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人類的太空飛行紀錄—《丈量宇宙》

azothbooks_96
・2016/10/10 ・1675字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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圖/PEXEL
圖/PEXEL

人類第一次上太空(定義:抵達地表上空一百公里處)由蘇聯太空人尤里.加加林(Yuri Gagarin)在 1961 年實現。隨後第一位女性在 1963 年升空──蘇聯的范倫蒂娜.泰勒斯可娃(Valentina Tereshkova)。阿波羅時代登上太空的人數還完全稱不上高峰,到了和平號太空站與太空梭計畫時期,這個數字在 1980 和 1990 年代仍然逐步攀升。自從 2000 年 10 月 31 日起,人類就持續待在太空,棲身永久有人值班的國際太空站。

考量上太空要面臨的凶險,至今相關死亡案例所幸仍屬少數。1967 年,弗拉基米爾.科馬洛夫(Vladimir Komarov,蘇聯)重返時因降落傘故障墜地身亡。格奧爾基.多布羅沃爾斯基(Georgi Dobrovolski,蘇聯)、維克托.帕察耶夫(Viktor Patsayev,蘇聯)和弗拉季斯拉夫.沃爾科夫(Vladislav Volkov,蘇聯)都在 1971 年喪生,事發之前,他們才剛脫離禮炮 1 號太空站,準備返回地球。挑戰者號太空梭在 1986 年發射時爆炸,罹難組員包括:格雷格.賈維斯(Greg Jarvis,美國)、克麗斯塔.麥考利芙(Christa McAuliffe,美國)、羅納德.麥克內爾(Ronald McNair,美國)、鬼塚承次(Ellison Onizuka,美國)、茱蒂絲.雷斯尼克(Judith Resnik,美國)、邁克爾.史密斯(Michael Smith,美國)和迪克.斯科比(Dick Scobee,美國)。

2003 年,哥倫比亞號太空梭重返時由於隔熱磚受損解體失事,罹難組員包括:邁克爾.安德森(Michael Anderson,美國)、大衛.布朗(David Brown,美國)、卡爾帕娜.喬拉(Kalpana Chawla,美國)、勞蕾爾.克拉克(Laurel Clark,美國)、里克.哈斯班(Rick Husband,美國)、威廉.麥庫爾(William McCool,美國)和伊蘭.拉蒙(Ilan Ramon,以色列)。兩起太空梭事故都導致人類中斷太空飛行,投入調查起因。

(點擊看大圖,後文有分解小圖)人類的太空飛行。圖/漫遊者文化提供
(點擊看大圖,後文有分解小圖)人類的太空飛行。圖/漫遊者文化提供
  • 以下圖片:綠色表示女性太空人(年份左側)、橘色表示男性太空人(年份右側)、黑色表示執行任務死亡的太空人;姓名、國籍|首開先例依國別註記。

1961~1980 年

1961 年人類首度登上太空

1963 年第一位女性太空人進入太空

1967 年首位太空人在執行任務過程身亡

1969 年美國阿波羅 11 號載著阿姆斯壯(Neil Armstrong)登月

1973 年太空實驗室啟用,直到 1979 年停用

(點擊看大圖)1961~1980 年宇航員到太空旅行的紀錄。圖/《丈量宇宙》
(點擊看大圖)1961~1980 年太空人到太空旅行的紀錄。圖/《丈量宇宙

1981 ~ 2000 年

1986 年挑戰者號發射時爆炸;和平號太空站啟用(至 2001 年停用,墜入地球大氣層)

1988 年國際太空站啟用

(點擊看大圖)1981~2000 年宇航員到太空旅行的紀錄。圖/《丈量宇宙》
(點擊看大圖)1981~2000 年太空人到太空旅行的紀錄。圖/《丈量宇宙

2001~2014 年

2003 年哥倫比亞號災難;楊利瑋成為中國首位登上太空的太空人

2012 年劉洋成為中國首位登上太空的女太空人

(點擊看大圖)2001~2014年宇航員到太空旅行的紀錄。圖/《丈量宇宙》
(點擊看大圖)2001~2014年太空人到太空旅行的紀錄。圖/《丈量宇宙

《丈量宇宙》書封。

 

