航空航天生理学及其发展简史

绪论一、航空航天生理学及其发展简史航空航天生理学(aerospacephysiology)主要研究航空航天特殊环境因素对人体影响的规律及其机制，并探讨防止其危害或不利影响的防护或对抗措施。它既是航空航天医学的一个重要组成部分，又是生理科学的一个分支。本门学科对保障飞行安全(flyingsafety)，维护机组人员和乘客的健康与舒适，以及提高飞行劳动效率均有重要意义。航空航天生理学及医学的发展应溯源于19世纪的高空生理研究。第一次载人热气球升空试验成功于1783年。从此，人类的活动范围扩展到陆地与水域之外的第三环境。法国生理学家PaulBert(1833—1886)于19世纪最先利用低压舱进行高空生理研究，并于1878年发表了《大气压力》一书。虽然第一架由人操纵作动力飞行的飞机成功于1903年，但航空医学却诞生于第一次世界大战及其随后的期间。一次大战期间，飞机被用于军事行动，一些交战国相继认识到医学对飞行工作的特殊重要性，先后成立了专门的卫生机构，设置航空军医，制定军事飞行人员体格标准，开展了最早的飞行卫生保障工作，并对缺氧、供氧、寒冷、飞行服装、营养、飞行眼镜以及视功能、前庭功能等进行了初步研究工作。当时很重视缺氧耐力检查和飞行人员耐受情况的分级，进一步推动了高空生理研究工作。自20世纪30年代到二次世界大战结束，航空医学进入成长时期。二次大战期间，主要交战国均注意大力组织航空生理与航空医学研究工作，并取得一系列重大进展。这些工作的意义是深远的：1在应用方面，提出了重要的防护原理或概念，导致诸如密封增压座舱，以及常规与应急加压供氧、抗荷、弹射救生等航空防护救生装备的问世，其对航空事业发展的意义，已无须赘述；2在理论方面，不仅阐明了航空生理学的许多基本问题，也带动了循环、呼吸、温度生理等的基础研究；3在方法学方面，航空生理研究所发展起来的大型模拟设备(如低压舱、人体离心机)和监测技术(如血氧测定、气体组分测定)对后来发展无创和动态生理功能监测均有推动和借鉴作用；4推动了应用生理学的发展。二次大战后的几十年，航空医学进入全面发展的时期。由于航空事业的长足进展和航天事业的兴起，航空生理学的研究范围、规模和成就均是前三个时期所难以比拟的。一方面，航空生理学与医学在发展高机动性能战斗机、亚音速大型宽体客机、超音速客机、直升机等飞行器，以及解决各种特殊飞行的医学保障问题上做了大量工作，为现代航空事业的发展做出了重要贡献。另一方面，20世纪60年代，前苏联、美国相继发射成功载人飞船，人类的活动范围又进一步扩展到第四环境。在载人航天事业的带动下，航天生理学与医学兴起并迅速发展。自20世纪60年代起，国际上开始采用“航空航天生理学”一词，以表明这两门特殊环境生理学的深刻内在联系。新中国成立前，我国的航空生理学教学与研究基本上处于空白状态。新中国成立后不久，老一辈的生理学家蔡翘教授即在南京前第五军医大学于设备简陋条件下，率先开创了我国的航空生理学事业。1956年，蔡翘教授等还主持制订了我国第一个航天医学规划。由于国家的重视，经过几代人半个多世纪的艰苦创业，从无到有，从小到大，我国的航空航天生理学与医学事业现已具备相当规模，在基础理论研究和解决飞行卫生保障实际问题，以及载人航天基础理论研究和实现我国的载人航天计划等方面，均已取得一定成就，并为进一步发展奠定了基础。1992年我国的“921”工程起步，2003年“神舟5号”发射成功，继俄、美之后，我国已成为第三个能自行发射载人航天器的国家。二、现代航空生理学问题现代的航空事业已是一门综合了多种高新技术、组织规模巨大的技术和业务领域。从系统科学观点出发，可将航空活动的四个环节，即“人”、“机”(如飞行器及武器等)、“环境”和“任务”看作紧密联系、相互制约的有机整体(图1)。在这个系统中，完成任务是前提，飞行器是为完成任务而制造的，飞行离不开所在环境，“人”又是驾驭整个系统的关键因素。