环球新视野

第一章 飞向神秘的太空
——航天世界

第一节 空间探测器


　　青少年朋友们，你们知道什么叫探测器吗？它是怎样探测天体的？为什 么要用航天器进行天文探测吗？面对这些问题你是不是觉得很陌生？好了， 看了下面的介绍你就会明白的。
1.什么叫探测器？
　　探测器是一种彻底脱离地球引力，飞往太阳、月球或其它行星或星际间 进行探测的无人航天器。探测器的基本结构与人造地球卫星相同，但它携带 了探测仪器。多数探测器在进行探测时要围绕目标天体飞行，甚至在目标天 体上着陆。发射行星探测器，只要运载火箭使它们的速度达到 11.2 公里/秒， 进入绕太阳飞行的轨道，就可以对各行星进行探测。选择飞向目标行星的航 线，一般有两种原则，一是能量最省，二是航程最短。能量最小航线是指选 择相切于地球轨道和目标行星轨道的椭圆形航线。目前探测器都选用这种航 线，选择这种路线的出发日期要隔几个月或几年才有一次，如飞往水星 4 个 月一次；飞往木星、土星每年一次；飞往金星，7 个月一次，飞往火星 2 年 2 个月一次，返回也一样。短程航线是让探测器在地球与目标行星会合前后以 较大速度，沿大椭圆轨道飞向目标行星。
2.探测器是怎样探测的？
　　首先讲讲探测器的优点。在浩瀚的宇宙中有无穷的奥妙。目前地面上有 许多天文台配备了许多先进的光学和射电望远镜，但它们不是通过天体发出 的可见光就是通过天体发出的各种电磁辐射来对天体进行研究的，同时它们 还受云雨气候，白天阳光及人工光源的限制和影响，因此利用它们来观测行 星就好比躺在湖底透过湖水看飞鸟一样困难。相比之下探测器就优越得多 了，它可以飞近探测目标，就近进行探测，甚至在天体上着陆，进行实地探 测。探测器飞向探测目标一般分三个阶段，第一个是发射阶段，第二个是自 由飞行阶段，最后是降落阶段。探测器一般能自行调整飞行航线来达到向目 标天体降落和着陆的目的。因为探测器的飞行时间较长，所以一般用太阳能 电源或核电源。最新的探测器通信采用了高增益的抛物面天线定向波来加 强，因此相隔遥远的金星、火星探测器才能源源不断地为我们发来最新的照 片。
3.近年来世界上发射了哪些探测器？
　　目前，太阳系的九大行星中除了冥王星以外，均以被人类探测过。有“水 手”号、“金星”“水星”号、“麦哲伦”号、“先驱者”号、金星—哈雷” 号，以及前苏联的“金星”8、9、11、12、13、14 号和美国的“先锋金星 1” 号等探测器。
　　1989 年美国空间航天局发射了一颗以探测木星和木星卫星为主要目的 的宇宙探测器——“伽俐略”号。它有 11 条环绕木星的轨道，它可以借助木 星的卫星引力作用从一颗卫星附近跳到另一颗卫星附近，依次接近它们，“伽 利略”号在飞向木星漫长的旅途中顺访了太阳系其它天体。不断为我们送给 宝贵信息。1995 年 12 月，经过 6 年的长途跋涉，它终于来到了木星表面， 开始了它对木星的考察，迄今已源源不断地将一幅幅精彩的图象和珍贵数据
　　
传送给我们。它此行目的是揭开木星大气和磁场的秘密，同时考察其卫星。
1995 年 12 月 18 日“伽利略”号释放的子探测器以每小时 17 万平米速度冲 入本星大气，运行 75 分钟探测了木星的四颗主要卫星。
　　另外关于探测器的最新情况莫过于历时 7 个月，经过 4.94 亿千米的飞 行，到达火星的“探路者”号探测器，着陆过程中“火星探路者”号飞船首 先释放出一个巨大的减速降落伞，然后甩掉绝热外壳，迅速接近火星表面， 在着陆不到 10 秒钟后，飞船上数十个气囊袋膨胀起来，像蚕茧一样将 90cm 高，300 千克重的着陆器包个严严实实。接着进行减速，然后包裹着着陆器 的气囊袋逐渐排气。之后三块近似三角形的面板沿着着陆器基座的边缘缓缓 打开。随即露出“束杰纳”火星车及其天线设备。“火星探路者”号飞船由 着陆器和火星车两部分组成，着陆器上安装有 360 度全息照相机和天气预报 装置。它的大小如一台微波炉，重 10.4 千克，是一个 6 个轮子的小机器人并 配有一台阿尔法—质子—X 射线光谱仪。火星车上有一个调制解调器，所获 得的探测数据通过该装置传到着陆器上，再由着陆器传回地面控制中心。地 面人员、坐在一个美国硅图公司提供的 24 英寸工件站显示屏幕前，戴着三维 虚拟现实眼镜，通过移动显示屏上的光标引导“索杰纳”在 1.9 亿千米之外 的火星表面的进行情况。
最后介绍一下近期将发射的一些火星探测器的情况。
火星全球勘测者（美国） 发射时间：1996 年 11 月 7 日 抵达时间：1997 年 9 月 11 日
