本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
人类太空探索的概念最近在公众意识中有所复苏。私营的SpaceX和维珍银河公司（及其古怪的领军人物）的成就和目标经常登上头版新闻，他们的目标最终包括前往并殖民遥远的行星。尽管有些人谴责这些雄心壮志是奢华的幻想，但有关地外探索新进展的新闻经常在数字媒体上疯传，反映了公众对该主题的真正兴趣。
尽管我们在技术上比50年前更接近实现长距离太空旅行，但仍然存在重大的工程、 финансовый 和后勤障碍。未来探险或殖民任务参与者的健康和福祉涵盖了上述所有方面。面对可以说人类将要冒险进入的最不利和不可预测的条件，未来探险家和殖民者的医疗需求必须得到充分满足。
此外，人类参与者还将充当外星环境暴露的受试者，持续时间将超过以往的记录。地外环境使人体生理学受到一系列物理力的影响，包括微重力、极端温度、电离层等离子体和银河辐射。每一种都会对个体身体系统的生理学造成独特的改变。不仅必须确定单个力对孤立身体系统的生物效应，还应开发模型来预测多个地外力同时多器官暴露产生的全身效应。
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微重力产生的效应例证了一个单一的（尽管是重大的）环境变化可能对人体生理学产生深远的多系统性后果的潜力。在地球上，重力将体液拉向下肢。在太空中，失重导致体液均匀地重新分布在全身。心脏接收到返回的体液量增加，并通过增加搏出量来补偿。在地球条件下，搏出量的增加通常伴随着心率的增加，以提高总心输出量。在太空中，上半身血管系统的扩张会诱发颈动脉压力感受器反射，实际上，这会通过副交感神经作用导致心率降低。
尽管总体液量没有改变，但大中央血管的扩张会产生另一个矛盾的变化：抑制所谓的肾素-血管紧张素-醛固酮轴，导致净盐和水的排泄，并由于血液浓缩而增加血细胞比容。长期暴露于这些条件下会导致慢性心率下降，并且还观察到心肌重塑。返回地球（及其引力场）后，这种长期的心脏功能减退可能会导致严重的直立性不耐受，需要一段重要的重新调整期。科幻小说中常见的宇航员在宇宙飞船上跑步机的场景是有事实根据的；抵消上述心脏变化的对策包括定期进行高强度心血管运动。
人类骨骼及其支撑肌肉系统是在背景重力持续存在的情况下进化而来的。在太空中，引力的刺激缺失会导致支撑骨骼和肌肉萎缩。因此，承重骨骼会发生明显的脱矿质，这可以通过体废物中排出的磷酸盐和钙水平升高以及其他骨吸收增加的指标来检测到。长期暴露（例如拟议的往返火星2.5年）可能会诱发类似骨质疏松症的状况，并且参与者可能面临即使是轻微创伤也可能导致骨折的风险。封闭的宇宙飞船内二氧化碳水平升高和缺乏自然阳光（和维生素D）可能会加剧脱矿质过程。与骨骼脱矿质相结合，围绕和支撑姿势骨骼的慢肌纤维（1型）肌肉也开始在失重状态下萎缩。
微重力引起的骨骼和肌肉萎缩如何协同作用产生病理学的一个例子是，宇航员在太空飞行后腰椎和颈椎间盘突出症的发生率增加。同样，定期的剧烈运动，如跑步或抗阻训练，可能有助于抵消这些退行性变化。
辐射暴露是任务规划者关心的另一个问题。未来的探险家可能会受到来自银河宇宙射线和太阳粒子事件的高水平辐射。这些与地球上的辐射源不同，因为它们是高能粒子而不是电磁波，例如X射线。高能粒子被认为具有很强的破坏生物组织的能力，它们会产生自由基，自由基会氧化性损伤细胞核内的脱氧核糖核酸（DNA），以及其他影响。
DNA损伤的积累可能导致细胞死亡（程序性或非程序性）或导致负责调节细胞生命周期的基因突变，即导致癌症。癌症风险是所有长期旅行参与者的重大担忧。除了癌症风险外，太空辐射还被认为会诱发其他全身性病变，例如小口径血管损伤、诱发类似于阿尔茨海默病的神经退行性过程和过早衰老。充分屏蔽宇宙飞船和宇航服可能有助于消除这些不利的辐射影响。
