本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
人類太空探索的概念最近在公眾意識中有所復甦。私營的SpaceX和維珍銀河公司（及其古怪的領軍人物）的成就和目標經常登上頭版新聞，他們的目標最終包括前往並殖民遙遠的行星。儘管有些人譴責這些雄心壯志是奢華的幻想，但有關地外探索新進展的新聞經常在數字媒體上瘋傳，反映了公眾對該主題的真正興趣。
儘管我們在技術上比50年前更接近實現長距離太空旅行，但仍然存在重大的工程、 финансовый 和後勤障礙。未來探險或殖民任務參與者的健康和福祉涵蓋了上述所有方面。面對可以說人類將要冒險進入的最不利和不可預測的條件，未來探險家和殖民者的醫療需求必須得到充分滿足。
此外，人類參與者還將充當外星環境暴露的受試者，持續時間將超過以往的記錄。地外環境使人體生理學受到一系列物理力的影響，包括微重力、極端溫度、電離層等離子體和銀河輻射。每一種都會對個體身體系統的生理學造成獨特的改變。不僅必須確定單個力對孤立身體系統的生物效應，還應開發模型來預測多個地外力同時多器官暴露產生的全身效應。
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微重力產生的效應例證了一個單一的（儘管是重大的）環境變化可能對人體生理學產生深遠的多系統性後果的潛力。在地球上，重力將體液拉向下肢。在太空中，失重導致體液均勻地重新分佈在全身。心臟接收到返回的體液量增加，並透過增加搏出量來補償。在地球條件下，搏出量的增加通常伴隨著心率的增加，以提高總心輸出量。在太空中，上半身血管系統的擴張會誘發頸動脈壓力感受器反射，實際上，這會透過副交感神經作用導致心率降低。
儘管總體液量沒有改變，但大中央血管的擴張會產生另一個矛盾的變化：抑制所謂的腎素-血管緊張素-醛固酮軸，導致淨鹽和水的排洩，並由於血液濃縮而增加血細胞比容。長期暴露於這些條件下會導致慢性心率下降，並且還觀察到心肌重塑。返回地球（及其引力場）後，這種長期的心臟功能減退可能會導致嚴重的直立性不耐受，需要一段重要的重新調整期。科幻小說中常見的宇航員在宇宙飛船上跑步機的場景是有事實根據的；抵消上述心臟變化的對策包括定期進行高強度心血管運動。
人類骨骼及其支撐肌肉系統是在背景重力持續存在的情況下進化而來的。在太空中，引力的刺激缺失會導致支撐骨骼和肌肉萎縮。因此，承重骨骼會發生明顯的脫礦質，這可以透過體廢物中排出的磷酸鹽和鈣水平升高以及其他骨吸收增加的指標來檢測到。長期暴露（例如擬議的往返火星2.5年）可能會誘發類似骨質疏鬆症的狀況，並且參與者可能面臨即使是輕微創傷也可能導致骨折的風險。封閉的宇宙飛船內二氧化碳水平升高和缺乏自然陽光（和維生素D）可能會加劇脫礦質過程。與骨骼脫礦質相結合，圍繞和支撐姿勢骨骼的慢肌纖維（1型）肌肉也開始在失重狀態下萎縮。
微重力引起的骨骼和肌肉萎縮如何協同作用產生病理學的一個例子是，宇航員在太空飛行後腰椎和頸椎間盤突出症的發生率增加。同樣，定期的劇烈運動，如跑步或抗阻訓練，可能有助於抵消這些退行性變化。
輻射暴露是任務規劃者關心的另一個問題。未來的探險家可能會受到來自銀河宇宙射線和太陽粒子事件的高水平輻射。這些與地球上的輻射源不同，因為它們是高能粒子而不是電磁波，例如X射線。高能粒子被認為具有很強的破壞生物組織的能力，它們會產生自由基，自由基會氧化性損傷細胞核內的脫氧核糖核酸（DNA），以及其他影響。
DNA損傷的積累可能導致細胞死亡（程式性或非程式性）或導致負責調節細胞生命週期的基因突變，即導致癌症。癌症風險是所有長期旅行參與者的重大擔憂。除了癌症風險外，太空輻射還被認為會誘發其他全身性病變，例如小口徑血管損傷、誘發類似於阿爾茨海默病的神經退行性過程和過早衰老。充分遮蔽宇宙飛船和宇航服可能有助於消除這些不利的輻射影響。