火星—96（俄罗斯）
发射时间：1996 年 11 月 16 日 抵达时间；1997 年 12 月 9 日
火星勘测者’ 98（美国）
发射时间：1998 年 12 月 10 日 抵达时间：1999 年 9 月 24 日（轨道器）
1999 年 12 月 3 日（着陆器）
火星勘测者’ 01（美国） 发射时间：2001 年 3 月到 4 月
国际火星网（欧空局）
　　发射时间可能是 2005 年，在火星表面布置一个由系列地球物理站组成的 网络（主要任务）
　　　　　　　　　　第二节 火箭与卫星 一、火箭
1.火箭的介绍
　　我们大家都知道任何物体都有引力，因此地球也不例外，所以要想挣脱 地球的束缚，把卫星、飞船送上天是相当困难的，但是我们要是能够使卫星、 飞船达到很高的速度，那么它们就能够挣脱地球引力，沿着弧线飞出。于是 人们发明了火箭，让它携带卫星上天。那么火箭是怎样获得高速度的呢？它 又是怎样获得大推力的呢？简单地说，火箭是靠火箭发动机向后喷射高温高 压燃气获得较大前进速度的，也就是我们所说的反冲作用。同时它是靠火箭
　　
推进剂在发动机中燃烧而获得推力的，火箭推进剂是在火箭发动机燃烧室中 燃烧，用以产生推力的物质如液氢、液拿、偏二甲肼、四氧化二氮，聚硫橡 胶等。
　　目前火箭的发展日新月异，除了前面所介绍的化学火箭外，又出现形形 色色新奇的火箭。
　　（1）电火箭 是由中场或电磁场将推进剂电离成粒子，并使它们高速喷 出，而产生推力，其中分电热式、静电式和磁电式三种。这种电火箭推力比 较小但适合于修正航天器的轨道偏差，而且它的寿命长。
　　①电热式电火箭 它是用电加热推进剂。如电阻加热推进剂使其周围的 氨，肼等推进剂从喷口高速喷出。
　　②静电式电火箭 用静电场来加速带电的推进剂，然后使被轰击而产生 的离子束与来自中和器的电子相混合形成高速的中性喷流，产生推力。
③电磁式电火箭 就是利用电磁场来加速放电，形成等离子体射流。
　　（2）激光火箭 用强激光束加热推进剂，以产生推力。它的原理是，强 激光束把气体推进剂加热到高温度，使原子电离，形成等离子区，发生微型 爆炸。这种火箭需用的推进剂很少，而且成本低廉、构造简单，适用于从地 球向空间发送材料。
（3）核能火箭 铀、环等重金属元素，在一定条件下，它们的原子核会
发生分裂，同时放出大量的热。这叫做裂变反应。原子能火箭就是利用重元 素的核裂变反应而产生的热量来加热推进剂，使它高速喷出，以产生推力。
（4）阳光动力火箭它也叫做太阳能动力火箭。就是用轻型反射镜，将太
阳光聚集到火箭燃烧室，可把推进剂加热到 2000 多度，然后通过喷管喷出， 产生推力。阳光动力火箭的推力很小，一般不到 500 克力，只能作为太空动 力，但作用时间长，可使航天器慢慢地加热。
2.火箭的用途火箭的用途相当广泛，它可以用来发射航天器，除此之外，
应用最多的是作战武器，如火箭炮、火箭弹等，有制导的火箭叫导弹。还可 以用来进行科学试（实）验和科学探测，如气象火箭，地球物理火箭和生物 火箭。目前已经利用航天育种培育出水稻、小麦、蕃茄、花卉等各类良种。 还有气象火箭可以把科学仪器送到低于 120 公里的高空，探测那里大气的温 度、压力、密度和流动速度，以预测天气变化。这是很重要的气象探测，因 为那里是气象卫星和一般探测气球都达不到的盲区。
二、人造地球卫星
　　在宇宙中，围绕恒星运行的天体叫行星，围绕行星运行的天体叫卫星。 人造地球卫星在太空飞行，不像飞机那样任意改变方向，它总是在一个 轨道上绕地球旋转，而且不需要任何动力。那么，人造地球卫星为什么能在 轨道上绕地球飞行呢？它是怎样飞行的呢？让我们来看一下杂技演员的水流 星表演。杂技演员用力甩动着绳头上盛着水的碗，水碗总想飞走，而绳子拉 着它，它又飞不走，所以水碗就以演员握绳的手为中心，以演员的手到碗的 绳子长度为半径做圆周运动。这时物体做圆周运动会产生离心加速度（离心 惯性），就好像有一股力量将物体向外推，它的大小与向心力相等，方向与 向心力相反。正是这股力量将水压向碗底，所以水不会流出来。人造卫星绕 地球飞行的原理与水流星是相同的，当火箭给人造卫星的离心加速度（惯性）
所形成的力量与地球的引力相等时，它就会绕地球飞行。 那么，人造地球卫星入轨后，为什么不再需要动力就可以绕地球飞行，

而不像水流星表演那样，需要演员不时地用力甩动水碗呢？ 我们大家都知道，物体都有惯性。科学家很早就发现，如果没有外力作