故对驾驶飞机的“人”，要根据机种、任务等，进行严格的选拔和训练；但“机”的设计和制作也须充分考虑如何适应人体形态、生理及工作能力特点，以及如何合理分配“人”与高度自动化的“机”的任务(人－机功能分配)等。航空过程中所接触的环境条件与地面时不同，通过“人－环境界面”进行的“人”与“环境”之间的物质、能量和信息传递过程均有其特殊规律。如不深入揭示这些规律，就不能解决人类进入天空与空间环境的防护问题，亦不可能发展成功最优化的人－机系统。在设计、研制和定型新一代飞行器的同时，即应针对使用过程中可能出现的航空环境因素生理影响和防护问题，开展相应研究工作。当飞行器已进入实用阶段，还应根据飞行卫生保障、航空救生、飞行安全等工作中不断提出的各种人－环境界面问题，进一步深入研究，以完善各种防护救生措施。此外，随着航空事业规模的日益扩大，航空活动对于自然生态和环境的影响问题亦已提上日程。(一)航空环境人类世代栖息生存的地球表面是一个半封闭的自然生态系统，内含一定物质并与星际大环境自由交换辐射能量。至于具体到一个人群或一个个体所处的环境，则其有限的局部范围可为“密闭的”、“半密闭的”或者“开放的”系统。人体周围的环境因素还可分为“自然环境因素”和由于使用各种机器或装备而出现的“人工环境因素”。航空活动中人所处环境较为复杂：乘装备密封增压座舱的飞机飞行时，人虽处于“半密闭”的人工座舱环境之中，但仍可能直接或间接受到一些外界自然环境因素的影响；当座舱失去密封，或在航空救生过程中，人体即直接暴露于稀薄而又寒冷的大气环境之中；跳伞后又可能进入极端恶劣的环境之中，如海洋、沙漠、高原等。又如，一些航行高度较高的飞行器均装备密闭座舱，使人处于基本密闭的人工环境之中。本学科限于讨论航空环境中各种物理、化学及生物因素，重点是物理因素。可将人体所处物理环境看做含有一定物质、能量和受力场影响的空间(表1)。其中，不同理化性质的物质在空间范围内呈现一定浓度分布；能量以不同形式存在(如机械能、化学能、热能、辐射能等)并具有不同的位势和容量；不同性质的力场(如重力场、电场、磁场等)亦在空间呈一定强度分布。任一环境因素又是随时间变化的函数，故还应指出其时间特征值，如强度(浓度)随时间的变化率、频率、相位等，以及人体暴露于这种环境的时间长短(如短暂一过性的、持续性的、间断性的或慢性的等)。在研究环境因素的影响时，多是限于对单个因素的分析，但在实际航空条件下，各种因素又以联合方式发挥作用，称“联合性环境负荷”，或称“复合性环境负荷”。其影响除与各种因素的理化性质有关外，还与各因素的出现顺序及暴露时间有关。复合性环境负荷的强度取决于各种因素的强度及其间的相互影响。两种或更多环境因素联合作用的结果可有下述三种模式：1相加，复合影响等于各因素影响的代数和；2协同，复合影响大于各自影响的代数和；3拮抗，复合影响小于各自影响的代数和。对复合性环境还可依据人在其中停留时的生理反应、工作能力变化或主观感觉等，求出各种“综合性环境负荷指数”，或利用“生理等效”概念表达其综合强度，如“等效温度”、“风冷指数”等。(二)机体反应上述各种环境因素对人体影响的性质及机制各不相同。有些环境因素，如机械能，超出一定强度时即可直接造成病理损伤、休克甚至死亡，机体的代偿功能主要表现在强大因素影响过后组织的自愈或修复过程等。另有一些环境因素，如气体组成或环境温度异常等，作用复杂，可引起机体发生广泛的代偿反应和机能障碍，二者错综交织，如环境作用强度超过机体代偿能力，亦可造成严重后果。代偿反应中又有“特异性代偿反应”和“非特异性代偿反应”之分。前者的作用在于对抗异常环境因素的不利影响，使机体重新恢复相对稳定状态和保持内环境的稳定；后者的作用则在于一般性地增强机体对异常环境的适应能力。“特异性代偿反应”又可分为“快反应”和“慢反应”两类。针对一种环境负荷，机体往往可立即发生一系列特异性“快反应”以恢复机体原先的稳定状态，但维持此种反应的“生理代价”太大，如异常环境因素长期持续或者反复作用，“慢反应”乃逐渐发挥作用，生理功能及形态结构均可能发生深刻变化，而原先的“快反应”消逝。