【書摘】《地球之後》-是「退化」還是「進化」?

發表於2017/06/15
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※本文摘錄「地球之後

是「退化」還是「進化」?

太空人醫生巴拉特表示,抵達國際太空站之後最奇妙的一件事,就是觀察他和同事們的身體怎麼適應新環境。作嘔和頭痛持續了幾天(就跟阿楚萊塔在床上的情況一樣)然後開始有所變化。在太空中,動靜脈變得更容易滲透,使循環系統將體液擴散入組織中。脾臟分解掉紅血球,降低了血量。隨著器官上飄至胸腔上側的全新位置、重量從關節上釋放開來,身體也開始變形。太空人長高了,腰部縮小、胸腔擴張。腦部則是各器官中最靈活的,它重新改編自己,在這個沒有上下區別的三次元移動環境中,產生了專屬自己的參照座標。

「我們有點變成外星人了。」麥克說,「在那裡過了6 到8 周後,你開始覺得自己像超人。你是一個生理變異、適應零重力、三次元導向的生物,在太空中運作效能良好。誰想過我們會達成這一點?你知道,第一次有人進入零重力地帶之前,人們曾經很擔心自己能不能在上頭呼吸、消化,完成排尿之類的簡單工作,如此這般。而那還只是冰山一角,但到頭來我們做這些全都不成問題。不過,身體居然能做出這所有的改變,甚至因為這些改變而在零重力中變得更實用,這就實在是太神奇了。」

所有的太空人都很聰明,但巴拉特似乎比一些力求完美的美國太空船總舵手要來得更有人味,他並沒有在5 歲時就立定志向上太空。一開始,麥克是海洋熱愛者,儘管NASA 的工作使他不得不住在休士頓(太太在當地任職兒科醫生),他至今仍將為時不長的空閒,拿來修理那艘讓他遨遊西北太平洋的帆船。醫學院學生時期,他偶然發現一本令他著迷的期刊而選擇了航空醫學。要等到他接近中年,已經針對如何讓太空人在長途旅程中保持健康研究了一陣子之後,他才決定去嘗試當太空人。所以他既是實驗鼠本人,也是研究受試對象的科學家。

國際太空站本身也成為一個以瞭解長途太空飛行醫療結果為主要目標的實驗室。其中一項經歷多年試誤研究後得到的重大成功,就是解決了造成太空人落地後四肢難行的大部分身體不適。現在,每個美國太空人每天都必須在跑步機、腳踏車和阻力運動器材上奮力運動兩小時。這些例行運動提供了骨骼和肌肉維持形狀所需的抗力和壓力,骨質重建得以趕上流失速度。運動到了太空中成了一筆花費不少時間與精力的重大投資,但太空人總是欣然接受。巴拉特同意,太空觀光客恐怕無法忍受這種比大部分馬拉松運動員1 周訓練量還要多的體格鍛鍊。

加爾維斯敦醫院的臥床研究團隊測試了設備,想辦法讓運動器材在太空中更有效率且體積更小,包括受試對象即便躺平也能使用的跑步機和推蹬機。計畫主持者羅妮塔.克倫威爾(Ronita Cromwell)表示,這些裝置得要更結實,才能裝進前往月球或火星的太空船。阿楚萊塔等多位枕空人,以及其他國家類似研究單位的測試對象們,都在每一步驟協助解決了這些問題。在德國,有一台巨大的離心機產生多種重力。在俄羅斯,受試對象被裝在一個像水床一樣的子宮裡,以徹底剝奪他們屬於「地球」的感官知覺。

但這些計畫只處理了NASA 人類研究計畫(Human Research Program)所研究的32 種太空飛行風險中的少數幾種;NASA 的計畫研究範圍更廣,包括了因為搭乘火箭導致的聽力喪失,或者暴露在滲透進登月艇的有毒月球塵埃內,或者免疫系統問題(可能導致了太空人常見的皮疹),還有腎結石,一部分是因為骨質流失滲出了鈣,使結石在無重力狀態下生成。其中有些項目當前並沒有解決方法,那些問題就成了阻止人類前往其他星球的最大難題。

巴拉特一口氣說出5 個最大難題,就好像他腦中一直都在想著似的:骨質與肌肉喪失、放射線、心理、自主醫療照顧、視覺損害。這些問題目前都還沒有徹底被解決,有些甚至隨著研究變得更糟。2009 年,太空中的視覺問題有一部分也體現於麥克自己的眼睛上。


是宇宙的問題,還是年紀的問題?

