[科普中國]-空間輻射生物學(xué)

特點(diǎn)

空間輻射是在空間飛行中導(dǎo)致生物體損傷的主要因素之一。根據(jù)輻射來源不同，可把空間輻射分為三部分，銀河宇宙射線、太陽粒子事件和地磁場(chǎng)俘獲帶輻射。其中銀河宇宙射線由來自太陽系的粒子組成，其中98%是質(zhì)子及更重的粒子，只有2%是電子和正電子；太陽粒子事件發(fā)射大量的帶電粒子如質(zhì)子、氦核及更重的粒子，這些粒子的能量范圍一般在10～200 MeV；俘獲帶主要由質(zhì)子和電子組成，也包括少量的其他粒子，如氦，碳和氧；人們一般把比氦粒子更重的粒子稱為高能重粒子，這三類輻射中，銀河宇宙射線中的高能重粒子所占的比例最大。與其他粒子和射線相比，高能重粒子具有更高的傳能線密度(Linear Energy Transfer，LET)，其相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)(Relative Biological Effects，RBE)要遠(yuǎn)大于其他的粒子和射線。因此，高能重粒子是空間環(huán)境產(chǎn)生誘變效應(yīng)的最主要因素，能夠造成基因組水平的不可恢復(fù)性損傷。

對(duì)空間飛行搭載的生物體而言，接受空間輻射的影響與如下三個(gè)因素有關(guān)：一是飛行高度。當(dāng)飛行高度增加時(shí)，地球磁場(chǎng)強(qiáng)度下降，對(duì)輻射的屏蔽作用減弱，同時(shí)，飛行器穿過俘獲帶的頻率增加，所受輻射強(qiáng)度增加。二是太陽黑子活動(dòng)周期。在高峰年和低峰年之問太陽粒子事件輻射強(qiáng)度差別顯著。三是受試生物體對(duì)輻射的敏感性不同也會(huì)造成對(duì)空間輻射產(chǎn)生不同的反應(yīng)。對(duì)同一種受試生物在同一時(shí)間進(jìn)行的空間飛行實(shí)驗(yàn)中，其所受空間輻射的影響主要與飛行軌道的高度有關(guān)。

根據(jù)不同的飛行參數(shù)，其所接受的俘獲帶輻射劑量約為20 mSv/m。需要特別指出的是在南大西洋異常區(qū)(South Atlantic Anomaly)，內(nèi)部質(zhì)子輻射帶的邊緣可以下降到約400 km的高度，飛行器在該區(qū)域所接受的輻射可占地軌道輻射總劑量的90%。飛行器內(nèi)部的輻射劑量除與飛行軌道參數(shù)有關(guān)外，還與屏蔽材料的屏蔽能力及產(chǎn)生次級(jí)輻射的能力有關(guān)。

深空飛行的軌道遠(yuǎn)離地球磁場(chǎng)的保護(hù)及俘獲帶輻射的作用，因而認(rèn)為與銀河宇宙射線和太陽粒子事件有關(guān)。其他行星表面的輻射與這些行星的自身磁場(chǎng)和大氣狀況相關(guān)。例如，月球所接受的輻射條件與地球類似，但其缺乏磁場(chǎng)，粒子或射線到達(dá)其表面引起二次輻射形成電離帶，產(chǎn)生輻射屏蔽作用；火星同樣缺乏磁場(chǎng)的保護(hù)，低能量粒子直接被大氣阻擋；木星強(qiáng)大的磁場(chǎng)俘獲電子，產(chǎn)生類似地球的俘獲帶。屏蔽材料為4 g/cm2的飛行器穿越木星俘獲帶時(shí)，監(jiān)測(cè)到每天3 mSv的艙內(nèi)輻射劑量。2

防護(hù)電離輻射生物學(xué)效應(yīng)防護(hù)空間電離輻射可對(duì)生物體帶來嚴(yán)重危害，為此，需要針對(duì)空間輻射對(duì)生物體的危害進(jìn)行防護(hù)。對(duì)于空間站的航天員來說．由于需要在空間站長期駐留．會(huì)受到太陽宇宙射線、GCR、地球輻射帶等的高能帶電粒子帶來的輻射損傷。此外，對(duì)未來的深窄載人航天飛行而言，由于缺乏地球磁場(chǎng)的保護(hù)作用．且受輻射時(shí)間較長．輻射危害的可能性加大．必須解決輻射防護(hù)問題。