用，静止的物体永远静止，运动的物体永远运动，在科学上叫惯性。人造地 球卫星绕地球飞行，就是这种惯性运动，水流星与卫星不同，它除了受到大 小相等、方向相反的离心惯性和向心力（绳子的拉力）作用外，它还受到地 球对它的引力；同时，它在运动时，还要受到空气的阻力。演员要不时地用 力甩动，就是为了克服空气阻力和地球对它的引力，要是没有空气阻力和地 球对它的引力，演员第一次甩动水碗后，只要拉着绳子，它就可以永远作圆 周运动。
　　杂技演员如果用力过猛，把绳子甩断了，也就是水碗的离心加速度（惯 性）大于绳子的拉力（向心力），水碗就会沿直线飞出去，卫星也一样，如 果火箭给它的速度过大，它的离心惯性大于地球引力，它就会离开地球飞走， 只是它仍然受到太阳的引力作用，不是直线飞走，而是以抛物线或双曲线轨 迹飞行。
　　杂技演员结束表演时，只要用力拉绳子，就可以把水碗收回来，卫星也 一样，如果火箭给的速度不够，它的离心惯性小于地球对它的引力，它就会 掉下来。离地几百公里的低轨道卫星，那里仍然有稀薄的大气，由于空气阻 力使它的速度逐渐降低，地球对它的引力也就渐渐的大于离心惯性，所以它 也会慢慢地落回地面，只是在进入稠密大气层后，与空气剧烈摩擦而被烧毁 了。为使低轨道卫星不因速度逐渐降低而很快地掉下来，可以为它配备火箭 动力，就像杂技演员不时甩动水碗一样，在需要时，开动火箭，提高速度， 轨道高度也就升高了。
人造地球卫星的轨道非常繁杂。按形状分圆轨道和椭圆轨道，按离地面
的距离，分高轨道和低轨道、极地轨道、地球同步轨道、对地静止轨道和太 阳同步轨道等等。
卫星轨道形成的平面叫轨道平面，它总是通过地心的，轨道平面与地球
赤道形成的平面（赤道平面）的夹角叫轨道倾角，倾角小于 90 度的为顺行轨 道；大于 90 度为逆行轨道；等于 90 度为极地轨道；倾角为 0，即轨道平面 与赤道平面重合，为赤道平面。
卫星绕地球一圈的时间叫运行周期。轨道高为 35786 公里时，卫星的运
行周期和地球的自转周期相同，这种卫星轨道叫地球同步轨道。如果地球同 步轨道的倾角为零，则卫星正好在赤道上空，以与地球自转相同的角速度绕 地球飞行，从地面上看去，好像是静止的，这种卫星轨道叫对地静止轨道， 它是地球同步轨道的特例。对地静止轨道只有一条。虽然卫星的轨道是不变 的，但由于地球在自转，所以卫星轨道乎面总是绕地球自转轴在旋转，所以 卫星轨道平面总是绕地球自转轴在旋转。
　　卫星轨道的选择，是根据卫星的任务和应用要求来确定的。如对地面摄 影的地面资源卫星、照相侦察卫星等常常采用近似圆形的低轨道；通信卫星 常常采用对地静止和地球同步轨道；为了节省发射卫星的能量，常采用顺行 轨道；为了使卫星对全球进行观察，需要采用极地轨道；为使卫星始终在同 一时刻飞过地球某地上空，或使卫星永远在或不在地球阴影区，则需要采用 太阳同步轨道等等。
　　由于运载火箭不可能毫无偏差地把卫星送入预定轨道，同时地球的梨形 形状引起的重力变化，以及大气阻力和其它天体引力的干扰等，卫星会逐渐
　　
脱离预定轨道（摄动），而它的预定寿命需要它始终在预定的轨道上工作。 因此，需要对人造卫星的实际轨道进行测量，以便进行必要的修正。在卫星 的整个工作过程中，测控中心和各测控台还有许多繁重的工作要做，第一是 不断地精化它的轨道参数；第二是对星上仪器设备的工作状态进行测量、分 析和处理；第三是接收卫星发回的科学测控数据；第四是对卫星的轨道摄动 实施修正和管理；第五，对返回式卫星来说，在短暂的返回过程中要完成大 量的测控工作。
那么，我们是怎样知道卫星在空间的位置呢？ 根据几何原理，要确定空中一点的位置，只要知道它与测量点的连线与
地乎线的夹角（仰角）和方位，以及水平距离，就可计算出来。 卫星地面测控站担负着卫星的跟踪测轨任务，只要知道卫星与地面测控
站的距离、仰角和方位，那就是卫星在空间的位置。由于卫星在飞行，它在 同时的位置是不同的，把各个时刻的位置连起来，就是卫星的轨道。实际上， 卫星的轨道测量，就是测量它与测控站之间的仰角、距离和相对速度，把测 量值和准确的测量时刻记录下来，就可定出卫星的轨道。但关键是如何跟踪 它，即要随时都能抓得住它。所以卫星的轨道测量，又叫做跟踪测轨。
　　常用的跟踪方法有光学跟踪和无线跟踪两种。由于光学跟踪要受气候条 件的限制，一般只在卫星发射时，在低空跟踪火箭和卫星的飞行。因此，无 线电跟踪是目前卫星跟踪测轨的主要方法。
常用的无线电跟踪方法有雷达搜索和多普勒跟踪两种。
