動物航天的意義
一、動物航天的意義
在浩瀚的太空中，除航天員外，還有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出航天員數(shù)目的各種動物曾經(jīng)或正在太空中飛行著。人們?yōu)槭裁椿ㄙM很大的代價把動物送上太空呢？因為動物航天具有如下重要的意義：
1．檢驗飛船系統(tǒng)的可靠性
載人航天的最終目的是將人送上天，使人能在太空環(huán)境中很好地生活和工作。為了達(dá)到這一目的，首要的任務(wù)是研制能夠適合人生存的航天器。但在從未實現(xiàn)載人軌道飛行之前，無論是設(shè)計人員還是航天醫(yī)學(xué)專家對航天器的人－機系統(tǒng)能否經(jīng)受航天過程中多種特殊環(huán)境的考驗心中無數(shù)。因此，在將人送上天之前，可以利用動物對飛船系統(tǒng)進(jìn)行一系列的測試和鑒定性飛行。
前蘇聯(lián)和美國在將人送上天之前，都進(jìn)行過多次動物飛行實驗，每次動物飛行實驗不僅對飛船的環(huán)境控制、生命保障和救生系統(tǒng)等進(jìn)行了驗證，而且能為提出更完善的實驗設(shè)計奠定基礎(chǔ)。例如，前蘇聯(lián)在“衛(wèi)星”2號飛船飛行后不到4個月，于
2．在載人航天中起著“先驅(qū)”作用
太空是個十分特殊的環(huán)境，尤其失重是地球上的人從未生活過的環(huán)境。載人航天前，科學(xué)家對在這種環(huán)境下人能否生存和工作有著不同的看法。一些醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為，太空環(huán)境可能會影響人體的各個生理系統(tǒng)，甚至危害人的生命安全，因此必須首先進(jìn)行動物航天實驗，在確定對動物體無明顯影響的情況下，才能進(jìn)行載人航天。前蘇聯(lián)和美國在載人航天之前都進(jìn)行了多次各種動物的太空飛行，記錄了飛行中動物的四大生理指標(biāo)（心率、血壓、心電和呼吸），在確保動物可以很好生存的情況下，才進(jìn)行了載人航天。實現(xiàn)載人航天后，盡管動物航天“先驅(qū)”的重要作用有所降低，但在實現(xiàn)下一步的載人航天任務(wù)之前，例如重返月球、長期太空飛行與星際航行，動物航天仍然起著“先驅(qū)”的重要作用。
3．有助于深入地開展航天醫(yī)學(xué)研究
動物和人體實驗證明，航天可以引起各生理系統(tǒng)的明顯改變，但很多關(guān)于這些變化的潛在危害性、變化機理和有效防護(hù)措施等深入的醫(yī)學(xué)研究不能在人體中進(jìn)行。例如，為了探討某些變化機理，必須從分子、細(xì)胞和組織水平上了解航天對人生理系統(tǒng)的影響，在實驗方法上需要采用插管、埋藏電極、取活體組織器官等方法，這些損傷性的實驗方法不能在人體中進(jìn)行，必須用動物進(jìn)行實驗。同時，由于參加航天飛行的航天員人數(shù)有限，而且他們在飛行中任務(wù)繁忙，不可能進(jìn)行很多的醫(yī)學(xué)實驗；又由于航天飛行中對人體的實驗條件很難控制，一些因素（例如心理活動、實驗前狀態(tài)、采用的對抗措施等）也會影響實驗結(jié)果，因此目前對人在太空環(huán)境，尤其是失重狀態(tài)下的一些生理變化規(guī)律尚未完全掌握，對生理系統(tǒng)變化機理的探討也僅是剛剛開始。為了深入地開展航天醫(yī)學(xué)研究，借助航天中的動物實驗是必不可少的。
二、動物航天的歷程
前蘇聯(lián)/俄羅斯和美國在載人航天的不同階段進(jìn)行了不同的動物實驗。這些動物實驗為載人航天提供了科學(xué)依據(jù)，為載人航天的成功作出了很大貢獻(xiàn)。動物航天的歷程大體上可分為載人航天前的準(zhǔn)備階段、登月前的準(zhǔn)備階段和國際生物醫(yī)學(xué)計劃實施階段。
1．載人航天前的準(zhǔn)備階段（1948～1961年）
（1）動物航天實驗的目的
前蘇聯(lián)和美國在20世紀(jì)40年代末就開始了動物航天實驗。這些實驗的目的是：
1．探查陌生的空間環(huán)境，觀察空間輻射和微重力等因素對動物的影響，并查明這些因素是否會引起動物損傷性的變化，以推斷將人送上天是否有危險，以及如何防護(hù)這些危險。