在太空中，中樞神經系統的變化是由於暴露於多種物理力造成的。在地球上，顱內壓（ICP）受到腦血管的嚴格調節。體液向頭部的轉移會導致ICP升高。可能加劇動脈血容量增加的是頭部引流的大血管（如頸靜脈）的充血。在地球上和直立時，來自心臟上方結構的自發靜脈迴流是由於重力造成的。在太空中，由於缺乏重力，會導致大口徑靜脈的充血。
這種效應被認為會導致顱內壓升高和麵部腫脹，被稱為“太空阻塞綜合徵”。進一步加劇這些體液物理轉移的是封閉宇宙飛船內二氧化碳水平升高，這是乘員代謝產生的廢物。已知二氧化碳的增加會導致顱內血管擴張。因此，乘員頭痛的發生率與艙室二氧化碳水平成正比。如果宇航員因事故（例如，在太空行走或撞擊期間）遭受頭部外傷，則尚不清楚在已經升高的ICP背景下發生的外傷是否比在地球上發生的相同程度的頭部外傷更嚴重。
人體前庭系統是顱骨內一系列充滿液體的管道，負責平衡感和方向感。當頭部加速發生時，前庭管內的液體移動其底部的微小毛髮，誘發感覺訊號傳遞到大腦。這些前庭訊號與視覺輸入相結合，以實現身體定向，從而實現平衡和手眼協調。在太空中，體液轉移會顯著擾亂前庭生理學，產生“太空運動病”現象。太空運動病會導致定向障礙、噁心和嘔吐，並且可能嚴重到使乘員喪失工作能力。它還可能改變手眼協調能力，導致執行可能對任務成功至關重要的精細運動任務的能力下降。經過幾個小時到幾天後，大多數人會適應新的物理環境；然而，在嚴重的情況下，不會發生適應，可能需要傳統止吐藥等藥物。
在太空中也觀察到微生物毒力增加。研究的物種包括細菌沙門氏菌和假單胞菌以及真菌念珠菌屬，所有這些都是地球上常見的感染源。在近地軌道進行的實驗表明，細菌產生允許其增強生長和侵襲能力的因子的能力增強。使用大腸桿菌（另一種常見的陸地病原體）進行的太空飛行實驗表明，生物體大小縮小，細胞膜增厚，並且增強了成簇生長的趨勢，所有這些都增強了其抵抗抗生素作用的能力。
當細菌致病性增強與宿主免疫系統減弱、近距離同居和太空飛行期間看到的應激反應增加相結合時，相對於地球，乘員感染的風險可能很大。因此，可能需要更大劑量的標準抗生素來對抗感染。儘管在理論上增加劑量很簡單，但在體液轉移的情況下，藥物藥效學特性可能會發生顯著改變。例如，許多藥物副產物透過尿液由腎臟排出。腎臟濾過率可能會因體液轉移到上半身血管系統中而改變，這意味著藥物代謝物不能足夠快地排出，可能導致毒素在血液中積聚。
儘管人類自1960年代初期以來就進入了太空，但據報道，太空飛行期間出現的病理學極少。因此，應急計劃主要基於推測性情景。病理學可能包括創傷或內在疾病，兩者都強加於改變的生理學之上。鑑於太空中的免疫失調、類固醇應激激素增加、微生物毒力增強和藥物藥效學改變，病理學的治癒也可能受到損害。
考慮到未來的太空參與者可能會進行太空行走或行星探索，創傷尤其令人擔憂。即使在重力減小的環境中，物體仍然保持其質量，並且可能產生嚴重的加速度型損傷。可以透過適當的宇航服和頭盔設計來最大限度地降低創傷風險。由於骨骼脫礦質，相對較小的力也可能導致不成比例的嚴重骨折，從而可能危及任務的成功。另一個特別令人擔憂的問題是闌尾炎，這是一種常見病。至少有兩例報告稱俄羅斯宇航員出現疑似闌尾炎，但進一步（據推測是代價高昂的）調查後，兩者都不是。
由於真正的闌尾炎是一種醫療緊急情況，需要立即手術，因此誤診是非常不可取的，並且可能會突然結束任務。鑑於這種風險，有人建議未來的乘員在太空飛行前進行預防性闌尾切除術，類似於對前往南極洲長期任務參與者的要求，南極洲是另一個無法輕易獲得現代醫療保健設施的偏遠地區。
為了解決太空中可能出現的醫療問題，規劃者不僅必須解決與病理學機制、表現和嚴重程度有關的不確定性，還必須解決宇宙飛船上可用的診斷和治療能力的極端限制。如前所述，所有身體系統都可能受到地外環境的影響，並且病理學可能同時涉及單個或多個系統。在地球上，存在某些協議，例如高階創傷和生命支援，用於治療創傷——旨在為危重患者提供通用的治療方法，並快速診斷可能危及生命的生理失代償。任務參與者，無論是醫生還是非醫生，都應接受這些原則的充分培訓，並進行必要的修改和應急預案，以應對太空中產生的生理變化。