麥克是在國際太空站上發覺自己的視力變差,對這個現象他早就習以為常,以至於NASA 很久以前就開始替在地球上不用戴眼鏡的太空人準備眼鏡。這個問題還沒有被深入研究,反正許多太空人也是在開始得戴眼鏡的年紀上太空的。

「我和包柏.瑟斯克(Bob Thirsk,另一位加拿大太空人)兩個人都察覺到自己在進行一些工作步驟時需要度數高一點的放大鏡。因為我們都是醫生,就用檢眼鏡替對方檢查了眼睛;我們打從心底覺得,彼此都有看到一點視盤水腫。」這代表巴拉特和瑟斯克兩人視神經與眼球相會的地方都有腫脹。NASA多送了一台成像裝備上太空想知道發生了什麼事,透過新的器材,兩人達成了幾十年來太空醫學研究的最大發現。

「當我們替彼此做超音波檢查的那一刻,才真正豁然開朗。」麥克說,「很明顯地,我的腦袋裡面出大事了。」

影像顯示,他的視神經腫脹成正常的兩倍,而他的眼球變平了。其他科學家的後續研究檢視了許多太空人,發現每個人都有一堆眼壓相關的眼部疾病警訊,是所有去過太空的人都有的獨特病徵。大部分人沒有視盤水腫,而且回到地球後腫脹狀態都解除了,但曾長途飛行的太空人中,有60% 發現視覺銳利度下降或者出現盲點。根據湯瑪斯.梅德(Thomas Mader)2011 年的論文指出,其中有些人的視覺問題並沒有在回到地球後改善,甚至多年過去後也一樣。


腦袋裡出了什麼事?

這個難題既複雜又未能徹底解決。無重力狀態導致腦中液壓持續增加似乎是主因,而太空船的高濃度二氧化碳又使問題加重(二氧化碳可讓血管舒張)。太空醫生克利斯提安.奧圖(Christian Otto)解釋,在地球上,若不處理過多的液壓,隨著腫脹處阻止葡萄糖和氧氣進入細胞,患者最終會失去視神經維。但克利斯提安說,就算處在上太空才會體驗的腫脹程度下,神經細胞還是要6個月以上才會壞死。大部分的國際太空站太空人一次都只飛6 個月。進行為期1 年的任務時,面臨的風險就大上許多,而一趟3 年的火星任務則可能會導致部分失明。

人類在太空面臨的視覺問題也帶出了另一個疑問:無重力狀態影響液體運動的這種現象,還可能在腦中造成什麼影響?克利斯提安說,腦脊髓液沒有重力就不會正常循環。在地球上,這種液體會把廢物帶離腦部,一般認為缺少循環會促發失智症。NASA 還沒探討這問題,但飛行醫生們希望能在太空人飛行後測量他們的脊髓液,檢測導致失智症的病兆標記,並希望讓太空人接受高水準認知測試,觀察他們是否因為任務而出現任何智能損傷的徵兆(雖然乍看之下是沒有損傷)。

即便還沒完全了解問題,NASA 已在尋找解決方法,並稱之為「對策」。太空人史考特.凱利(Scott Kelly)在國際太空站待了1 年後,於2016 年3月返回地球,希望眼部問題可以藉由一條俄羅斯製的真空吸力褲而好轉。這種奇特發明的目標是把血液拉回下半身底端,但這並不是實用的長期方案。對於那些在太空中航行多年的人來說,他們可能會需要人工重力來回復視力。

身為人類研究計畫的領導,巴拉特組織了一個工作坊,重振「如何旋轉太空船,產生如同重力的離心力」的研究。這並不容易,整個研究過去了15 年,也沒有什麼大幅進展。

麥克認為只需一點點重力就足以保護視神經,所以造訪月球或火星將阻止神經繼續受損,但我們不知是否真能如此。臥床研究永遠不可能產生國際太空站遇到的視覺問題。克倫威爾在加爾維斯敦醫院的團隊展開了實驗,藉著把患者以某個角度安置在床上,讓雙腳比頭部略低,來觀察低重力狀態的情形。她的研究團隊藉由測試概念,在肌肉骨骼上重現了月球上的六分之一重力。但科學家不保證實驗中的體液轉移是不是正確的;若沒有來自月球或其他低重力場合的比對數據,也無法確認此地的結果是否符合。接著,總統歐巴馬取消了登月計畫,整個工作遭到棄置。