2．檢驗載人飛船的發(fā)射過程，并對飛船的一些重要系統(tǒng)進(jìn)行空間實驗，確定飛船系統(tǒng)的效能和可靠性，以保證載人航天的順利進(jìn)行。
（2）動物航天實驗的方式
在載人航天前的準(zhǔn)備階段，動物航天實驗的方式主要是生物火箭實驗和生物衛(wèi)星實驗。
1．生物火箭實驗
從20世紀(jì)4O年代末到50年代的10多年中，前蘇聯(lián)和美國用火箭將猴、狗和其他動物發(fā)射上天，在接近航天的條件下進(jìn)行了生物醫(yī)學(xué)研究，目的是了解近似軌道飛行的環(huán)境因素對動物的影響。
美國在1948～1952年發(fā)射了8枚生物火箭，飛行的動物是7只麻醉的猴和14只清醒的小鼠，火箭飛行高度為58～134公里。實驗記錄了飛行中猴的心率、呼吸和血壓，并拍攝了小鼠的行為。這些實驗不僅可以了解整個飛行中動物的狀態(tài)，對載人航天器的設(shè)計和改進(jìn)也提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。例如，1948年將一只猴發(fā)射到
與美國相比，前蘇聯(lián)的空間動物實驗處于領(lǐng)先地位，這些實驗也為前蘇聯(lián)載人航天的首次發(fā)射成功起到了重要的保障作用。在1949年以前，前蘇聯(lián)就用A－3和A－4系列地理火箭將狗送入空間。
1949～1952年，前蘇聯(lián)進(jìn)行了密閉艙生物火箭探測，發(fā)射了6枚火箭，飛行高度為110公里，有9只狗參加實驗，其中3只參加了兩次飛行，目的是檢測動物密閉艙的生保系統(tǒng)和回收系統(tǒng)，并了解動物高空飛行時的生理功能和行為狀態(tài)。飛行結(jié)果證明，采用再生氣體的密閉艙可以保證2只狗飛行3小時，飛行綜合因素沒有引起動物行為和生理功能的明顯改變。
1953～1956年，前蘇聯(lián)發(fā)射了9枚火箭，飛行高度為110公里，12只狗參加實驗，記錄了狗在飛行中的四大生理指標(biāo)（呼吸、心率、血壓和體溫），目的是研究穿密閉服的動物在非密閉艙內(nèi)的生理反應(yīng)以及在不同高度彈射回收動物的安全性。飛行結(jié)果證明，在非密閉艙中穿著密閉服的動物，在79～86公里高度以565～
1955～1960年，前蘇聯(lián)發(fā)射了11枚火箭，飛行高度為212～450公里，14只狗參加實驗，部分動物飛行了2～3次。目的是探測更高高度的飛行對動物的影響，研究有關(guān)設(shè)備與防護(hù)措施在保證動物安全中的作用。飛行結(jié)果證明，失重對狗的生理功能影響不大，在整個飛行期間密閉艙提供了維持動物生命的可靠條件；在再入階段，由于引導(dǎo)傘釋放前振動和翻滾產(chǎn)生的多項加速度對狗有嚴(yán)重影響，回收后即刻發(fā)現(xiàn)部分狗的肛門、鼻和眼鞏膜有出血現(xiàn)象。此結(jié)果對載人航天器的發(fā)射和返回技術(shù)提出了更高的要求。
我國在1964～1966年成功地發(fā)射了T
通過生物火箭實驗達(dá)到了以下目的：
獲取了火箭在飛行過程中的一些動力學(xué)因素（如超重、失重、噪聲和振動沖擊）對動物生理功能影響的實驗資料；
初步了解了高空大氣的物理性質(zhì)和宇宙輻射的強度；
初步解決了密閉艙彈射、回收和安全救生的方法；
研究了密閉艙生命保障系統(tǒng)和防護(hù)裝置；
發(fā)展了生物遙測技術(shù)。
2．生物衛(wèi)星實驗
首次生物衛(wèi)星實驗是前蘇聯(lián)于
美國在載人航天前的準(zhǔn)備階段也進(jìn)行了生物衛(wèi)星實驗，主要以猴和黑猩猩作為實驗對象。最后，美國還在“水星”飛船上進(jìn)行了載人前的生物飛行實驗。
與火箭相比，生物衛(wèi)星飛行的時間更長，而且具有較長時間的失重環(huán)境，因此可以獲得更多的實驗資料。通過在生物衛(wèi)星上的動物實驗，使人們進(jìn)一步消除了人上天前的一系列疑慮，排除了空間因素對人體有重大危害的可能性，證實了載人航天的可能性和可靠性。它為載人航天起到了“開路先鋒”的作用。
2．登月前的準(zhǔn)備階段（1966～1970年）