本篇圖文摘自《丈量宇宙:INFOGRAPHIC!一眼秒懂全宇宙!100幅視覺資訊圖表,穿梭140億年星際太空》,由漫遊者文化出版。

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泛科學 2016 年 10 月選書。

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漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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一舉一動都要付天價!到太空站旅遊為什麼要這麼貴?——《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》
三民書局_96
・2023/07/12 ・1839字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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2019 年 6 月,NASA 宣佈將在 2020 年開放國際太空站「旅遊」,票價為 5,800 萬美元。這是一項商業化的舉動,讓大眾可以體驗在太空中的感覺。不過,太空站對遊客開放,會不會出現什麼問題?

遨遊太空對於普通人來說,應該是非常神奇的體驗。在我看來,國際太空站對民眾開放沒有什麼不好,這可以讓一些人瞭解太空,也可以從一定程度上減輕國際太空站的經費壓力。

大夥可能覺得 5,800 萬美元的票價,以及每日約 4 萬多美元的日常花費有些昂貴,不過即便是這樣,我想依舊會有大批人排著隊想要到太空去走一走。下面,我就跟大家聊聊有關國際太空站的事。

國際太空站很「貴」

國際太空站的「旅行」費用昂貴,這其實合乎情理。太空站是有一定壽命的,那裡距離地面 400 至 450 公里,會受到強烈紫外線的照射,並且,太空環境高度真空,帶電粒子橫飛,高速小隕石亂竄,都會對太空站造成傷害。但在太空最厲害的,還有一種地面不存在的氣體,那就是「原子氧」,它腐蝕性特強,對太空站壽命衝擊最大,防不勝防。

我們所熟知的氧氣,由兩個氧原子組成,英文縮寫是 O₂。在離地球 200 至 700 公里範圍內,因紫外線的能量,硬把兩個氧原子拆開,就形成了只有一個原子的氧 O。這種原子氧的腐蝕性非常強,尤其對聚合材料和積體電路鍍銀膜的攻擊,不遺餘力,導致太空站大面積腐蝕剝落,所以,太空站的一些艙外材料,需要不斷的更換。

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圖35-1國際太空站。圖/把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民

那麼,維護的費用有多高?我大概計算了一下,每年至少要 50 億美元。大家再來對比一下,和一位旅客5,800 萬美元比起來,維護太空站的費用,才是「天價」吧!

當然,5,800 萬美元僅僅是上太空站的機票價,額外的雜費很多,包括「呼吸」的空氣費、「上廁所」的洗手費和「吃飯」的餐飲費等等。在太空站,一舉一動都要付費。比如,每天食宿費用 35,000 美元,上一次廁所的費用是 11,250 美金,WiFi 也要額外算⋯⋯,太空站這個五星級酒店,沒有免費熱情待客的規格。

什麼人都能去太空旅行嗎?

我們總說:錢不是萬能的,太空人都要經過嚴格的篩選。那麼,你是否有疑問:「去太空旅行的人,對身體體質有什麼要求嗎?」

這一點可能就和大家想的不太一樣了,其實,大多數正常人的體質都可以進行太空旅行。在國際太空站,你所感受到的不同,可能僅僅是失重。

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國際太空站的位置雖然在太空,但它仍在地球磁場的保護下,外太空來的射線、太陽風的高能粒子不會對其造成嚴重的傷害。所以,如果你可以適應並克服失重帶來的困擾,就可以考慮去太空「旅行」啦!

但是你也要「遵守遊戲規則」,畢竟,到了太空站可能會有一些約束,不能按照自己的意願隨意行動。

當然最重要的是,你要有足夠的資金!

「太空旅行」前景如何?

