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飞来的药神:人类航空与航天领域的传奇药物
2018-12-28 12:08

  药理学上,药物是指用于预防、治疗、诊断疾病或增强体格、改善精神状态的化学物质。

  本文来自微信公众号:小火箭(ID:ixiaohuojian),作者:邢强博士

  药理学上,药物是指用于预防、治疗、诊断疾病或增强体格、改善精神状态的化学物质。

  按照小火箭定律:迄今为止,在人类工程技术发展史上,几乎没有任何一项尖端技术能够被军方所忽略。不管这项技术的初衷到底是用于提升人类的生活质量还是仅仅用来满足人类的好奇心,最终这些家伙大多都被拿来用于增强军队的作战效能了。

  1962年,加勒比海地区爆发了震惊世界的古巴导弹危机,引发了美苏在冷战时期最激烈的对抗。

  在这期间,一个由14架超声速战斗机组成的编队跨越太平洋直奔美国本土的加利福尼亚州,而另一个由13架飞得更快的战斗机组成的编队则试图横跨大西洋直取美国南卡罗来纳。

  古巴导弹危机最终以和平的方式收场,刚刚提到的那两个战斗机编队里面则都是美国人自己的飞机。他们正在执行最早的长距离跨海飞行航空医学生化试验。

  飞行员在驾驶飞机(尤其是战斗机)的时候要在同一个身体姿态下保持精神的高度集中,当这种状态持续过久之后,就会不可避免地产生疲劳。

  身心俱疲的飞行员对飞机的操控能力下降,对飞机状态的判断也会变得迟缓,为各种事故埋下了隐患。有报告指出,所有飞行事故中有五分之一直接或间接地与飞行员的疲劳有关。

  为找出执行长距离飞行任务后的战斗机飞行员身体的变化规律并摸索出一套检测飞行疲劳程度的量化方法,美军831战术医院、乔治空军基地和美国航空医学院生理学分部等部门在1962年联合进行了一次航空医学试验。

  该试验由空军上校马奇班克斯博士(其生平将在后文稍加介绍)和亨利·黑尔博士组织进行。试验对象被分为三组。

  A组有14名驾驶F-100战斗机的飞行员。他们的平均年龄为28岁,平均飞行小时数为1282小时。

  他们原本正在执行一项持续15天的飞行训练,计划从菲律宾群岛上的克拉克空军基地起飞,在关岛基地和夏威夷希卡姆空军基地短暂停留后飞往位于美国加利福尼亚州的乔治空军基地。

  马奇班克斯选取了这次飞行训练的最后一段航线名飞行员全部进入熟睡状态。早上6点,他们被叫醒。在希卡姆空军基地里准备了3个小时后开始起飞。

  在2295海里(约4250公里)的航程中,飞行员们要在狭小的飞行座舱内忍受持续5小时45分钟的耀眼阳光,并完成两次空中加油任务,在东太平洋上空自西向东划出一条长弧线。

  F-100是美国空军第一款能够在平飞状态下进行超声速飞行的量产型战斗机,也是首款大量采用钛合金来进行制造的战斗机。

  该机是美国空军“百字头”战斗机的首款机型,作为一款战斗机,其在舒适性方面的考虑还不算太多,驾驶该机进行长距离巡航飞行并不轻松。

  从夏威夷到加利福尼亚的这段航线几乎整个都在东太平洋上空,直到降落前15分钟,飞机才终于飞到了陆地上空,单调的舱外景象和炫目的海上阳光增加了飞行员的疲劳感。

  B组有13名驾驶F-104战斗机的飞行员。他们的平均年龄为29岁,平均飞行小时数为2426小时,飞行经验几乎是A组的2倍。他们在西班牙执行了4个月的临时任务后,被叫来参加这场飞行试验。

  他们先到位于大西洋中东部的亚速尔群岛报到,然后从那里起飞,飞越大西洋后降落在位于美国美国南卡罗来纳州的默特尔比奇空军基地,在北大西洋上空自东向西飞出一条长弧线公里)。

  笔者查看了飞行记录,还原了当时的飞行轨迹。飞行员们实际的飞行距离上相当于地球周长的八分之一。

  他们在凌晨3点起床,在亚速尔基地待了2个半小时后以睡眼惺忪的状态起飞。

  在6小时的飞行中,他们进行了3次空中加油。脾气暴躁的大西洋让B组吃尽了苦头,其中有至少2个小时的时间是在与恶劣的天气进行殊死搏斗。

  F-104是美国空军第一款能够以2倍音速飞行的战斗机。该机一改美军战斗机“结构重、装甲厚、马力强”的特点,开始走轻盈路线。让这种有着“寡妇制造者”和“有人驾驶的导弹”之称的轻型战斗机执行跨洋飞行任务是要冒很大风险的。

