这些显微照片中的网状结构是松质骨——低密度骨，特别容易患骨质疏松症。在这些图像中，经过一年每天 20 分钟治疗的绵羊（A）的股骨显示出的骨骼生长比未经治疗的绵羊（B）多三分之一。| 图片来源：Clinton Rubin/纽约州立大学石溪分校
Clinton Rubin/纽约州立大学石溪分校
去年 2 月，在“哥伦比亚号”航天飞机在德克萨斯州上空爆炸几天后，第一位进入太空的美国女性 Sally Ride 从一位资深航天员的角度谈到了这场悲剧。“国家没有一位宇航员不清楚飞行的脆弱性，”Ride 说。“每一位升空的宇航员都知道他或她面临的风险。”
即使太空飞行没有以灾难告终，它也给宇航员带来了风险。国际空间站的机组人员一次要忍受数月无重力状态，在没有地球引力的情况下，他们的身体会失控。大多数人在刚升空的前几天会晕车，因为眼睛发出的信号与内耳和其他重力感应器官发出的混乱信息相冲突。在地球上会流向腿部和脚部的血液和其他体液在太空中开始积聚在胸部，导致面部浮肿。心脏会变弱，因为它不再需要那么努力地工作。稳定腿部和脊柱的肌肉也会变得更加虚弱。尤其令人担忧的是，在缺乏重力的情况下骨骼会发生退化。有骨质疏松症风险的绝经后女性每年会失去约 2% 的骨量；而轨道上的宇航员每月会失去这么多。
“虽然失重似乎是每个人关于如何轻松生活而不费多少力气的梦想，但实际上它是一个巨大的医学噩梦，”前 NASA 顾问、AstroFit 训练计划作者 William Evans 写道。
自人类太空飞行开始的四十多年来，科学家们一直在努力了解失重对人体的影响，并制定应对策略。例如，空间站的宇航员现在每天花两个小时将自己绑在跑步机上进行锻炼。但运动只能为对抗太空中的肌体衰弱提供有限的保护，而太空中的肌体衰弱仍然是限制载人航天的一大因素。例如，一位勇敢地完成九个月火星之旅的宇航员，很可能到达时过于虚弱或站不稳而无法行走。即使只是在太空中度过一两周的航天飞机乘员，通常也需要数天的恢复才能跑步、开车或站立而不感到头晕。他们的脆弱骨骼需要更长时间才能重建。
“随着一个人变得越来越像一个太空生物而不是地球生物，身体会发生所有这些变化，”加州莫菲特菲尔德 NASA Ames 研究中心的个体因素专家 Malcolm Cohen 说。“这没什么大不了的，只要这个人一直处于失重状态。但然后他们就必须回到地球。”
Cohen 和其他人认为，治愈方法可能是超重力：利用离心机向宇航员施加比地球引力场更强的力。离心机的工作原理与沙拉脱水器相同。一个手臂从中心枢纽水平旋转，如果一个人躺在手臂上，头部朝向支点，那么向外的推力就会转化为从头部到脚部的向下推力，这与地球上的站立一样，对心脏、肌肉和骨骼提出了挑战。设备提供的力的大小取决于其旋转速度和手臂的长度。普通人可以承受 2 到 3 g（1 g 是地球上的引力场度量），研究人员认为在太空中几分钟的超重力可能可以弥补数天失重的影响。
“基本思想是利用短时间的 g 力来逆转一些对失重的适应，”麻省理工学院的空间生理学家 Charles Oman 说。
在 20 世纪 70 年代，离心机类的设备首次被用于天空实验室（Skylab），以研究神经前庭系统——由眼睛、内耳和控制平衡、感知身体位置以及引发晕车的脑中心组成的网络。最后一台离心机于 1998 年被送上航天飞机。随着人们越来越清楚地认识到现有的对抗措施不足以维持心脏和肌肉的张力、阻止骨质流失或维持前庭系统，科学家们对离心机研究的兴趣日益浓厚。即使被绑在跑步机上，宇航员在太空中的跑步也只能承受其陆地重量的 60% 不到。
去年夏天在 NASA Ames 进行的研究中，四个人在 28 英尺长的旋转臂末端的一个房间里待了 22 小时，该房间以每分钟 10 转的速度旋转，产生高达 1.5 g 的力。Cohen 在实验之前、之中和之后测量了他们在躺着、坐着和站着时的心率和血压。他表示在发布结果之前，还需要更多的数据和更多的志愿者（“这不是一种愉快的体验，”他承认）。在 MIT，Oman 和他的同事 Larry Young 以每小时 10 美元的价格让受试者在床长的离心机上乘坐数小时。Oman 认为离心机可以帮助训练神经前庭系统，使其更快地适应失重，让宇航员能够在地球、太空和其他行星之间穿梭，而不会经历数天令人虚弱的晕车。Oman 以他乘坐 NASA 所谓的“呕吐彗星”的经历为例。这架改装的 KC-135 飞机在墨西哥湾上空 30,000 多英尺的高度以抛物线轨迹飞行，先是急剧爬升 10 秒，产生高达 2 g 的力，然后俯冲 10 秒，在此期间乘客会经历近乎失重的自由落体。这种循环每小时可以重复 60 次。Oman 说，第一次乘坐的人给这架飞机起了这个绰号，但像他这样的常旅客已经习惯了这种乘坐。
无论如何，反复的暴露可以让神经前庭系统即时适应各种 g 力。“我们才刚刚开始认识到重力对生物系统的深远影响，”Oman 说。
纽约州立大学石溪分校的生物医学工程师 Clinton Rubin 发现，高频振动也可能增强骨骼。两年前，他曾报道说，绵羊在一年的时间里，每周五天，每天在振动平台上停留 20 分钟，其腿部新骨的生成比对照羊群多。他希望在 2006 年在太空中启动一项类似的针对人类的实验。他说，这种治疗感觉就像“站在人行道上，一辆重型卡车驶过。我们试图欺骗骨骼，让它们以为肌肉正在活动。”
骨骼生长药物也可能有助于防止长途太空旅行期间的骨质流失。但是，针对单一生理系统的对抗措施不如像人造离心机那样能够同时解决多个系统问题的措施更具吸引力。而且太空医生仍然需要找到方法来限制载人航天的一些与失重无关的其他危险，例如睡眠障碍和宇宙辐射暴露。休斯顿国家太空生物医学研究所前副所长 Ronald White 在最近的一篇论文中写道：“在就人类进行探索性航行的基本决定做出之前，必须现在就处理好这些宇航员健康问题。”
无论 NASA 是否会决定进行载人火星任务，它都计划到 2020 年在太空中安装新的望远镜，这些望远镜将位于距离地球 100 万英里的地方——往返需要一个月时间。一些专家认为，这些仪器将需要人类机械师进行维修。