其實,我覺得太空旅行這種商業行為是有意義的。畢竟科研也要經費,目前,這筆經費皆由國際太空站參與國承擔,每年的支出有點沉重。如果太空站可以做旅遊生意賺錢,那將會有一定程度的緩解。

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這樣一來,既能讓一些對太空感興趣的群眾上去體驗,又可以通過太空旅遊的收入,補貼納稅人支付的太空科學研究,也算是兩全其美的事。

當然,我想這個商業行為,也許最好先以進行 5 年的時間為目標。雖然能支付 5,800 萬美元的人不少,但是 5 年下來,這件事是否可行,商業模式是否成熟,就是評判它能否繼續下去的標準。

此外,參與的人,可能也不僅限於到太空站「旅遊」,很多人想去月球,甚至到火星走一遭。雖然我不知道這樣的想法是否行得通,但是從理論上,到月球旅行是可以的,不過火星也許就不大可能。到愈遠的地方,發生危險的可能性也就愈大。只要發生一次「太空難」,「太空旅行」這個項目就可能叫停。

太空旅行,的確能讓參與人見聞上大幅的提升,但這類旅行者也肯定是富有者,不是一般打工賺錢的你和我,能負擔得起的!

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——本文摘自《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》,2023 年 6 月,三民出版,未經同意請勿轉載。

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三民書局_96
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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。

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微重力下的挑戰!太空艙內除了上廁所以外,太空人還會遇到哪些生理問題?——《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》
三民書局_96
・2023/07/11 ・2898字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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人類探索神秘宇宙的步伐從未停下。目前,宇宙中有多個「太空站」,太空人會在太空站中進行實驗。但他們的生活狀況為何?和地球有何區別?

太空人的生活並不神祕,但以常人眼光來看,可能會覺得別有樂趣。畢竟在太空環境下,沒有地球重力,許多事情都變得「難以想像」。

擁擠的太空艙是太空人賴以維生的窩 任何資源都不容浪費

由於太空站的使命,是讓人類可以長期在那裡進行科學研究。太空站一旦進入宇宙,就不能再回到地球了,所以太空站中擁有所有生活起居需要的東西。人類送到太空的第一個太空站,是前蘇聯 1971 年的禮炮1號,在同年這個太空站被燒毀前,就已經足以承擔太空人生活 23 天的重任。

太空站的使命,是讓人類可以長期在那裡進行科學研究。圖/envatoelements

大家可以想像一下,太空中沒有重力,人類的排泄物可能會「亂飛」。這肯定是不能接受的,所以太空站中有一種設備,它會產生一些氣流,讓人類排出來的大小便朝一個固定方向流動抽除。這項設施,其實充當了地球重力的作用。整套設備在太空博物館中就有(在太空博物館中,你還可以瞭解許多失去重力後的生活方式)。

當然,太空人排出的大小便並不是直接「丟棄」到太空!像水資源,它在太空中十分寶貴,所以人們的尿液都會經過處理後再次飲用,糞便中的水分,也要經過處理完全提取出來,然後讓它變成一坨硬硬的東西,包裝好存放起來。至於糞便的後續處理,它可能應用於很多地方。比如糞便裡有細菌,就可能用於培養火星的土壤,或是帶回地球繼續做研究。

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氣壓是否不同?人還會不會排氣?

其實排氣放屁是人的生理功能,在太空站中,人的所有生理功能都不會變差。至於是否排氣,必須要看太空人吃了什麼東西,這跟自身腸胃功能有關,與太空的環境關聯不大。

太空人在太空中不是很「喜歡」吃東西,因為吃多就會上很多次廁所。但在太空中,上廁所的位置很小、很麻煩,所以大家吃的都很少。

一些太空站上會出現的食物。圖/維基百科

太空艙裡面的空氣如何?