这种过程也称“习服”(acclimatization)。当机体已习服于一种环境因素以后，不仅对该种环境因素的耐力提高，并且对另外一些环境因素的耐力也可能提高，称“交叉适应”。如引起习服的环境因素停止作用，则慢反应逐步消退。在本学科范围，主要讨论“快反应”问题。人体是一个能自动保持稳定状态的开放系统：一方面与环境间不停地进行着物质、能量与信息的交换；另一方面又可通过自身的调节机制保持内环境相对稳定。当环境变量通过人－环境界面影响机体的平衡状态时，根据环境影响及代偿能力的相对强度关系，可能出现三种后果：1完全恢复，或完全代偿，机体进入新的稳定状态；2部分恢复，或不完全代偿；3代偿完全无效，即不能代偿。不同环境因素作用于人体时，还可引起非特异性反应。根据Selye的理论，通过下丘脑－垂体－肾上腺皮质系统所引起的非特异性全身反应，称“应激”，又称“全身适应综合征”，其发展需一定时间过程。这些非特异性反应不仅影响机体对环境的反应型式和耐受能力，也与疾病发病的一些共同性规律有关。不过“应激”的实际发生情况及其机制要复杂得多，还有待阐明。个体的生理及心理特点也影响其对环境因素的反应型式，如年龄、性别、健康状况、疲劳、营养、生物节律、情绪、工作任务负荷大小等均可能具有一定影响。其中如精神紧张、过度疲劳、情绪负荷等，本身即可能引起一定生理反应或者非特异性反应。当环境负荷超过机体的代偿适应能力时，则可能有各种机能障碍出现，甚至引起损伤、病理改变，直至死亡。在航空生理学中，既重视找出人体对不同环境负荷的耐受能力，确定可能危及生命安全、引起机体严重障碍等的环境负荷强度阈限(危险阈、障碍阈)或各种物质浓度阈限；也重视各种环境负荷对人的工作能力的影响，注意找出使工作能力开始降低的各种阈限。后者对于制订保证航空任务完成及飞行安全的各种标准、条例等均甚为重要。(三)防护措施阐明航空环境对人体影响规律的最终目的还在于找出有效的防护方法和制订相应卫生保障措施，以保证各项航空任务的完成。航空生理学的任务主要在于提出防护原理和有关的生理学与医学数据，如人对各种异常环境因素的耐受情况以及容许暴露的强度(浓度)或时间等。通常从以下几个方面入手来解决进入航空环境的防护问题。1.生命保障系统(简称“生保系统”)与个体防护装备系统对各种环境因素所采取的防护原理各不相同：有的可用屏蔽、隔绝、滤除等办法消除其影响(如辐射、有毒物质、异常温度等)；有的则可采用人工方法辅助机体的代偿适应机能(如采用通风服防护异常温度影响)；有的则可采取建立全身性或局部性的“人工气体环境”(如增压座舱、个人供氧装备等)。从使用范围看，既有对全体机组人员及乘员提供防护的生命保障系统，也有供个人用的个体防护装备。根据不同目的要求，各种防护装备所提供的防护程度也不尽相同：有的要求达到舒适水平，有的则强调应能保证一定工作能力，还有的则仅以短时间内能保障生命安全为其设计要求。现代飞机普遍采用的密封增压座舱即为一种半开放的人工环境系统，不仅能保护人体免受高空环境因素的危害，在民航机还可为乘员提供舒适的气体和温度环境条件。对于军用飞机的飞行人员，由于座舱压力制度不同和作战需要，还须配备个体防护装备及航空救生装备，如供氧、抗荷、防碰撞、防噪声、防辐射、防气流、防异常温度以及其他个人救生用品、漂浮器材等。随着军用飞机性能的不断提高，个体防护装备的“笨、重、热”以及部件多、分散不成系统的缺点日益突出。目前正在大力加强这方面的研究。2.飞行卫生保障工作应根据高性能飞机的飞行劳动负荷、任务及航空技术的进步，不断改进和完善飞行卫生保障工作，如制订合理的作息制度、不断改进空勤营养、作好飞行人员疾病防治及用药管理等工作。在现代航空活动中，一般不用“习服”的方法提高飞行人员对异常环境因素(如缺氧、高温等)的耐受能力，但要求作好日常保健工作，包括组织好日常体育锻炼，以提高或保持飞行人员对异常环境和飞行负荷的适应能力。此外，还强调对飞行人员