美國在前蘇聯(lián)贏得了載人航天“第一”之后，為了與其進(jìn)行空間競賽，制定了“阿波羅”登月計劃。同時，前蘇聯(lián)也在進(jìn)行著載人登月的準(zhǔn)備。此階段開展的航天動物實驗就是為配合載人登月任務(wù)而開展的。實驗的主要目的是研究地球－月球－地球飛行和較長時間飛行時失重、電離輻射與其他因素對動物體的影響，以便為航天員的登月和更長時間的飛行提供科學(xué)依據(jù)。
60年代中后期，八樟稱為“探測器號”的探測器，其中前5次失敗，后4次成功返回。在“探測器”5～8號探測器上載有龜和果蠅等動物。
美國在此期間發(fā)射了6顆生物衛(wèi)星，由于種種原因只有2次飛行成功，進(jìn)行實驗的動物包括猴、甲蟲、寄生蜂和果蠅等。猴未完成原定的30天飛行，飛行了8天半后就返回地面，回收后12小時因心室纖顫而死亡。美國的實驗結(jié)果也表明，輻射與失重或航天其他因素的綜合作用可使果蠅對輻射的敏感性增加。美國在實現(xiàn)載人登月后仍未放棄動物航天實驗，1973年發(fā)射的“阿波羅”17號飛船還首次進(jìn)行了哺乳動物與人的結(jié)伴飛行，有5只囊鼠與3名航天員一起飛往月球，并繞月球軌道飛行了數(shù)天，其目的是研究高能宇宙粒子輻射對動物大腦的影響。
3．國際生物醫(yī)學(xué)計劃實施階段（1970年至今）
前蘇聯(lián)從1970年開始發(fā)射以“宇宙”命名的一系列生物衛(wèi)星，之后還邀請美國、法國、匈牙利、波蘭、捷克、保加利亞、羅馬尼亞、民主德國等國參加。20世紀(jì)70年代發(fā)射的“宇宙”系列衛(wèi)星中攜帶的哺乳動物主要是大鼠，到80年代后期還增加了猴。“宇宙”生物衛(wèi)星計劃研究的目的是了解短期失重和輻射對動物體的影響以及研究保護(hù)動物免受失重影響的方法。
除了在生物衛(wèi)星上進(jìn)行研究外，美國、前蘇聯(lián)／俄羅斯和歐洲空間局還利用有人和無人飛船以及空間站、航天飛機等進(jìn)行了大量的搭載動物實驗。例如，前蘇聯(lián)在“衛(wèi)星”1～5號飛船、“聯(lián)盟號”飛船、“禮炮號”空間站與“和平號”空間站中都進(jìn)行過動物實驗。動物實驗研究的范圍很廣，包括遺傳學(xué)、胚胎學(xué)、細(xì)胞學(xué)、組織學(xué)、形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)、行為學(xué)、放射生物學(xué)等。研究的結(jié)果不僅證實了以前短期航天飛行時所觀察到的一些生物現(xiàn)象，而且還獲得了一些新的發(fā)現(xiàn)。美國除了在“水星”5號、“雙子星座”3號、“雙子星座”6號、“雙子星座”8號、“雙子星座”11號、“雙子星座”12號、“阿波羅”14號、“阿波羅”16號、“阿波羅”17號飛船上進(jìn)行了生物實驗外，還和歐洲空間局專門在航天飛機上設(shè)置空間實驗室進(jìn)行動物實驗，研究細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和生理學(xué)等以及失重環(huán)境對動物生長、血液、免疫、心血管、肌肉、骨骼等方面的影響。為了更深入地進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)研究，美國航宇局還制定了空間生命科學(xué)研究計劃。1991年和1993年在航天飛機的空間實驗室中進(jìn)行了20項生命科學(xué)實驗，其中9項實驗的對象是動物，主要是進(jìn)行前庭、心血管和心肺代謝的研究。這些實驗還為空間生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究提供了許多寶貴資料。
三、動物航天實驗取得的一些醫(yī)學(xué)成果
參加過航天飛行的動物種類繁多，包括靈長類動物（黑猩猩、恒河猴、松鼠猴、卷尾猴），嚙齒類動物（囊鼠、大鼠、小鼠、田鼠、豚鼠、兔），爬行類動物（蠑螈、蛙、龜）和狗、貓、魚等。通過動物的航天實驗，尤其是嚙齒類動物和猴的實驗，取得了如下一些醫(yī)學(xué)成果：
1．失重對骨骼系統(tǒng)的影響