最初,太空艙內、太空人的太空衣都是「純氧」的,最主要的原因是不想裝太多的氮氣,因為它太「重」了。

然而使用純氧的太空艙後,我們遇到了一個問題:大家都知道第一個到太空的太空人是加加林,但實際上他並非選定的第一人。之前,在做地面測試的時候太空艙突然著火,由於純氧易燃,當時的太空人直接在裡面發生了意外。

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而後美國也有 3 名太空人由於電線短路,被燒死在純氧的太空艙中。於是我們決定改善氣體結構,讓它的組成成分與地球一樣。所以,像和平號、國際太空站、太空梭、神舟和天宮號上的空氣,都和地球的大氣一樣。

不過,太空人有時候要到太空站外工作,這時他們出艙服內的氣體必須是純氧,這樣氣壓相對會比較小,可以讓他們胳膊和腿部的關節自由彎曲。所幸目前為止,太空人穿純氧出艙服出艙近 400 餘次,尚未發生意外傷亡事故。

太空人出艙執行任務。圖/維基百科

讓太空人在太空生活,沒有重力,身體生理機能處於高度失水狀態,吃喝拉撒也比較困難,我們當然要想辦法讓他們的呼吸儘量順暢啦!所以才為他們提供和地球一樣的家鄉氣體條件。

太空人會不會缺乏陽光?

在太空站中,每 45 分鐘,就會經歷日出、日落,在地球上則是 12 小時。但太空人睡覺的時間還是正常的,比如你想加班,那就睡 4、5 個小時,不加班就睡 8 小時。

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有人會擔心,太空人在太空站中,是一個昏暗的環境,只有燈光。沒有太陽的照射,人體內會不會缺乏一些營養物質,從而影響身體健康?其實,我們需要陽光照射,是由於太陽光照射皮膚後,人體內會產生維他命 D,它可以幫助身體吸收食物中的鈣。

所以,在太空中,太空人都會帶著維他命 D 片,這個問題也就不存在了。當然,太陽光是一個讓太空人生活環境舒適的必備條件。好在太陽每 45 分鐘就升起、落下,問題不大。

太空人會基因突變?

說到這個問題,就不得不提及之前的一則新聞了:有報導稱太空人在太空待了 340 天,回到地球以後,發生基因突變,和他的同卵雙胞胎兄弟有了不同,為什麼會這樣呢?

實際上,這兩名太空人在 NASA 非常有名,史考特・凱利馬克・凱利是一對同卵雙胞胎兄弟,NASA 對他們進行了實驗。讓史考特到太空中去,而馬克留在地球,觀察他們的基因表現。據新聞報導,史考特在太空中發生了 5% 的基因功能變化。從事實來看,並非史考特的基因發生了突變,而是基因的「打開閉合方式」出現了變化。

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我們都知道,基因是有功能性的 DNA 片段,DNA 是一個雙股螺旋結構,它會不定時的打開、閉合,並在打開的過程中,在細胞核中複製單股信使 mRNA,而 mRNA 脫離細胞核進入細胞質後,開始指揮身體製造所需的蛋白質組織,如頭髮、指甲、腸壁、紅白血球和荷爾蒙等等。人類在地球的環境下生存,DNA就會有適應地球重力環境的打開、閉合方式。同樣,在太空中,它會適應太空無重力環境,產生一定程度的變化,史考特的變化也是因此而來。

貧血、肌肉流失、骨質疏鬆 無重力下的生理問題

其實在太空生活,還有許多要注意的事情。比如,生活久了,你每天要做 4 小時的衝擊運動,讓自己的骨骼受到衝擊力。在地球上,我們走路、跑步,膝蓋都會受到衝擊。但在太空中,不會有這樣的「衝擊」,因此,骨細胞會偷懶減產,人體就會主動降低骨骼的強度,等他回到地球的重力場,再進行走路、跑步等活動,就很有可能受傷!

太空人正在做衝擊運動。圖/維基百科

還有,在沒有重力場的情況下,人體只能容納在地面情況下 95% 的水分,其實是處於極度缺水的狀態。體液一減少,體內紅血球、白血球又開始偷懶,產量會相對減少,人就會貧血,對細菌的抵抗力也會降低。諸如此類,都是太空人可能遇到的問題。

太空實驗不易,人類太空科學的進步,必須要這些英雄們為我們做出貢獻。如此,太空科學才能一步步發展起來。

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最後,讓我們向太空人致敬!  