空間電離輻射生物學(xué)效應(yīng)防護(hù)通?？梢圆捎靡韵聨追N措施。

(1)物理屏蔽防護(hù)

針對(duì)空間電離輻射生物學(xué)效應(yīng)的物理屏蔽防護(hù)可以分為主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽。主動(dòng)屏蔽防護(hù)是用強(qiáng)磁場(chǎng)使帶電粒子偏離弋行器．主動(dòng)屏蔽目前的缺點(diǎn)是可靠性差。被動(dòng)屏蔽主要是利用一定質(zhì)量厚度的物質(zhì)減弱或阻止一定能量的粒子輻射的質(zhì)量屏蔽防護(hù)措施．利用飛行器、登月艙、居住艙或航天服的結(jié)構(gòu)材料或其他防輻射材料對(duì)高能輻射粒子進(jìn)行屏蔽。被動(dòng)屏蔽的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡單、可靠性高和造價(jià)低廉．缺點(diǎn)是會(huì)使飛行器等顯得笨重。

通過增加飛行器艙體厚度的被動(dòng)防護(hù)方法將會(huì)增加飛行器的質(zhì)量，這將對(duì)運(yùn)載器帶來極大的挑戰(zhàn)。因此，可以通過建立容積較小的應(yīng)急屏蔽室．利用飛行器艙內(nèi)各種儀器設(shè)備、燃料、食物等物質(zhì)進(jìn)行科學(xué)布局，使各個(gè)方向上有大體均勻的質(zhì)量屏蔽厚度．對(duì)航天員的若干重要器官進(jìn)行局部防護(hù)等來實(shí)現(xiàn)塒空間生物的更好防護(hù)。

(2)輻射風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警

對(duì)輻射風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警是實(shí)現(xiàn)空間輻射生物學(xué)效應(yīng)的一種重要方法。呵以通過建立空間輻射風(fēng)險(xiǎn)性分析與預(yù)警模型和空間輻射劑量監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)。其空間輻射劑量監(jiān)測(cè)包通過增加飛行器艙體厚度的被動(dòng)防護(hù)方法將會(huì)增加飛行器的質(zhì)量，這將對(duì)運(yùn)載器帶來極大的挑戰(zhàn)。因此，可以通過建立容積較小的應(yīng)急屏蔽室．利用飛行器艙內(nèi)各種儀器設(shè)備、燃料、食物等物質(zhì)進(jìn)行科學(xué)布局，使各個(gè)方向上有大體均勻的質(zhì)量屏蔽厚度．對(duì)航天員的若干重要器官進(jìn)行局部防護(hù)等來實(shí)現(xiàn)塒空間生物的更好防護(hù)。

(3)輻射防護(hù)藥物

采用航天輻射防護(hù)藥物進(jìn)行防護(hù)是航天員輻射防護(hù)的重要部分．研制高效低副作用的航天抗輻射藥物也是載人航天防護(hù)的重要方向。

輻射防護(hù)藥物可以分為抗輻射藥物和生物防護(hù)藥物兩類?？馆椛渌幠芙档洼椛湮：?，但存在一定的毒副作用，且只有在大劑量輻射后才能發(fā)揮最大效果．如氨硫基類化合物、色氨類化合物等；生物防護(hù)藥物則是通過增強(qiáng)機(jī)體對(duì)外界不良因素的抵抗力．從而達(dá)到減輕輻射損傷的目的，優(yōu)點(diǎn)是無毒副作用，如維生素類藥物和人參等中成藥物。

此外，研究也發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)植物種子涂覆一層抗輻射材料，也可避免輻射對(duì)植物種子的輻射損傷，這可以用來研究非輻射效應(yīng)對(duì)空問誘變育種的效應(yīng)和機(jī)理。

目前，輻射防護(hù)藥物尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足航天員的需要．因此．需要加強(qiáng)針對(duì)質(zhì)子、重離子、X射線和Y射線等輻射粒子具有良好防護(hù)效果、較低毒副作用的輻射防護(hù)藥物的研究。

