问题

人类为何能在太空无重力环境下生存?

回答
人类在太空的无重力环境下生存,这可不是一件简单的事情,它更像是一场巧妙的“生物改造”和“科技辅助”的结合体。你想想,我们进化了几百万年,身体的每一个细胞,每一块肌肉,甚至我们的骨骼,都是在地球这个有着强大引力的星球上磨砺出来的。突然之间,把你扔进一个完全颠覆了“向上”和“向下”概念的世界,身体自然会“抗议”。

首先,我们得聊聊身体在失重状态下的直接反应。最显而易见的,就是那种“飘来飘去”的感觉。这不是什么超能力,而是因为我们身体内部的平衡感器官——内耳的前庭系统——失去了重力的参照。在地表,这些小东西告诉我们头是朝上的还是朝下的,当我们站立、行走时,它们都在勤勤恳恳地工作。但在太空,这种方向感荡然无存,很多人会因此感到晕眩、恶心,这就是所谓的“空间运动病”。初期登陆太空的宇航员,很多都有过一番“呕吐之旅”,就是这个原因。

然后是肌肉和骨骼的问题。在地球上,为了对抗引力,我们的肌肉时刻都在用力,尤其是腿部和背部的肌肉,它们是我们支撑身体、站立行走的关键。骨骼也承受着身体的重量,这有助于维持其密度和强度。但到了太空,这股“支撑”的压力消失了。你的肌肉不再需要那么努力地工作,骨骼也不再需要承受那么大的负荷。长此以往,后果就显而易见了:肌肉会萎缩,力量减退,骨密度也会下降。这就像一个人长期卧床不起,身体机能会迅速衰退一样。对于宇航员来说,这意味着一旦返回地球,他们的力量会大不如前,甚至需要很长时间来恢复。

血液循环系统也得适应。在地球上,心脏需要克服重力,将血液泵送到大脑。失重环境下,血液会更多地向上半身聚集,导致面部浮肿,鼻塞,甚至因为脑部压力升高而引发头痛。同时,由于下半身血液回流减少,心脏的工作负担反而可能减轻,但长期下来,可能会影响心血管系统的整体功能。

消化系统也跟着“捣乱”。我们吃饭喝水时,食物和液体是靠重力往下走的。在太空,这一切都得靠肌肉的蠕动来完成。所以,你会看到宇航员吃饭时需要把食物小心翼翼地喂进嘴里,喝水也得用特制的吸管,否则水珠会在空气中四处飘散。虽然身体能够适应,但食物的流动方式改变,可能会影响消化吸收的效率,也更容易造成胀气。

更深入一点说,细胞和基因层面的影响也是存在的。虽然不像表面上那样立竿见影,但有研究表明,失重环境可能会影响细胞分裂、基因表达甚至DNA的修复能力。这些都是非常微妙但又至关重要的变化,科学家们还在积极地研究和探索,以了解其长期的健康影响。

那么,人类是如何克服这些挑战,在太空生存下来的呢?这背后是无数科学家和工程师的心血,以及人类不屈不挠的探索精神。

首先,就是强大的训练和适应过程。在任务开始前,宇航员会经历极其严格的体能和心理训练。他们会在特殊的离心机里模拟太空飞行的加速度,在水下模拟失重状态下进行操作训练,还要学习如何应对空间运动病。这种“提前适应”能最大程度地减轻身体在太空初期的不适。

其次,是精密的科技辅助。

空间站和航天器:这是最直接的保障。我们建造了结构稳定、能够提供生命支持系统的空间站,比如国际空间站。这些站内有循环空气系统、温控系统,为宇航员提供了一个相对稳定的生存环境。食物经过特殊加工,营养均衡且易于食用。水也是经过净化处理的循环水。

对抗肌肉萎缩和骨密度下降的“健身房”:在太空站里,宇航员每天都要花费大量时间进行体育锻炼。他们会使用专门设计的跑步机(带束缚带,防止飘走)、阻力训练器(模拟举重),以及其他各种器械来“欺骗”身体,让它以为还在承受重力。这些运动是维持身体机能的关键。