在嚴重受損的情況下，例如需要輔助呼吸的情況，面部腫脹可能會使插管過程複雜化。在嚴重低血壓的情況下，尚不清楚輸注大量液體（如生理鹽水）將如何影響已經存在生理和病理失代償的人。此外，救生裝置和藥物的供應，例如輸液可能受到限制。解決此問題的一種提議方法是允許船上自給自足——例如，一種可以將飲用水供應轉化為適合靜脈輸液的液體的裝置。
同樣，船上可以配備三維（3D）印表機，能夠快速製造裝置，例如手術刀、繃帶、石膏，甚至用於按需使用的藥品。因此，一臺3D印表機可以透過按需製造而不是攜帶佔用空間但數量有限的醫療裝置來節省關鍵空間。
在簡單的止血帶不適用的內出血情況下，可能需要更徹底的手術。相對於地球，太空手術可能風險更大。例如，腸道基本上是自由漂浮在腹部內的，僅透過腸繫膜連線到後腹壁。因此，由於微重力，腸道可能會自由地從腹部切口中漂浮出來，造成汙染或損傷的風險。在太空出血的情況下，血液不會像在地球上那樣聚集或彙集，而是在表面形成圓頂或微小液滴。
如果這些圓頂被器械破壞，血液可能會從表面漂浮起來，可能造成生物危害。由於手術是一項精細運動任務，因此前庭功能紊亂（如前所述）可能會使執行即使是簡單的手術任務也變得極其困難和耗時。包含手術機器人可能解決船上的手術需求。手術機器人在某些外科亞專科中已得到廣泛應用，尤其是在泌尿外科中。它們利用臂狀驅動器，與人手相比，這些驅動器實際上具有更大的運動範圍並且不易疲勞。通常，它們位於距患者不遠的地方，操作外科醫生使用“類似影片遊戲”的控制器即時控制它們。外科醫生和機器人之間的距離可能會擴大，並且已經進行了水下甚至跨大西洋的機器人手術。儘管這將有效地允許地球上的外科醫生在太空中進行手術，但隨著外科醫生和機器人之間距離的增加，無線電訊號在操作員和機器人之間傳輸所需的時間也會增加。
例如，火星距離地球數百萬英里。無線電訊號從地球到火星需要20多分鐘的時間。顯然，如果患者病情危重或正在積極出血，這種時間延遲會使該技術不切實際。就目前而言，似乎經過醫學培訓的船員是必不可少的人員。最近，首次在動物身上演示了完全自主的機器人手術。如果這項技術發展成為人類手術的可行解決方案，自主手術機器人可以解決需要船上外科醫生的難題，並實現獨立於地球的外科手術解決方案。
地外環境使人類受到許多不利的物理力的影響，每種力都可能在全身產生多種影響。文獻中可用的證據主體主要涉及作用於單個系統（例如，心血管系統）的單個力（例如，微重力）。對全身的累積影響更難預測。例如，在考慮太空輻射的危險時，已經設計了繼發於癌症的死亡風險預測模型。美國國家航空航天局將火星任務參與者的癌症死亡率總體累積風險定為低於10％；然而，其他人預測它高達50％。由於納入建模太空輻射風險的變數數量龐大，計算可能會變得龐大且笨拙。
機器學習（ML）是人工智慧的一個分支，已被提議用於解決這些問題。ML非常適合非常龐大、複雜的資料集，這些資料集對於人類來說，使用傳統的統計方法很難甚至不可能解釋。ML技術已經應用於大型醫療保健資料庫，以描繪變數之間的新關係或用於臨床預測。ML可能為連線太空飛行生理學和病理學研究的系統性分散的領域，並預測疊加的病理學如何影響已經改變的身體提供一種可行的方法。
顯而易見的是，即使沒有任何“病理學”，長期暴露於地外條件也會顯著改變身體生理學。雖然我們可以根據我們現有的知識和太空中已知的身體變化來做出預測，但我們尚不清楚病理學可能如何在太空中發生或表現。如果要實現長距離太空旅行或殖民，規劃者必須考慮這些問題。儘管對於普通人來說，“太空醫學”或“太空手術”的概念可能顯得深奧，但本文試圖“揭開”基本概念的神秘面紗，並研究大多數具有基本科學知識的人應該理解的理論。