所受的辐射总量要超过在地球时的水平。因此它是一个研究空间辐射的好场所,其真实的辐射环境是地球上的模拟设备所无法创造的。在国际空间站上,辐射研究是一个重要课题。站上将采用多种方法定量地监测座舱内和航天员所受到的辐射剂量。航天员在飞行中都戴有自己的辐射量测定器,在飞行后可获得飞行中所受到的辐射总量。在航天员的居住区也有辐射剂量检测仪,定期将测量信息送回地面。此外,还有薄纸样的辐射剂量计数器和舱内外释放粒子探测器和分光器,检测银河系发出的辐射。美国航宇局顾问组制定了航天员辐射剂量个人耐受极限。只有确保国际空间站上的航天员受到的辐射在标准耐受范围内,才能为将来火星探险计划设计性能更强的防辐射系统打下基础。