對航天飛行中人體研究的結(jié)果表明，失重可引起航天員承重骨的骨密度下降和持續(xù)性的骨質(zhì)脫鈣。通過“宇宙”系列生物衛(wèi)星和航天飛機空間實驗室對動物骨骼系統(tǒng)的生物力學(xué)、形態(tài)學(xué)、化學(xué)成分變化及生長情況的研究，證實和進(jìn)一步了解了失重對骨骼系統(tǒng)的影響，并對其發(fā)生機理進(jìn)行了初步探討。通過動物航天實驗得到以下結(jié)果：
（1）失重可引起動物骨質(zhì)減少，但礦物質(zhì)和基質(zhì)成分的改變帶有嚴(yán)格的選擇性與局部性的特征；
（2）航天可引起大鼠一些骨骼，例如椎骨的堅固性和硬度下降；
（3）航天可引起一些大鼠骨骼的生長速度和礦化速度減慢，例如撓骨的生長速度減慢40％左右，肱骨的礦化速度下降23％；
（4）航天可使大鼠骨折后的愈合速度減慢；
（5）航天中處于人工重力作用下的鼠在飛行后骨骼的生長立即恢復(fù)；
（6）失重引起骨質(zhì)減少的原因，是由于骨骼形成及其生長過程發(fā)生障礙，骨吸收作用增強。
2．失重對肌肉系統(tǒng)的影響
空間人體實驗研究的結(jié)果表明，失重可引起肌肉萎縮、肌力下降和體力工作能力降低，航天中的體育鍛煉可以減緩肌肉萎縮的進(jìn)程，但不能阻止其發(fā)生。動物航天實驗的結(jié)果證實了此現(xiàn)象，并有所發(fā)展。航天動物實驗的結(jié)果如下：
（1）從解剖學(xué)、組織學(xué)和生化指標(biāo)的變化進(jìn)一步證實了失重飛行可引起骨骼肌的萎縮，肌萎縮發(fā)生在慢肌纖維內(nèi)，而不是在快肌纖維內(nèi)；
（2）失重飛行可引起大鼠、比目魚肌和趾伸長肌肌肉伸縮速度加快，但力量、耐力和彈性下降；
（3）電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，在航天中可發(fā)生肌纖維損傷和壞死、肌肉再生和失神經(jīng)支配，神經(jīng)－肌肉內(nèi)連接水平上的突觸再建；
（4）肌萎縮的根
3．失重對神經(jīng)感覺系統(tǒng)的影響
失重飛行可以引起航天員發(fā)生空間運動病，這已是一個確切的事實，但對其機理尚不清楚。由于地面上存在
空間運動病的發(fā)生與人前庭器官的耳石和半規(guī)管以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性有關(guān)，因此首先要研究失重情況下這兩部分發(fā)生的變化。1970年，美國在一顆衛(wèi)星上進(jìn)行的一項重要實驗，就是監(jiān)測兩只牛蛙在失重和人工重力下耳石感受器的功能狀態(tài)。實驗是通過埋藏電極的方法，比較飛行蛙和地面對照組蛙前庭神經(jīng)細(xì)胞發(fā)放沖動的改變。結(jié)果表明，飛行蛙剛進(jìn)入失重環(huán)境后，前庭神經(jīng)細(xì)胞發(fā)放的沖動會明顯增加，隨后就會減少，3天后恢復(fù)到正常水平。后來，美國在航天飛機的航天醫(yī)學(xué)－生物學(xué)實驗室中，采用電子顯微鏡的方法觀察鼠前庭斑Ⅰ型和Ⅱ型毛細(xì)胞上神經(jīng)突觸的變化，結(jié)果是發(fā)生了改變。俄羅斯科學(xué)家研究了航天中猴的前庭－眼反射對失重環(huán)境的適應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)入失重環(huán)境的初期，耳石和半現(xiàn)管的興奮性增強，5～6天后，前庭神經(jīng)核對前庭刺激的反應(yīng)恢復(fù)正常。在動物航天中也進(jìn)行了失重對腦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響的研究，研究表明鼠在空間生活5天后，小腦的顆粒細(xì)胞和臺狀纖維的活動增強，說明它們接受了來自耳石器官和前庭神經(jīng)核的強烈傳入沖動，表明在失重環(huán)境下耳石－前庭神經(jīng)核系統(tǒng)毛細(xì)胞的敏感性增強了。一些動物航天的前庭實驗證實了發(fā)生空間運動病的“感覺沖突論”假說，但也有不同的實驗結(jié)果，因此空間運動病的發(fā)病機理還需要進(jìn)一步研究。
四、未來動物航天研究的方向