　　雷达搜索和跟踪卫星，与搜索和跟踪飞机的原理相同，只是卫星的高度、 速度和距离大得多。卫星将雷达发射的无线电脉冲信号反射回来后，已经非 常微弱，可能完全收不到。为解决问题，在卫星上安装一个应客机，它收到 地面测控雷达发来的无线电脉冲后，经过放大，再发回地面测控站。测控站 根据雷达发出信号的时刻和收到卫星发回信号的时刻，就可算出测控站与卫 星之间的距离，再根据雷达天线的仰角和方位，就可算出卫星在空间的位置。 多普勒跟踪的原理是多普勒效应，我们站在铁路旁，当一列火车鸣笛而 来时，它的汽笛声听起来越尖锐刺耳，这是因为它的声波频率越来越高，即 波长越来越短，而它通过身旁远去后，汽笛声逐渐变得低沉，因为它的声波 频率越来越低沉，即波长越来越长，其实，火车汽笛发出的声音，它的频率 和波长是不变的，正是火车的运动，即发声体的运动影响声波的波长，因而 也影响到声波的频率，这就是多普勒效应。多普勒效应的叙述是：由观察者 和波源的相对运动，使波在到达观察者时的频率和波离开波源时的频率发生
差别。
　　运动物体的无线电波也有多普勒效应。在卫星上发射无线电波的信标 机，它不断地向地面发射频率不变的无线的电波，由于多普勒效应，当它向 地面站上来和离地面站远去时，无线电频率都要发生变化，测量这些变化， 就可以算出卫星在空间的位置。
　　信标机的无线电波是通过天线发出的，各个方向的无线电波能量相同， 叫全向天线；向一个特定方向发射无线电叫定向天线。
　　卫星还要向地面发送其它用途的无线电波，也要接收地面上各种无线电 波，为了提高利用率和减少卫星上的设备，目前已可以使用共同的天线。
　　除了用地面站对人造卫星进行跟踪测轨外，还可以用轨道上的跟踪和数 据中继卫星进行跟踪测轨，等距离分布在地球静止轨道上的三颗跟踪和数据
　　
中继卫星，可对 12000 公里轨道高度内所有的卫星进行适时连续的跟踪和数 据传送。
　　以上讲了许多关于人造卫星发射和跟踪测轨的问题，同学们，你们觉得 有趣吗？好了，下面再讲讲人造地球卫星是怎样回收的。
　　绕地球飞行的航天器返回地面，根据它们所受到的阻力和升力的大小不 同，有三种不同的返回轨道。在进入在大气层后，只有阻力，没有升力的航 天器，为弹道式返回轨道，气动力过载大，落点无法调整，可能产生较大的 落点偏差。早期苏联的“东方”号飞船，美国的“水星”飞船和我国返式回 式卫星，采用这种返回轨道。后来，苏联的“联盟”号和美国的“双子星座” 飞船，采用半弹道式返回轨道，它们在再入大气层后，除了产生阻力外，还 有部分升力。这样，只要适当控制它们的滚动作用，就可以控制升力方向， 改变飞行路径，调整落点距离，使落点比较准确，它们的气动力过载也较小， 一般 4—5 克，航天飞机有很大的升力，因此，在返回时可以调节纵向和横向 距离，准确地降落在路道上，它们的气动力过载很小，只有 2 克左右，这叫 升力式或滑翔式返回轨道。
　　现在，重点讲讲按弹道式返回轨道返回地面，让人造地球卫星按弹道或 返回轨道返回地面需要很高的技术。首先，要求运载火箭有很高的精确控制， 能准确地把卫星送到预定的轨道，使卫星在飞行的最后一圈，正好经过预定 的回收地区上空；其次，由于回收型卫星一般是低轨道卫星，受大气阻力和 地球形状等影响，轨道会发生偏离。因此，对实际轨道还要检查它，是否符 合轨道条件，如果符合，还必须精确地计算出落地时间和落点的经纬度，迅 速的出返回控制方案，包括向卫星基地发送各种控制指令的时间和条件等 等；第三，在进入返回圈后，要求卫星和地面相互配合，能使卫星准确地转 变成返回姿势，这是卫星能否返回的关键；最后，要求执行反推火箭点火， 抛掉仪器舱等一系列遥控指令的众多仪器设备能准确无误的工作，失之毫 厘，差之千里，倘若一着失误，全盘皆输。
卫星在返回过程中，还必须闯过三关。第一是振动和过载关。由于卫星
以近 8 公里/秒的速度进入稠密的大气层，强大的气动阻力会使卫星受到巨大 的冲击，从而产生巨大的过载，就像高速行驶的汽车撞在墙壁上一样。还有， 反推火箭的点火和熄火，会产生剧烈的振动。卫星的结构和各种仪器设备必 须能挺得住。第二关，是火焰关，卫星以 20 多倍于声音的速度在大气中穿行， 它周围的空气受到剧烈的压缩和摩擦，温度高达 8000～10000℃，卫星表面 必须有有效的防热层，结构材料也必须有很好的耐热能，否则会被烧为灰烬。 第三关，是落地防撞关。卫星接近地面时，仍有几百米每秒的速度，降落伞 和减震设备等必须保证卫星能安全回收，而不至于被撞得粉身碎骨，信号装 置能使回收人员容易发现卫星的落点遗迹。