  好在阴翳的大西洋夜空还没来得及给B组染上悲剧色彩,他们就已映着阴霾散尽后的晨光安全降落了。

  C组是来“打酱油”的,但他们同时也是至关重要的对照组,有12名战斗机飞行员。基地给他们放了一天的假,以便他们执行睡个懒觉后起床随意逛逛的任务。

  为了探索能够准确反映飞行员状态的生化指标,试验团队从3组飞行员身上采集了大量血液和尿液样本。检测项目涵盖了当时已知的所有生化指标,如钠钾含量、尿液酸度以及肾上腺素、类固醇等激素的浓度(笔者获取了部分较有代表性的指标数据列成了图表)。

  试验的组织者马奇班克斯博士曾经是二战期间美军唯一的黑人飞行中队“红色机尾”的随队医生。

  作为一名非洲裔美国人,他没有浪费掉好不容易争取来的学习机会,在战场上成长为一个优秀的医生。被认定为飞行疲劳测量理论创始人的马奇班克斯没有停留在对飞行员状态的观测阶段,他想要找到主动控制疲劳的方法。

  他以首席航空健康专家的身份进入了阿波罗太空计划并参与了宇航服和舱内显示系统的设计。

  在1973年去世时,他留下了大量试验数据和呼吁消除种族歧视的文章以及一个没能研制出有效且无副作用的抗疲劳药丸的遗憾。

  美国海军安全中心统计了自上世纪70年代开始的飞行纪录,发现有300多起人为错误造成的A级空难均涉及飞行员在失事前24小时的睡眠不足8小时。

  1982年爆发了英阿马岛战争。英国飞行员要面临的一个难题就是从阿松森空军基地到马岛往返超过1万公里的超远航程。

  在持续多日的跨时区飞行任务中,飞行员的生物节律被严重打乱,但英国皇家空军航空医学研究院提供的一种名为替马西泮的催眠药则保障了他们的睡眠时间和执行任务时的精神状态。

  1986年4月,美空军成功突袭了利比亚。这场军事行动发动得很突然,执行作战任务的飞行员们在14日下午接到消息后被马上要求服用司可巴比妥入睡。

  当天下午6点,他们被唤醒后马上投入到了长达13小时的飞行中,在完成了空中加油任务后,困意袭来的飞行员们立即服用了早就准备好的苯丙胺兴奋剂,药物使他们在较为亢奋的状态下完成了作战任务并与15日顺利返航。

  进入上世纪90年代,以直接改变飞行员体内的生化指标来影响其疲劳状态的药物开始走向成熟。

  法国Lafon制药公司研制的中枢兴奋剂莫达非尼能够让飞行员长期保持精神高度集中状态。

  该药在1991年海湾战争中首次应用在法国飞行员身上并取得了良好效果。服用该药后,飞行员能够保持48小时的持续清醒。这对处在敌后地区、危险丛林或广袤大洋等环境中等待救援的飞行员来说有着重要意义。

  后来,莫达芬尼作为遇险应急装备藏入了飞行员的座椅中。中国科研人员在同一时期以歼六战斗机为平台在95dB、150Hz的持续噪声中的对司可巴比妥等药物对飞行员的影响进行了试验。

  2003年美军在对伊拉克发动的战争中,使用了B-2战略轰炸机从美国本土起飞对伊拉克进行轰炸。这条航线小时,并且途中要完成按最佳规避航线飞行和对精确打击目标进行识别和锁定的任务。这对只有两名飞行员的机组人员来说是个不小的挑战。

  为了确保完成轰炸任务,这些飞行员大多都服用了一种名为右旋苯丙胺的兴奋剂。

  虽然在战争规模升级后,美军专门为轰炸机建立的基地让航线缩短了一半,大大减轻了飞行员的负担,但是在持续16.9小时的较短航线%的飞行员服用了被称为“神奇药丸”的右旋苯丙胺。

  在有机会休息的时候,服用高效催眠药,获得高质量睡眠来储备精力。在需要持续作战的时候,服用强力兴奋剂,获得长久持续的高度注意力。

  2000年,美国航空医学研究所对241名飞行员和120名机上随行人员的一项调查显示,有45%的飞行员曾出现过飞行中打盹的现象,有49%飞行员有过因为太过疲劳以至于不能保证飞行安全而取消飞行。81%的飞行员认为疲劳是近年来飞行事故的重要原因。

  国际民航组织认为75%的飞行事故是与机组人员的人为因素相关,而其中不乏有与飞行疲劳直接相关的案例。

  2004年3月,一架从巴尔的摩飞往丹佛的空客A319飞机上的两名飞行员相继睡着,导致飞机以2倍于最大限速的速度冲向丹佛国际机场。

  情急之下,机场指挥人员发疯似的向飞机发送呼叫,这才吵醒了飞行员并最终让飞机安全降落,避免了一场悲剧的发生。

  好在民航飞机的飞行员多数情况下不会执行紧急任务,通过调整执飞时间和保证睡眠质量通常就已经能够应对疲劳了,因此那些神奇的药丸暂时还不会出现在民航领域。

  公元1983年6月18日协调世界时11点33分00秒,挑战者号航天飞机点火升空。

  这是美国第一位,人类第三位进入太空的女性宇航员。这是她二次执行太空任务,同时也是整个航天飞机机队的第7次太空任务。

  第一位进入太空的人类女性宇航员是苏联的捷列什科娃(在1963年6月16日进入太空。)

