太空飛行對航運(yùn)心血管和骨骼肌肉系統(tǒng)的影響

太空飛行對航運(yùn)心血管和骨骼肌肉系統(tǒng)的影響

196年，加加林的載人宇宙飛行成功，1973年8月11日。20世紀(jì)90年代，國際空間站的長期生存表明，載人的宇宙飛行取得了很大進(jìn)步。雖然人類實現(xiàn)了進(jìn)入太空的夢想,但是在太空飛行和工作中,由于失重也會對宇航員的身體帶來不利的影響,嚴(yán)重時還會導(dǎo)致殘疾的發(fā)生。因為人類在進(jìn)化過程中,逐漸形成了與地球重力相適應(yīng)的人體結(jié)構(gòu)和功能,而在微重力的太空環(huán)境中,會對人體產(chǎn)生各種各樣的影響。本文主要闡述太空飛行時對宇航員的心血管、骨骼、肌肉3個方面帶來的不利影響。1飛行后不能承受直立位psoi的發(fā)生太空飛行心血管功能失調(diào)主要表現(xiàn)為運(yùn)動能力與直立位耐力降低?？臻g條件下,血容量、心臟、血管及其神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)將發(fā)生一些適應(yīng)性變化,返回地面后,這些變化會影響宇航員腦部血液供應(yīng),使其運(yùn)動能力和直立耐受能力減弱。心血管方面的癥狀主要為心動過速、心悸,并且會導(dǎo)致眩暈,但心律失常在飛行期間或飛行后不是經(jīng)常發(fā)生的。目前認(rèn)為,空間環(huán)境下心臟功能減弱主要與以下3個方面有關(guān):心肌細(xì)胞尤其是肌漿網(wǎng)的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)功能降低;心肌收縮蛋白結(jié)構(gòu)改變,其與Ca2+結(jié)合的能力可能改變;心肌內(nèi)的內(nèi)皮細(xì)胞調(diào)節(jié)功能減弱。宇航員在返回地面時最多的即刻癥狀表現(xiàn)為太空飛行后不能耐受直立位(PSOI),飛行后不能耐受直立位是由腦灌注不足引起,并且表現(xiàn)為暈厥或昏厥前的癥狀(頭暈?zāi)垦?、黑朦或收縮壓降到70mmHg)。首先,在1963年34h水星飛行后的全部資料證明飛行后不能耐受直立位在返回宇航員中的發(fā)生率為20%~64%。一些宇航員易發(fā)生飛行后綜合征,并且在以后的飛行中不會對飛行后不能耐受直立位形成抵抗力。女人對飛行后不能耐受直立位特別敏感。和短期的太空飛行相比,長期太空飛行大大地增加不能耐受直立位的發(fā)生率。盡管不能耐受直立位的發(fā)生機(jī)理還沒有完全了解,但是它的發(fā)生可能和多種因素有關(guān)。關(guān)于這個課題廣泛的評述已經(jīng)公開發(fā)表。對于起作用因素的早期假設(shè)是自然的機(jī)械作用,包括:液體的丟失和血容量的縮減;心肺功能受損;靜脈順應(yīng)性的增強(qiáng)。最近更多的假設(shè)包括:前庭耳石器官的形態(tài)學(xué)和神經(jīng)可塑性改變了心血管控制;飛行后腎上腺素反應(yīng)低下和腎上腺素環(huán)的損害;壓力感受器反射弧的損傷。此外短期和長期太空飛行的貧血癥可以造成大腦供氧的不足。2骨礦密度和骨質(zhì)的變化眾所周知,太空飛行的影響是骨量的丟失,因為在微重力的環(huán)境中,骨的負(fù)重減少,骨質(zhì)流失大量的鈣,太空飛行骨量丟失的速度是在地球上丟失速度的10倍。承重骨的骨礦物質(zhì)密度(BMD)每個月大約顯著地減少1.0%,然而在太空的有些地方骨量丟失每月減少會上升到2.0%。從理論上講,以這樣的速度減少,到火星的時候,骨礦物質(zhì)密度就減少一半,并且在安全返回1g的重力環(huán)境中就會不適應(yīng)。骨礦物質(zhì)密度的減少被認(rèn)為是微重力條件下機(jī)械負(fù)荷減低所致,并且和地面上隨著年齡增加所出現(xiàn)的骨質(zhì)疏松相似。骨礦物質(zhì)密度的減少在不同的個體之間是不同的,并且和部位相關(guān)。最大的骨丟失量是運(yùn)動幅度較大的骨和著地的下肢承重骨,包括遠(yuǎn)端脛骨、股骨頸、骨盆和腰椎,如果用最近使用的定量式計算機(jī)斷層掃瞄所得的報告顯示,股骨頭的海綿體在1個月內(nèi)減少2.5%,骨皮質(zhì)在1個月內(nèi)減少0.5%。