卫星的回收的程序，一般有 11 点：
①是精确测算卫星的轨道，确定开始回收程序的时间。
②调整成返回姿态，即再定向。
③回收舱分离
④旋转火箭点火，自旋稳定
⑤反推火箭点火
⑥消旋
⑦再入在气层

⑧反推自旋火箭分离
⑨弹射降落伞罩盘
⑩打开降落伞和抛掉防热罩
（11）回收 由以上可知，卫星的回收设备主要有反推火箭、自旋火箭、防热结构、
降落伞、和示踪设备。 回收的场合和方式有三种。一是陆地回收降落伞使卫星以几米每秒的速
度落地；二是空中回收；三是海上回收，卫星降落在海面上，借助密封装置 漂浮，并施放海水染色剂，舰船或飞机随即将卫星收回。
　　讲到这里，同学们你们应该对人造地球卫星有一个大致的了解了吧！下 面我将给你们介绍介绍多彩多姿的卫星世界，以及即将要发射的卫星。

第三节 太空望远镜


　　同学们，你们都用望远镜观测过天空吧！一定很有意思吧！那么你们有 没有想过在太空中观测宇宙呢？现在人们已经能够实现这个梦想了，哈勃太 空望远镜就可满足要求，它堪称是天文望远镜中的“大哥大”。自 1990 年 4
月 25 日由美国“发现”号航天飞机将“哈勃”释放到太空之后，这只“太空
眼”已经环绕地球飞行 16 亿公里以上。1993 年 12 月载有 7 名航天员的“奋 进”号航天飞机进入太空，去纠正“哈勃”天文望远镜光学系统存在的严重 的球面像差，并更换若干易损伤和出毛病的陀螺仪。1997 年 2 月“发现”号 航天飞机再次进入太空，给“哈勃”升级换代，撤下高分辨摄谱仪和暗弱天 体摄谱仪、换上空间望远镜和成像摄谱仪，红外照相机、多目标摄谱仪，并 进行若干修补工作。
改造后的“哈勃”对距离 5000 万光年的 M84 星中央进行了观测，发现该
星系中心半径26光年范围内的气体物质突然获得每小时140.8万千米的高速 度，这表明该星系中心有一个引力巨大的黑洞。
下面介绍一下“哈勃”望远镜的构造及其观测成果。
①轨道最大的天文台
　　“哈勃”望远镜长 12.8 米，镜简直径 4.27 米，重 11 吨，由光学部分、 科学仪器和辅助系统三部分组成。镜筒的前身是光学部分，后部分是一个环 形舱，在这个舱里面，望远镜的焦平面上安放着一组科学仪器。太阳能电池 帆板和抛物面通讯天线（这是辅助系统的主要部件）则从筒的中间部分伸出。
　　②宽视场行星照相机（WF/PC）“哈勃”的一个主要部件之一就是安装在 主镜焦平面上的一组科学仪器，共 8 台，即宽视场行星照相机、暗弱天体照 相机、暗弱天体摄谱仪、高分辨摄谱仪和高速光度计以及这三台精密制导传 感体，放置于望远镜简后部的环形舱内。宽视场行星照相机，英文台为（Wild Field planetaly camera）简称 WF/PC。它具有最高优先权，4 台 CCD 占据 主镜焦平面的中央，当该仪器采用宽视场模式时，3 台 CCD 需与另一台焦距 更长的 CCD 根一致，制成一幅图像。它的灵敏度很高，观测波段极宽，从紫 外光一直到红外光，能观测到暗弱至 28 等的天体。它不仅可以观测行星，而 且可以对延伸的银河系及河外天体进行高分辨率的观测。
　　光学部分“哈勃”空间望远镜的“心脏”。它采用卡塞格林式反射系统， 由两个双曲面反射镜组成：一个是口径 2.4 米的主镜，另一个是装在主镜前
　　
面约 4.5 米处的副镜，口径约 0.3 米。投射到主镜上的光线首先反射到副镜 上，然后再由副镜射向主镜的中心孔上，穿过中心孔到达主镜的焦面上形成 高质量的图像，供各种科学仪器进行精密处理。
主镜和副镜均采用热膨胀系数极低的特殊玻璃。 “哈勃”天文望远镜的主要的构造大家都知道了，那么“哈勃”眼中的
太阳系又是怎样的呢？“哈勃”空间望远镜不仅定期展开太阳系天体观测， 而且每逢遇到特殊天象如慧星相撞、百武慧星和海尔—波普慧星等，均拨出 时间，对目标天体进行跟踪观测，现在我们看看“哈勃”眼中的太阳系。
　　金星由于金星表面覆盖着厚云的粒子即浓硫酸液滴，使人们长期对它一 无所知。金星表面覆着厚厚的云层，每 4 天云层环绕金星一周。若换为风速， 每秒达 80—90 米，金星自转周期长达 243 天，在几乎没有自转的行星上，刮 着如此强烈的风，简直令人不可思议。这种 4 日循环最初就是由“哈勃”拍 摄金星紫外线图像中发现的，每隔 4 天便会有相同的类型的云出现。