在太空中，中枢神经系统的变化是由于暴露于多种物理力造成的。在地球上，颅内压（ICP）受到脑血管的严格调节。体液向头部的转移会导致ICP升高。可能加剧动脉血容量增加的是头部引流的大血管（如颈静脉）的充血。在地球上和直立时，来自心脏上方结构的自发静脉回流是由于重力造成的。在太空中，由于缺乏重力，会导致大口径静脉的充血。
这种效应被认为会导致颅内压升高和面部肿胀，被称为“太空阻塞综合征”。进一步加剧这些体液物理转移的是封闭宇宙飞船内二氧化碳水平升高，这是乘员代谢产生的废物。已知二氧化碳的增加会导致颅内血管扩张。因此，乘员头痛的发生率与舱室二氧化碳水平成正比。如果宇航员因事故（例如，在太空行走或撞击期间）遭受头部外伤，则尚不清楚在已经升高的ICP背景下发生的外伤是否比在地球上发生的相同程度的头部外伤更严重。
人体前庭系统是颅骨内一系列充满液体的管道，负责平衡感和方向感。当头部加速发生时，前庭管内的液体移动其底部的微小毛发，诱发感觉信号传递到大脑。这些前庭信号与视觉输入相结合，以实现身体定向，从而实现平衡和手眼协调。在太空中，体液转移会显着扰乱前庭生理学，产生“太空运动病”现象。太空运动病会导致定向障碍、恶心和呕吐，并且可能严重到使乘员丧失工作能力。它还可能改变手眼协调能力，导致执行可能对任务成功至关重要的精细运动任务的能力下降。经过几个小时到几天后，大多数人会适应新的物理环境；然而，在严重的情况下，不会发生适应，可能需要传统止吐药等药物。
在太空中也观察到微生物毒力增加。研究的物种包括细菌沙门氏菌和假单胞菌以及真菌念珠菌属，所有这些都是地球上常见的感染源。在近地轨道进行的实验表明，细菌产生允许其增强生长和侵袭能力的因子的能力增强。使用大肠杆菌（另一种常见的陆地病原体）进行的太空飞行实验表明，生物体大小缩小，细胞膜增厚，并且增强了成簇生长的趋势，所有这些都增强了其抵抗抗生素作用的能力。
当细菌致病性增强与宿主免疫系统减弱、近距离同居和太空飞行期间看到的应激反应增加相结合时，相对于地球，乘员感染的风险可能很大。因此，可能需要更大剂量的标准抗生素来对抗感染。尽管在理论上增加剂量很简单，但在体液转移的情况下，药物药效学特性可能会发生显着改变。例如，许多药物副产物通过尿液由肾脏排出。肾脏滤过率可能会因体液转移到上半身血管系统中而改变，这意味着药物代谢物不能足够快地排出，可能导致毒素在血液中积聚。
尽管人类自1960年代初期以来就进入了太空，但据报道，太空飞行期间出现的病理学极少。因此，应急计划主要基于推测性情景。病理学可能包括创伤或内在疾病，两者都强加于改变的生理学之上。鉴于太空中的免疫失调、类固醇应激激素增加、微生物毒力增强和药物药效学改变，病理学的治愈也可能受到损害。
考虑到未来的太空参与者可能会进行太空行走或行星探索，创伤尤其令人担忧。即使在重力减小的环境中，物体仍然保持其质量，并且可能产生严重的加速度型损伤。可以通过适当的宇航服和头盔设计来最大限度地降低创伤风险。由于骨骼脱矿质，相对较小的力也可能导致不成比例的严重骨折，从而可能危及任务的成功。另一个特别令人担忧的问题是阑尾炎，这是一种常见病。至少有两例报告称俄罗斯宇航员出现疑似阑尾炎，但进一步（据推测是代价高昂的）调查后，两者都不是。
由于真正的阑尾炎是一种医疗紧急情况，需要立即手术，因此误诊是非常不可取的，并且可能会突然结束任务。鉴于这种风险，有人建议未来的乘员在太空飞行前进行预防性阑尾切除术，类似于对前往南极洲长期任务参与者的要求，南极洲是另一个无法轻易获得现代医疗保健设施的偏远地区。
为了解决太空中可能出现的医疗问题，规划者不仅必须解决与病理学机制、表现和严重程度有关的不确定性，还必须解决宇宙飞船上可用的诊断和治疗能力的极端限制。如前所述，所有身体系统都可能受到地外环境的影响，并且病理学可能同时涉及单个或多个系统。在地球上，存在某些协议，例如高级创伤和生命支持，用于治疗创伤——旨在为危重患者提供通用的治疗方法，并快速诊断可能危及生命的生理失代偿。任务参与者，无论是医生还是非医生，都应接受这些原则的充分培训，并进行必要的修改和应急预案，以应对太空中产生的生理变化。