這整個問題顯現出我們對外太空生活實在太缺乏了解。我們到現在都還能找到證明太空飛行很危險的新理由,其實不是個好兆頭。如果不是巴拉特和瑟斯克在國際太空站上動了好奇心,我們可能會等到太空人在前往火星途中、離地球幾百萬英哩時失明,才知道視神經損害問題對人類探索太空的嚴重損害。

「我們真的不知道長期結果會是什麼,因為你改變的是腦部和視神經,是至關緊要的解剖結構。」麥克說。「從機械結構上來說我們不知道有什麼正在發生,而且你真的沒辦法找到你先前並沒在找的東西。所以有沒有可能出現長期視覺改變,或者腦部白質退化,或者認知問題?我們不知道,因為我們沒觀察過。」

「可能有很多東西明明在你眼前卻都錯過了。5 年前,還沒有人知道太空旅行後會有這個症狀,現在這是我們的最大危機之一。我們會知道,就只是因為我們累積了飛行經驗,然後有把工具送上船,才察覺了這個症狀。誰知道還有什麼沒被找出來?」

當恆星以超新星狀態爆炸,便會以接近光的速度把物質向宇宙發射。這些星系宇宙射線(galactic cosmic rays,GCRs)的一小部分放射物中,包括了恆星內部深處形成的較重元素「HZE 粒子」(HZE particle),主要是碳、氧、矽和鐵。一個鐵原子核─也就是一個剝除了電子的鐵原子─是一個超電離劑(superionizer),帶著26 正電荷,能在行經原子時搶走它的電子,破壞活體細胞和其他物質的分子結構。在這種速度下,這種重離子和其他物質相撞時也會帶來異常的物理衝擊。人們曾測量出HZE 粒子(就一個原子核)攜帶了等同於大聯盟快速球的能量。

這些HZE 粒子是讓人不敢離開地球的宇宙怪獸。大氣層能保護我們,是因為其成分等同我們頭頂有10 公尺深的水擋著,足以吸收這種粒子的衝擊力。要擋住這種重粒子所需的物質量,取決於純物理──沒有其他捷徑。氫的效能最好,這就是為什麼水如此有效,也是聚乙烯(polyethylene,C2H4)塑膠有用的理由,因為這物質中每一個碳原子就會搭上兩個氫原子。但對任何可預見的太空載具來說,這些物質的需要量都不實際。兩公尺的水就足夠擋住一半的宇宙放射線。而一立方公尺的水就有一公噸重。

在早些日子裡,太陽放射線比較容易對太空人造成危險,因為這比上述的粒子要多太多。1972 年8 月,當阿波羅16 號返回地球,而阿波羅17 號準備要出發時,一股強大的太陽閃焰帶著強度致命的質子風暴擊中月球。如果當時太空人在月球表面,他們可能會接收到致死劑量。但如果在繞行月球的指揮艙裡,他們就應該能在風暴後倖存,一部分是被太空艙的鋁製壁板保護,讓他們僅僅接收可能導致非致命放射疾病的劑量,而出現嘔吐、疲倦以及紅血球數量下降,但不會死亡(不過他們日後罹癌的風險可能會提高)。

NASA 從1972 年的太陽風暴中僥倖脫險,也展現了解決問題的方法。太陽的放射能有一部分可以預測,也比較容易避開或擋住。NASA 新的「獵戶座」座艙就設計有暫時抵擋太陽風暴的庇護處,太空人可以和補給品、備用裝備、飲水、食物一起躲在這個能擋住放射線來襲的場所。國際太空站以塑膠防護並繞行地球磁場內,太陽放出的低質量粒子大部分都能靠這磁場偏離方向。鄰近太空站的地球也會把該方向的放射線阻擋下來。


書籍相關資料


 書名:地球之後:我們把地球破壞殆盡後,
    讓另一個星球為此付出代價?

 作者:查爾斯‧渥佛斯, 亞曼達‧R‧亨德里克斯

 譯者:唐澄暐

 出版社:光現出版

 出版日期:2017年06月07日