　　火星位于地球紧外侧，被认为是最可能存在生命的星球。与地球相同， 火星也有春夏秋冬四季变化。火星两极有白色发亮的极冠，夏季小，冬季大。 火星大气组成几乎都是二氧化碳，极夜的低温使大气中的二氧化碳冻结为干 冰，夏春干冰逐渐融化，极冠缩小。“哈勃”定期对火星展开观测，其高分 辨率的火星照片宛如气象卫星摄得的地球图像。
上星观测过土星的人一定都会为土星美丽的光环所倾倒。最近“哈勃”
对土星的观测已经证实土星环由无数小的碎冰块组成，由于土星远离太阳， 周边温度相对低，故冰块不会蒸发，但会有少量升华，由于带电粒子与尘埃 的碰撞而消失，也就是冰块逐渐分解为含氢、氧的分子从环中消失。且观测 表明大约每一秒钟有 3000 千克的质量从环中消失，按此速度，10 亿年左右 环内将没有冰块。
冥王星是太阳系中离太阳最远的行星，也是最小的行星，由于冥王星离
得太远，而其卫星又离它很近，所以在地球上即使用最好的望远镜也无法把 它们分辨开，但“哈勃”的宽场行星照相机 2 型捕捉到以前从未看见的冥王 星表面情况，可以看冥王星表面有巨大的明亮或暗弱的斑点，目前尚不清楚， 但这些明暗的斑点或许就是氮霜，或是覆盖在表面上的环形山。
木星是由氢、氮无素构成的，直径为地球 10 倍以上的巨大行星，表面覆
盖着厚厚的氮云。“哈勃”跟踪观测到了伽利略卫星，和本卫一“伊奥”、 木卫二“欧罗也”、木卫三“伽尼米德”和木卫四“卡利斯托”，它们是由 冰和岩石组成的卫星，表面有环形山和冰裂缝。
　　天王星天王星也是带有光环的类木行星。原来从地球用望远镜拍到的天 王星照片根本找不到环带，即使是“旅行者 2 号”拍的天王星环带也很暗淡。 但“哈勃”拍到的天王星，图像经电脑处理后，原来暗淡的环带得到强调。 海王星海王星是遥远的行星，与其它类木行星相似，也有东酉方向的强 风，但中纬度地区的西风比赤道强，有着与木星，土星不同的大气循环。海 王星也有象木星大红斑那样的巨大气涡，称为大暗斑，最近，“哈勃”不时
对海王星展开观测，发现该大暗斑已经不存在了。 小行星在土星和火星轨道之间，分布着许许多多的环绕太阳公转的小行
星，最大的谷神小行星直径仅为 500 千米左右，相对于地球而言，不过是星 点，因此无法获得更多的信息，不过现在已使用一些新的观测方式来了解小 行星的形状和表面及周边情况，甚至发现小行垦也有卫星。手段之一是测量

小行星在大小及周边情况通过小行星遮掩恒星的机会；手段之二向小行星发 射激光，解析来自表面的反射光；手段之三是利用“哈勃”观测小行星。慧 木相撞，1994 年 7 月“苏梅克一利维 9 号（缩鸟 LSL9）慧星撞击木星引起全 世界的关注。“哈勃”拍下了这一撞击事件，而且相当清晰。慧核撞入木星 后，蒸发的慧星的物质由于汽包状的爆炸而扩散，在极低温下，再度凝聚， 降落于木星表面，形成痕迹。
　　航天技术是综合性的科学技术，它要广泛地应用现代电子学、微电子学、 无线电、自动化、真空、低温、计算机、机械加工，冶金和化工等多种学科 和高新技术。人们通常认为航天技术指运载器技术、航天器技术和测控技术
（地面），下面具体介绍一下它们的情况。
①运载器技术 要想到太空飞行，首先要挣脱地球的引力和大气阻力，因此就需要研制
出速度非常高的运载工具。要发射人造地球卫星，使卫星能绕地球飞行。运 载工具，就必须具有 7.9 公里每秒的速度，这叫做“第一宇宙速度”。要使 航天器绕太阳运行，就必须使速度达到 11.2 公里每秒，这便是“第二宇宙速 度”。“第三宇宙速度”是 16.7 公里每秒。它比音速度快 20～30 倍，它能 使航天器脱离太阳系飞向星际空间。
②航天器技术
　　按运行轨道不同来划分，航天器可分为两类，一类是绕地球轨道运行的， 如人造卫星、载人飞船、航天站和航天飞机等。另一类是飞往月球或其它行 星乃至星际空间的，叫做空间探测器。根据载人不载人又发为两类，载人的 包括载人飞船、载人空间站、航天飞机。不载人的如目前的空间探测器。航 天器要在超高空、强辐射、持续失重和温度剧烈变化的特殊环境中活动，必 须装备成套的能源、操纵、控制、通信、计算、返回和生命保障系统。还要 根据任务装备专用系统。
③地面测控技术
　　因为航天器必须由地面进行跟踪、遥测和遥控，双方必须有十分紧密的 联系。地面测控系统一般由分布在全球各地的台、站、船组成。这些台、站、 船都具备非常先进的高级的中子设备。
好了，写到这儿，青少年朋友们，你们现在对航天方面的最新科技动态
有一定的了解了吧！希望你们能够对它感兴趣。

第二章 走进奇妙的医学
——医学天地

第一节 远距离外科手术