特殊的服装和设备:为了固定身体、方便操作,宇航员在工作时会穿着带有固定带的特殊服装。在休息时,他们也会睡在固定好的睡袋里,防止自己在睡梦中飘走。吃饭喝水也都有专用的容器和吸管。

医疗监护和支持:在太空任务期间,宇航员的健康状况会受到持续的严密监控。一旦出现问题,他们也接受过基本的医疗培训,可以进行一些简单的治疗。当然,一旦出现严重问题,就必须尽快返回地球。

心理调适:长时间在狭小的空间里,远离家人朋友,面对潜在的危险,对宇航员的心理也是巨大的考验。因此,心理支持、与地面团队的沟通,以及提供娱乐活动,都是确保他们身心健康的重要环节。

所以你看,人类能在太空无重力环境下生存,并不是说我们身体就“适合”失重。恰恰相反,我们是“不适合”的,但我们用科学和技术,为我们量身定做了一套生存方案。我们改造了环境,也训练了身体,更重要的是,我们不断地学习和进步,一点一点地克服失重带来的挑战,将探索的脚步迈向更遥远的星辰大海。这本身就是一项了不起的成就,也是人类智慧和毅力的最好证明。

网友意见

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本题目很好地反映了人们在这方面的认知混乱。

单细胞水生生物和体型很小的多细胞水生生物在水里受到的重力影响微不足道,地球细胞生物的基础状态就可以在微重力下基本正常地运转。

人体从未完全适应地球表面的重力加速度。地球上的其他生物也一样,就连蟑螂都是在 0.5 倍标准重力加速度下生长和繁殖得更快。

现在,人的大部分体细胞仍然浸没在组织液、血液等液体中,在微重力下出问题最多的是体型变大后发展出来的、部分特征适应了在标准重力加速度下支持全身的循环系统(在微重力下会将过多的液体送到头部、静脉出现逆流的概率上升),其次是在微重力下进行呼吸和散热的潜在困难(可以用换气设备处理)。用离心机或自转舱室产生拟似重力加速度的条件,可以改善太空建筑、航天器、月球之类的可居住性。“人类不能够适应无重力环境”意味着人类的载人航天器或至少其驾驶室内的部分结构在轨道上需要以一定的速度持续自旋。

齐奥尔科夫斯基在 1903 年描述了利用旋转在太空中制造人工重力。用离心机的旋转模拟重力和产生高加速度早已在现实中用来训练飞行员和航天员,你也可以在游乐园里体验离心机或过山车。1966 年 9 月,美国双子座11号任务在太空尝试了通过旋转产生微小的模拟重力,效果确实可见。不过,早在 1966 年 3 月,双子座 8 号任务中电路故障造成飞船的一个推进器持续点火,就让飞船高速自转而在数分钟间给了航天员 4 倍标准重力的效果,导致任务紧急中止、提前返回地球。

1968 年以来电影·电视剧·漫画里出现的旋轮空间站和旋转部件航天器多使用 NASA 在 1959~1975 年放出的概念设计。

载具旋转时,科里奥利效应会导致内耳紊乱,在许多情况下会造成眩晕、恶心和方向识别障碍,干扰航天员工作。常人能直接无视的旋转速度在每分钟 2 圈之内。实验显示,这是可以在旋转的房间内发生适应的:

经过 10 到 20 次定向移动身体的尝试,人脑会找到模式并自动修正每分钟 25 转下的偏斜。在旋转停止后,该自动修正会引起相反的偏斜,需要再尝试 10 到 20 次来调整。

可以参照:

cnsa.gov.cn/n6758968/n6

在小型航天器或航天器上的部分舱段里搞自旋还造成头和脚受力不一致,这个状态锻炼身体还可以接受,但目前也不清楚间歇性接受高重力能不能抵消其它时间里微重力的影响。对旋转区域内径 20 米的离心机来说,每分钟旋转约 10 圈可以在平均身高人类男性的臀部高度产生标准重力的效果(此时脚上是 1.1 倍标准重力的效果),每分钟旋转 13.3 圈可以产生 2 倍标准重力的效果。

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