(4)航天員的選拔

由于不同的生物個(gè)體對(duì)相同的輻射環(huán)境及劑量有著不同的敏感度，因此，可以從遺傳學(xué)和基因工程角度人手．研究耐受空間輻射、不易產(chǎn)生輻射生物學(xué)效應(yīng)或輻射敏感性較低的篩選方法，作為航天員選拔的參考。3

非電離輻射生物學(xué)效應(yīng)防護(hù)非電離輻射的危害程度與其強(qiáng)度和作用時(shí)間有關(guān)，人體接受的輻射劑量愈大．發(fā)病率越高．輻射損傷程度越嚴(yán)重。在航天活動(dòng)中．非電離輻射劑量相對(duì)較?。子诜雷o(hù)。對(duì)其的防護(hù)一般包括制定安全容許標(biāo)準(zhǔn)和采取防護(hù)方法使受照射量低于安全容許標(biāo)準(zhǔn)。

(1)制定非電離輻射安全容許標(biāo)準(zhǔn)

制定紫外線輻射暴露容許標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)考慮到眼睛和皮膚的急性損傷與長期損傷兩方面的危險(xiǎn)。標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)防止急性效應(yīng)發(fā)生，并降低產(chǎn)生遠(yuǎn)期效應(yīng)的危險(xiǎn)。紫外輻射產(chǎn)牛損傷的閾劑量與波長有很大的關(guān)系。對(duì)微波與短波等射頻輻射暴露容許標(biāo)準(zhǔn)的制定則需要考慮其致熱效應(yīng)與非致熱效應(yīng)。

(2)紫外線輻射防護(hù)

紫外光貫穿能力很弱，而且許多可見光透明的材料．對(duì)紅外線和紫外線都有強(qiáng)烈的吸收作用，如普通玻璃可以完全吸收紫外線和波長在2 000 nm以上的紅外線，閃此采用2 mm厚的普通玻璃即可屏蔽。當(dāng)航天員出艙活動(dòng)時(shí)，可以利用航天服或頭盜防護(hù)罩光學(xué)窗口鍍制濾光片實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外線的反射。

(3)射頻輻射防護(hù)

射頻輻射防護(hù)可以從以下3個(gè)方面開展：一是盡量減少輻射體的泄漏并防止直接輻射航天員，航天員出艙活動(dòng)時(shí)，應(yīng)避免天線直接射向航天員，保持一定距離或者加強(qiáng)屏蔽設(shè)施；二是可采用防護(hù)服、防護(hù)眼鏡或防護(hù)罩對(duì)航天員或生物體進(jìn)行防護(hù)；三是加強(qiáng)對(duì)航天員加強(qiáng)健康檢測(cè)，包括血象、眼科、心血管系統(tǒng)和腦電圖等。3

未來發(fā)展空間輻射環(huán)境對(duì)生物的輻射效應(yīng)以及空間輻射與微重力等環(huán)境對(duì)生物的協(xié)同作用將對(duì)生物的性能帶來較大的影響。一方面，人們可以利用空間獨(dú)特的環(huán)境資源開展空間育種和生物改性，利用其有利的方面為人類謀福利；另一方面，對(duì)航天員等空間生物在軌期間，也要對(duì)空間輻射對(duì)生物的不利因素進(jìn)行有效防護(hù)。為此，需要從以下幾個(gè)角度開展工作。

一是加強(qiáng)空間輻射環(huán)境及其與其他環(huán)境因素協(xié)同效應(yīng)對(duì)牛物的作用機(jī)理研究，為空間育種、微生物改性及空間生物防護(hù)提供理論支持；

二是加強(qiáng)空間輻射生物學(xué)效應(yīng)的地面模擬方法研究，對(duì)空間輻射及其與其他空間環(huán)境因素對(duì)生物的地面模擬等效性進(jìn)行探討；

三是加強(qiáng)空間輻射生物飛行試驗(yàn)技術(shù)研究，開發(fā)空問輻射牛物飛行試驗(yàn)裝置；

四是針對(duì)空間輻射開展空間生物，尤其是航天員的輻射防護(hù)技術(shù)與防護(hù)方法研究．為生物的在軌安全提供防護(hù)手段和防護(hù)方法。3