　　青少年朋友们，当你们生病的时候，你们一定会上医院，可当你的病很 严重的时候，就需要手术治病了，可是你们有没有想过只用在家中就可以接 受治疗，而不用去医院，那么医生也能就在医院里给你做手术，而不用出门。 现在这些梦想已经实现了，只是有一些障碍。
　　远距离医学这一术语是指使用计算机技术和远距离通信来代替病人与医 生接触（面对面）。1996 年范德海登在比利时为远在 140 公里以外的一个病 人诊治疝气，他的设备是与一个机器人手臂相连的一根操纵杆和一个计算机 屏幕。英国伦敦帝国学院的戴维斯已建立了一个远距离机器人系统，这个系 统除了给外科医生提供监测反馈外，还有一个控制系统监测对于手术刀的阻 力。此举提高了医生对手术的控制能力，因为系统把仪表上医生的动作转换 为手术刀细小而准确的动作。
　　世界上有些地方现在已经采用远距离放射学了，从 1994 年起，中东和部 分亚洲地方的病人已经能利用美国的一家远距离医学公司 “关怀”
（wellcare）提供的远距离放射学技术服务向马萨诸塞州总医院进行咨询。
wellcare 能在靠声波进行传送信号的电话上用 6 分钟传送一个 X 射线照片。 远距离皮肤诊疗也相当有实用价值。如在威尔士中部的波厄斯那有 8 个 家庭医生的做法是使用台式电视会议设备把病人的皮肤情况传送给 50 英里
外的一位顾问，这样做可以减少等待和旅行。
　　另外还有许多分支可以利用远距离医疗，虽然远距离医疗面临着经济、 技术、社会、职业等方面的问题，但技术上的进步和扩大提供卫生保健的范 围的要求很可能刺激远距离医学的长足发展，到那时，我们就会看到有许多 许多组非常非常优秀的外科医生，他们全部集中在世界的各个地区，并拥有 全世界最先进的遥控示范手术室，为世界各地的病人治疗。这样不仅会节省 财力，物力、时间，还会拯救无数宝贵的生命。
　　　　　　　　第二节 医学方面的新突破 一、医学界在癌症的突破
1.光促疗法（DOT）
这是一种药物疗法，即给病人注射一种能积聚在癌细胞中的光敏药物
photofrin。
　　实验证明它对癌症有极好的抑制作用，DOT 不仅仅是一种癌症疗法，因 为它所使用的光敏药物积聚在任何生长迅速的细胞内，而不仅仅是癌细胞 内，有关人员认为它还可以被用于从牛皮癣到退化性眼疾的许多疾病。
　　美国人弗良西斯 6 年前患了食道癌，如果做手术，他的大部分食管将不 得不在手术中除去，这样他就无法再正常进食了。幸运的是，他选择了光促 疗法，医生给他注射了 photofrin，三天后，医生再用一种低能红色激光辐
照 30 分钟，经过一段时间，他的癌症已经消失，并减轻了其长期胃部的灼烧 感。他自诩：“我能吃干辣椒和任何我想吃的东西”。

　　这听起来像奇迹，可事实正是如此。这种疗法得到了日本、美国和西欧 的支持，正式用它来治疗早期肺癌，食道癌、胃癌等。
　　与传统的放射和化疗相比，光动力疗法的副作用少，这是因为目前所用 的光敏药物只累积于生长异常的癌细胞，故可以避免传统疗法的常见不良副 作用。
　　但光动力治疗也有副作用，它可以使患者皮肤发生光敏作用，以 phltofrin 为例，患者在接受药物注射后 4—6 周内必须避免直接曝晒太阳， 直至人体完全清除体内药物为止。
2.用感冒病毒治癌 美国科学家在美国临床肿瘤协会的会议上报告说，用感冒病毒治疗晚期
癌症病人，可以使部分人的病毒得到缓解。这一发现可望开辟药物治疗癌症 的新途径。
　　大部分肿瘤细胞恶变的一个主要特征是细胞中的 P53 基因产生变异。美 国休斯敦安德森癌症研究中心的研究人员先将引起感冒的腺病毒弱化，再将 正常的 P53 基因注入这种病毒中，然后把这种改造的腺病毒注射到 20 个晚期 肺癌病人体内，5 个半月后，在同时接受基因治病的 9 个病人中，8 人病情稳 定， 1 人肿瘤缩小。
加州奥尼克斯制药公司也在 P53 蛋白上取得突破性进展，该蛋白质的功
能非常特殊，一旦发现细胞中有外来的或被破坏的 DNA，P53 就阻碍细胞分裂 并启动细胞的自杀机制，使该细胞自动消失。而感昌的腺病毒恰好与 P53 蛋 白有密切的联系。该种病毒感染细胞之后就会诱使细胞分裂、复制，以使病 毒可以继续感染分裂出的细胞。细胞一旦进入分裂状态，P53 蛋白质就会发 挥作用，阻碍分裂并促进细胞的自杀。而且这种腺病毒，它带有一种基因， 使其在正常细胞中无法复制，当它进入癌细胞时，就可以向 P53 蛋白质传递 一种化学信息，使它暂不启动细胞的自杀基因，以赢得病毒的自我复制的时 间。