  第二位进入太空的人类女性宇航员是苏联的斯维特兰娜·萨维茨卡娅(在1982年7月19日第一次进入太空,入驻礼炮7号空间站;在1984年7月17日第二次进入太空,随后完成了人类女性的第一次太空行走。)

  由于生理方面的差异,女性宇航员在太空中要独立面对比男性宇航员更多的挑战。

  32岁的萨利在为期6天2小时23分59秒的太空任务中,与其他宇航员一起,完成了空间微重力试验、卫星释放等工作的同时,还一直服用药物,进行了人类第一次针对女性的系统性空间药物实验。

  在近地轨道飞行的空间飞行器,每天(24小时)会看到16次日出日落,这使得宇航员的生物节律会受到严重干扰。除少数宇航员因天生睡眠质量极其出众之外,大部分宇航员都会出现失眠的现象。

  美国宇航局NASA早在上世纪90年代就完成了人类宇航员在太空中的睡眠状态的系统调查。

  宇航员们在地球表面每天的平均睡眠时间为7.9小时,在太空中,睡眠节律保持较好的宇航员能够拥有每天6小时的睡眠时间。而大部分宇航员每天的熟睡时间只有5小时,个别宇航员的熟睡时间仅剩2.3小时,已经难以长期实施需要高强度和高度精力集中的任务了。

  萨利服用的太空药物有效地改变了她的生理期,暂时避免了在太空中执行繁重任务的同时还要处理每月生理情况的难题。

  另外,对女性宇航员萨利的观测表明,药物能够有效调节睡眠节律,明显改善宇航员的休息情况。

  这项研究结果在上世纪90年代公开后,各国宇航员大多都会在太空中遵医嘱,主动服用睡眠节律调节药物。

  上图就是萨利乘坐的挑战者号航天飞机的舷窗。在萨利正在太空执行任务的时候,一块太空碎片直接命中航天飞机的舷窗,留下了上图那个差点儿穿透玻璃的痕迹。

  这些宇航员身体素质都是很棒的。之所以会出现这种情况,还是和微重力环境下人类的体液重新分布,血浆的形态有所变化有关。

  目前,最前沿的太空医学把引起太空中的宇航员的心脏出现状况的重点锁定在了左心室。

  在太空中,坚持体育锻炼,系统服用药物,是宇航员保持身体健康的两个重要因素。

  在太空中,对乙酰氨基酚类的药物的代谢速度明显加快。(原因有两种分析,一是小肠血流提速,二是胃的排空周期缩短。)

  另外,利用太空辐射环境、微重力环境和高度清洁环境进行制药的设想,已经开始成为现实。

  辅酶Q10是一种脂溶性抗氧化剂,能激活人体细胞和细胞能量的营养,具有提高人体免疫力、增强人体活力等功能。在医学上,辅酶Q10被用来辅助进行心血管疾病的治疗。

  辅酶Q10少量存在于黄豆、花椰菜、沙丁鱼和多种坚果中。在上世纪60年代之前,辅酶Q10是一种极其奢侈的营养品,每毫克的价格为1000美元。(换算成现在的美元,为8492.78美元,相当于人民币56420元)

  其原因,就是人类在上世纪80年代借助航天飞机启动了辅酶Q10的微生物制造的研究,并且通过太空繁育,发展并遴选出了能够大量生产辅酶Q10的微生物。

  洛伐他汀则是一种明星药物。它可以使人体内的胆固醇的合成量明显减少,也能够使低密度脂蛋白受体的合成增加。洛伐他汀的主要作用部位在肝脏,使血胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平降低,由此对动脉粥样硬化和冠心病的防治产生作用。

  之前,全球只有8种红曲菌能够用来生产和提取洛伐他汀。这种药物也就成了天价药。

  后来,同样是借助太空技术,这种能够有效降低胆固醇浓度的药物才真正实现了大量生产,成为了几乎每个患者都能用得起的药物。

  药物,人类曾经或者说正在,用来提升军队的战斗力;用来让长时间在大气层内或者太空的飞行变得可靠和安全;用来让人类能够更加专注地执行艰巨繁重的任务。

  而抬头仰望,人类的太空技术反过来又在促进着药物的发展和制造。借助太空技术,很多昂贵的天价药物得以实现量产,漫长的研制周期因为太空环境的特殊性而得以大幅缩短。

  笔者期望,人类的医学水平和太空探索技术水平都能够得到突飞猛进地持续发展,继续践行这个理念:

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