——本文摘自《把手伸出宇宙之外:成為宇宙公民》,2023 年 6 月,三民出版,未經同意請勿轉載。

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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。

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在外太空好睡嗎? 無重力下,身體會有什麼變化?
PanSci_96
・2023/03/27 ・2850字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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2022 年底到 2023 年全年的宇宙,很熱鬧!

先是維珍銀河(Virgin Galactic)2022 年開賣太空旅行票,預計 2023 年第二季成行;貝佐斯的藍色起源 (Blue Origin)則在 2022 年完成了第 6 趟商業載人發射;至於馬斯克的 SpaceX,把富豪送上太空站已經見怪不怪了。

不過,宇宙對土生土長的地球人可是充滿未知風險的,人類對一件攸關性命的事仍然充滿疑問:人上了宇宙,身體會發生什麼變化?而我們又要怎麼應對呢?

人類在太空會發生的事,線蟲知道!

平民宇宙飛行成真之前,有意競逐太空的各國政府和企業都要先搞清楚一個關鍵問題:太空對地球人的身體有什麼影響?短期停留和長程旅行個半年一年,又有什麼樣的差別?

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解密的鑰匙在一個小小的生物身上:線蟲。

2022 年 11 月,15 萬隻秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)大軍上了太空。線蟲的長度大約 0.1 公分,從孵化到成蟲只要 3 天左右,全身上下只有大約 1000 個細胞,每個細胞都能被追溯發育過程;又有簡單的神經網,而且許多基因和人類有相似性,為一種非常常見的實驗動物。

日本東北大學研究團隊把一批體內神經元用螢光蛋白標記好的線蟲送上國際太空站,交給太空站的日籍宇航員進行試驗,紀錄牠們由孵化到發育成成蟲的過程,目的是追蹤宇宙的微重力環境對線蟲會造成什麼影響。

他們發現線蟲的肌肉蛋白質和粒線體內代謝酵素減少、體長縮短、運動能力變差,並且多巴胺的分泌量也下降,不過背後的原因還不清楚。多巴胺是一種神經間傳遞訊號的化學物質,和調節身體動作、學習、情緒等有關。人類如果缺乏多巴胺會出現肢體動作障礙,最明顯的疾病就是帕金森氏症。

他們也在部分線蟲的培養皿裡加進許多塑膠小顆粒,讓塑膠粒時時碰觸到這些線蟲,結果發現,有碰觸的線蟲和沒有碰觸的相比,多巴胺減退比較少,運動能力也比較好。東北大學團隊提出的看法是:「除了運動外,『接觸』的刺激很可能是人在太空長保健康的要素」。

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「接觸」的刺激很可能是人在太空保健的要素。圖/Envato Elements

如果假設被證實的話,接下來就有機會特別設計出一套能刺激肌肉的接觸療法,例如按摩或指壓,上太空的人就不必每天耗一大段時間運動了。

不過,線蟲到人類離得很遠,要等到成果恐怕還需要花不少時間。

一上宇宙,身體馬上知道!

自從第一個太空人上宇宙以來,斷斷續續有小規模試驗記錄太空人的身體變化,從中可以歸納出許多「太空症狀」,我們舉出前 5 種最有感的改變當作例子:

一、水分跑到上半身,變成滿月臉

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一到了宇宙,少了重力把身體的血液往下拉,加上腿部本來有許多塊肌肉,只要一站起來或走動,就會像幫浦一樣把血液往上推擠,避免積存在下半身;於是不少太空人上太空頭幾天就發生上半身水腫,最明顯的是兩腿變細像鳥腿,還擁有一張又紅又脹的圓臉。