骨礦密度在不承重的上肢骨基本保持不變,事實上在顱骨是增加的。盡管絕大多數(shù)礦物質(zhì)的量是從骨皮質(zhì)丟失的,但是初期骨小梁的骨密度減少的比例比骨皮質(zhì)骨密度減少的比例大的多。從細(xì)胞水平看,成骨細(xì)胞的骨形成減少和骨基質(zhì)成熟障礙是微重力引起骨丟失的根本原因。當(dāng)返回地面時,骨礦物質(zhì)的消耗似乎僅有部分是可逆的。5年內(nèi)的隨訪數(shù)據(jù)顯示骨礦物質(zhì)的密度6個月后不能恢復(fù)飛行前的數(shù)值。除非有阻止的對策措施,否則骨骼系統(tǒng)進(jìn)行性退化可能是限制太空飛行的一個因素。在長期太空飛行中,骨丟失是否變慢還是達(dá)到最后的平臺期是未知的。復(fù)雜的骨質(zhì)疏松,包括髖、撓骨、脊柱的骨折,在太空飛行的文獻(xiàn)里還沒有被證明,但是這些情況對于較長的太空飛行將需要監(jiān)測。骨礦密度對于真正骨折的風(fēng)險只是一個替代的測量標(biāo)準(zhǔn)。3太空飛行對骨骼肌的影響在空間和像在地球上一樣,日常生活活動的完成依靠大量肌肉的功能活動,然而對于完成這些功能活動所需要的力量在太空中是減少的,不用支撐身體來抵抗重力,而肌肉抵抗物體重量的負(fù)荷也幾乎沒有了,增加了肌肉的廢用性萎縮。在失重狀態(tài)下,逐漸發(fā)生的肌肉萎縮早已經(jīng)被證明[7,17,18,19,20,21,22]。在缺乏對策措施干預(yù)的情況下,大約270d后,肌肉的量是最初的2/3。肌肉的完整性對于緊急情況下的操作、大運(yùn)動量的工作狀態(tài)例如太空船外的活動(如太空行走),使用工具、移動都是必須的,并且可能減輕返回地面時不能耐受直立位的程度。太空飛行中肌肉力量喪失、異常反射模式和增加的易疲勞性等很多方面都和地面上長期臥床的病人、情況低下的病人及衰老的病人的情況相符。失重或微重力對骨骼肌的影響主要表現(xiàn)為肌肉萎縮以及最大肌力的降低,肌肉的萎縮不僅表現(xiàn)在形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變,而且肌肉的功能及生化代謝也發(fā)生明顯的變化。實際和模擬失重都證明在失重狀態(tài)下姿勢性抗重力肌肉的萎縮是最大的。在踝關(guān)節(jié)的跖屈肌肌容積損失是最大的,緊接著是踝背屈肌,膝伸肌,膝屈肌和下背肌。為了掌握肌肉變化的實際情況,在為期8d的太空飛行的前后,利用核磁共振成像技術(shù)對下肢肌肉橫斷面積進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn),腰背肌肉橫斷面積減少的最顯著,約減少10.3%。短期太空飛行導(dǎo)致肌纖維橫斷面積的減少,但是肌纖維數(shù)不變。不像動物模型一樣,存在Ⅰ型纖維的地方首先萎縮,而人類在微重力的條件下,顯示出Ⅰ型、Ⅱ型纖維都萎縮。肌肉功能在萎縮中的決定作用要比纖維構(gòu)成在肌萎縮中的決定作用更重要,因為大部分慢縮肌和姿勢肌這兩種類型的肌萎縮是最大的,大部分快縮肌和非姿勢性肌肉的萎縮較輕。當(dāng)暴露于微重力的環(huán)境下,這種萎縮歸因于肌絲蛋白降解的增加和合成減少的失調(diào)。然而,臨床表現(xiàn)要比肌肉結(jié)構(gòu)的變化更重要,在空間肌肉力量的減少已經(jīng)被測量。盡管使用了相應(yīng)的對策,但是微重力條件下飛行180d后,下肢肌肉最大爆發(fā)力減少到飛行前的45%,并且飛行后肌肉爆發(fā)力的喪失程度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于肌容積的喪失程度。肌肉的功能喪失可能歸因于神經(jīng)中樞激活作用的變化。對于太空飛行,神經(jīng)軸突末端的傳導(dǎo)速度是減低的,并且在體位性肌肉暴露于微重力環(huán)境下,神經(jīng)肌肉接頭經(jīng)歷著顯著的結(jié)構(gòu)再塑。體力和力量兩者之間的不和諧可能也歸因于在微重力環(huán)境下肌肉生物力學(xué)性質(zhì)的