在严重受损的情况下，例如需要辅助呼吸的情况，面部肿胀可能会使插管过程复杂化。在严重低血压的情况下，尚不清楚输注大量液体（如生理盐水）将如何影响已经存在生理和病理失代偿的人。此外，救生设备和药物的供应，例如输液可能受到限制。解决此问题的一种提议方法是允许船上自给自足——例如，一种可以将饮用水供应转化为适合静脉输液的液体的设备。
同样，船上可以配备三维（3D）打印机，能够快速制造设备，例如手术刀、绷带、石膏，甚至用于按需使用的药品。因此，一台3D打印机可以通过按需制造而不是携带占用空间但数量有限的医疗设备来节省关键空间。
在简单的止血带不适用的内出血情况下，可能需要更彻底的手术。相对于地球，太空手术可能风险更大。例如，肠道基本上是自由漂浮在腹部内的，仅通过肠系膜连接到后腹壁。因此，由于微重力，肠道可能会自由地从腹部切口中漂浮出来，造成污染或损伤的风险。在太空出血的情况下，血液不会像在地球上那样聚集或汇集，而是在表面形成圆顶或微小液滴。
如果这些圆顶被器械破坏，血液可能会从表面漂浮起来，可能造成生物危害。由于手术是一项精细运动任务，因此前庭功能紊乱（如前所述）可能会使执行即使是简单的手术任务也变得极其困难和耗时。包含手术机器人可能解决船上的手术需求。手术机器人在某些外科亚专科中已得到广泛应用，尤其是在泌尿外科中。它们利用臂状驱动器，与人手相比，这些驱动器实际上具有更大的运动范围并且不易疲劳。通常，它们位于距患者不远的地方，操作外科医生使用“类似视频游戏”的控制器实时控制它们。外科医生和机器人之间的距离可能会扩大，并且已经进行了水下甚至跨大西洋的机器人手术。尽管这将有效地允许地球上的外科医生在太空中进行手术，但随着外科医生和机器人之间距离的增加，无线电信号在操作员和机器人之间传输所需的时间也会增加。
例如，火星距离地球数百万英里。无线电信号从地球到火星需要20多分钟的时间。显然，如果患者病情危重或正在积极出血，这种时间延迟会使该技术不切实际。就目前而言，似乎经过医学培训的船员是必不可少的人员。最近，首次在动物身上演示了完全自主的机器人手术。如果这项技术发展成为人类手术的可行解决方案，自主手术机器人可以解决需要船上外科医生的难题，并实现独立于地球的外科手术解决方案。
地外环境使人类受到许多不利的物理力的影响，每种力都可能在全身产生多种影响。文献中可用的证据主体主要涉及作用于单个系统（例如，心血管系统）的单个力（例如，微重力）。对全身的累积影响更难预测。例如，在考虑太空辐射的危险时，已经设计了继发于癌症的死亡风险预测模型。美国国家航空航天局将火星任务参与者的癌症死亡率总体累积风险定为低于10％；然而，其他人预测它高达50％。由于纳入建模太空辐射风险的变量数量庞大，计算可能会变得庞大且笨拙。
机器学习（ML）是人工智能的一个分支，已被提议用于解决这些问题。ML非常适合非常庞大、复杂的数据集，这些数据集对于人类来说，使用传统的统计方法很难甚至不可能解释。ML技术已经应用于大型医疗保健数据库，以描绘变量之间的新关系或用于临床预测。ML可能为连接太空飞行生理学和病理学研究的系统性分散的领域，并预测叠加的病理学如何影响已经改变的身体提供一种可行的方法。
显而易见的是，即使没有任何“病理学”，长期暴露于地外条件也会显着改变身体生理学。虽然我们可以根据我们现有的知识和太空中已知的身体变化来做出预测，但我们尚不清楚病理学可能如何在太空中发生或表现。如果要实现长距离太空旅行或殖民，规划者必须考虑这些问题。尽管对于普通人来说，“太空医学”或“太空手术”的概念可能显得深奥，但本文试图“揭开”基本概念的神秘面纱，并研究大多数具有基本科学知识的人应该理解的理论。