1．進(jìn)一步了解長期微重力對生理功能的影響并探討其機制
目前航天員和動物飛行的結(jié)果表明，失重對人機體所有的生理系統(tǒng)都有不同程度的影響，而且一些生理系統(tǒng)的變化將影響今后的長期航天飛行，尤其是星際飛行。因此，今后動物航天生理學(xué)的研究重點是研究更長時間航天飛行對人機體的影響，并主要集中在神經(jīng)生理學(xué)、骨骼－肌肉生理學(xué)、心血管生理學(xué)，以及生殖、生長、發(fā)育生理學(xué)等方面。
（1）神經(jīng)生理學(xué)研究的主要任務(wù)是：
1．探討空間運動病的發(fā)病機理，并尋找有效的防護(hù)措施和治療方法；
2．研究微重力下空間定向、姿態(tài)維持和前庭－眼球反射的變化與適應(yīng)過程；
3．研究失重對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響；
4．研究失重對新生兒感覺－運動功能發(fā)育的影響。
（2）骨骼生理學(xué)的研究集中在以下幾個方面：
1．探討航天引起骨質(zhì)疏松的機理并尋找有效的防護(hù)措施；
2．航天時肌肉萎縮對骨骼系統(tǒng)的影響；
3．返回地球后已脫失骨鈣骨骼的恢復(fù)情況。
（3）失重肌肉生理學(xué)研究的重點是研究長期失重時肌肉萎縮的原因和防護(hù)措施。
（4）失重心血管生理學(xué)研究的重點是探討失重時心血管變化的機理，其潛在的危險性及防護(hù)措施。
（5）生殖、生長、發(fā)育生理學(xué)的研究重點是研究空間微重力對卵子和精子的作用，以及對受精卵及其生長和發(fā)育的影響。
2．研究采用人工重力的防護(hù)措施
為了克服長期失重對人機體的影響，最有效的方法是在載人航天器中設(shè)置人工重力。前蘇聯(lián)在“宇宙”系列生物衛(wèi)星上研究的結(jié)果表明，人工重力對防止失重對人生理系統(tǒng)的一些影響是有效的，不過研究也發(fā)現(xiàn)生活在航天器離心機上的鼠出現(xiàn)一些不良的副作用，例如動物腦皮層的工作能力下降，抑制了腦有關(guān)區(qū)域（特別是運動區(qū)）的蛋白質(zhì)代謝，同時也觀察到動物半規(guī)管的敏感性和反應(yīng)能力降低。這可能是由于離心機的臂太短、轉(zhuǎn)速太快造成的。人在轉(zhuǎn)速快的離心機中也會產(chǎn)生前庭器官的一些反應(yīng)和幻覺。所以，在設(shè)計人工重力環(huán)境時，必須考慮離心機的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)半徑對人體的影響，合理地匹配旋轉(zhuǎn)半徑和轉(zhuǎn)速，并對有關(guān)人員進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練，將副作用減小到可以接受的程度。人工重力防護(hù)措施的設(shè)計和驗證，除了進(jìn)行人體試驗外，還需要在航天中進(jìn)行動物實驗。
3．研究失重和其他因素（輻射、重力環(huán)境）的綜合作用對機體的影響
21世紀(jì)是星際航行的時代，在缺少大氣及地磁屏障的星際航行時，空間輻射特別是多種電離輻射將對航天員的健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，尤其是在航天員經(jīng)受長期失重影響后，輻射對人體的影響將會更大。自從載人航天以來，人主要是在地球軌道上飛行，因此對于人進(jìn)入其他星球時輻射對機體的影響及其與失重的復(fù)合作用對機體的危害性研究得很少。目前，美國航宇局已經(jīng)把空間輻射列為長期載人航天飛行的主要限制因素之一，并決定加強這方面的研究，以獲取足夠的知識，設(shè)計合理的防護(hù)措施，減少輻射對人體的危害。今后重點是從分子、細(xì)胞、組織和整體水平上研究各種空間電離輻射及其與失重的綜合作用對不同生物體的影響，并找出有效的防護(hù)措施。
在載人航天史上，動物航天起到了“先驅(qū)”的作用。將來，為了更好地開發(fā)和利用空間。人們將會在空間長期地生活和工作，為了保證人的健康與安全，動物航天實驗將來也是不可缺少的，動物又會為人類的長期航天“再立新功”。