二、暈太空艙

搭乘太空艙也會發生類似的「動暈症(motion sickness)」症狀。眼睛告訴我們在移動,位在耳朵深處負責身體平衡感和空間感的前庭系統卻難以判斷上下左右,兩者衝突會讓人感到頭暈、噁心、嘔吐。

三、睡不著,睡不好

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在宇宙會失眠的原因還不完全明朗,推測和生理時鐘的晝夜節律被打亂有關,與大腦的水分分布改變有關;還有其他因素,如:說狹窄空間的壓迫感、身在危險環境的緊張感,可能也會導致睡眠變差。

在宇宙會睡不好。圖/Envato Elements

四、眼睛容易出問題

太空人的眼球變形、視神經發炎,視線變模糊,有些人甚至無法完全康復,目前的假說是眼睛受到腦部組織液的壓迫,把眼球和視神經「壓壞」了。舉個實例,美國太空人菲利普斯(John Phillips)先前在國際太空站待了半年,視力從 1.0 降到 0.2。

再加上宇宙裡無時無刻有輻射線穿透太空艙的防護壁,也連帶會損傷眼睛,例如提高水晶體變成白色混濁的機率,也就是俗稱的白內障。

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五、肌肉和骨質流失,這可能是最嚴重的太空健康問題

在地表因為有重力,不論提、拉、扛、站都需要使勁,一旦到了太空,你的身體會判斷肌肉沒有必要強而有力,肌肉合成量因此變少;骨頭也不必堅固到撐起全身,不用那麼努力生成骨骼組織,鈣質也就流失了。

因此進入太空的人,最明顯的症狀就是肌肉變鬆垮、手腳沒力,最明顯的就是下半身肌肉萎縮。骨質以每個月 1% 到 1.6% 的速率流失,1 個月的損耗量就超過地球的 1 年;也因為骨鈣大量從尿裡流失,容易得腎結石。

其他的太空症狀,還包括免疫系統變弱、造血功能可能變差、肺部容積下降等,也都是需要面對的問題。

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如何克服這些人體變化

直到目前,其實都還沒有很好的辦法。

最常見的做法是要求太空人每天花大量時間運動,例如踏上跑步機每天快跑、用阻力訓練機進行重量訓練、踩固定式腳踏車鍛鍊心肺功能,保持肌肉、骨骼和心血管的強度。不過這只是治標,不能治本,只能減慢肌肉骨骼的流失速度,而且在太空中的運動成效差,舉例來說,在跑步機上 2 小時,大約只等於在地表跑 20 分鐘的效果。

好消息是,一些應用的研究已經開跑,把人在太空發生的退化和衰弱現象,類比到肌少症、帕金森氏症、多發性硬化症等肌肉或神經退化性疾病,觀察小動物在太空中從分子層面到生理層面的變化,想找出地球上病人生病的原因和解方;例如:接觸療法有機會用來刺激帕金森氏症患者的大腦分泌更多多巴胺,改善手腳顫抖、走路小碎步的症狀。

另外,也有新創企業把大腦神經細胞和微膠細胞(microglia)裝在培養箱帶上太空站,微膠細胞是一種能在腦內環境發揮免疫功能的細胞,科學家懷疑它因為某些不明原因暴走,損傷到腦神經細胞,是導致神經退化性疾病的原因之一。在微重力環境下,的確可以誘發培養箱裡的微膠細胞出現異常行為,抽絲剝繭找出是哪些基因和蛋白質失控,或許就可以解開腦部病變的謎團。

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人類一上到宇宙,就會出現一連串的「太空症狀」。圖/Envato Elements

整體來說,太空醫學發展的速度比起太空飛行技術進步慢了非常多,這是在未來平民太空時代勢必要彌補的落差。

不過,現在也有一些大學開始設立太空醫學課程,例如倫敦國王學院今年 9 月要開課的航空太空醫學(Aerospace medicine)碩士班,這現象一方面顯示出市場有迫切的需求,一方面也透露出「宇宙民主化」可能真的不遠了。

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