3.Angiostatin 抑制剂治疗癌病法。科学家目前识别出了一种继发性的
天然产生的血管形成的抑制剂——Angiostation。angiostation 通常为血凝 蛋白的一种碎片。它可以阻止血管的生长，那么它能否用于阻止癌症生长呢？ 为了找到答案，科学家对肺癌的小鼠进行了。Angiostatin 实验，结果是小 鼠的肿瘤停止了生长。但是人们很难从血凝蛋白中提取 Angiostation。他们 正在努力开发生产的新方法，最近科学家中推出了将血管形成基因插入细菌 中，让这种细菌产生蛋白质。这种血管抑制剂仅对细胞起作用，健康的正常 血管将保持完整，而肿瘤将被抑制。这种抑制剂似乎还是具有许多其它惊人 的优点，当治疗与血管形成的抑制剂联合应用，对肿瘤更有效，在氧存在的 情况下，可以产生催毁细胞的毒性游离基，会使化疗更有效。
　　最近抑制肿瘤血管生长的研究取得了突破性进展，肿瘤学家不是试图找 出抑制特殊生长因子（这种特殊生长因子刺激血管形成）的物质，而是开始 考虑想获取什么，即想出针对血管本身的方法。
　　一种想法是，使用抗体阻滞某类物质，这类受体帮助指导解放周围的血 管生成。迄今，科学家在生长期血管的细胞上至少识别出两种这类受体，他 们认为这类受体将成为上述策略的理想目标。“ ENDOGLIN”和
　　“INTEGRIH”受体通过结合于周围组织的分子而发挥作用。科学家们不 断对这种抑制剂研究，期待着其早日攻克癌症。
　　
4.用于抗癌的基因疗法 目前人类对癌症可以采用的几种主要疗法是——外科手术、放射疗法、
化学疗法——仅能治愈一半。这一严酷的事实促使人们努力寻找癌症的其它 新型疗法——基于癌症的生物学机制的新型疗法。为此人们把注意力转向了 基因疗法，即把具有潜在抗癌作用的基因导入患者体内的方法。
　　研究人员最初探寻基因疗法，是为了治疗那些代代相传的遗传指令缺陷 即突变引起的疾病。大多数癌症并不是以这种遗传方式得病的而是起因于已 获得的突变，这类突变产生于吸烟或大剂量放射等外部因素，也有纯粹是因 为恶运临头所致。随着时间的推移，这些突变在细胞内累积起来，最终使细 胞变得无法控制自身的生长，而癌症正是由这些失控引起的。
　　一般来说，基因疗法是以 DNA 顺序为形式的指令使之导入患病细胞，从 而使之产生某种有治疗作用的蛋白质。这种疗法之所以可行，是因为病毒、 细菌、植物和人类都拥有相同的遗传密码，研究人员在短时间内，就掌握了 关于某些基因如何支配基本生命过程以及它们如何促成疾病的大量知识，由 于一个物种的基因能被另一种物种解读并理解，研究人员在设计新的疗法的 过程中，就可以使基因在细胞和物体间转移。
　　用于治疗癌症的基因有多种，有些基因疗法将能产生有毒分子的基因传 递给癌细胞，当这些基因表达（即被细胞用来产生蛋白质）时，产生的蛋白 质随后会杀死癌细胞。其它一些基因疗法的目的在于修正或校正后天性获得 性遗传突变，还有一些基因疗法则试图激活这种过程，缺陷通常依靠这过程 能得到修复。
虽然大多数基因疗法眼下还必须用最初步的临床试验，以证明其安全性
和治疗效果，除了预示实用疗法的希望外，基因疗法目前已经帮助医生评估 了现有的疗法。近几年来，医生们依靠骨髓移植来治疗对传统疗法没有反应 的癌症，做了骨髓移植之后，患者因接受了储存的自身骨髓而“得救”。而 原有超高量放疗和化疗会破坏正常的骨髓，这种攻击性的治疗不仅能杀死癌 细胞，也能杀死患者。从理论上说骨髓移植可以治愈白血病。
研究人员研究出一种促进免疫系统攻击癌症的方法，即所谓的免疫疗法
或疫苗疗法。由于免疫作用是一种全身性的反应，它有可能消除患者体内的 所有癌细胞，即使是在癌细胞已从原始癌肿部位转移或又重现的情况下。
最近，基础免疫学方面的研究已显示出一些揭露这类癌肿的手段和方
法。尤其是，一些看来可以用基因标示出的癌细胞，使之更容易被免疫系统 发现。而且，一旦被激活，免疫系统甚至时常还能发现那些未加标记的癌细 胞。
　　免疫反应涉及许多不同的细胞和化学物质，它们共同发挥作用，以一些 进方式催毁进入机体的微生物或受损细胞。免疫系统被激活后，B 淋巴细胞 就会产生称为“抗体”的分子。这些分子在体内巡查，并与外来抗原结合， 从而标示出带有抗原的细胞，以便于免疫系统的其它成分将其摧毁。
　　目前正在广泛得到试验和检验的一种基因疗法是要用细胞，因为编码的 基因来修饰患者的癌细胞。首先，患者的癌细胞被取出来，然后研究人员在 这些癌细胞中插入生成细胞因子的基因，如 T 细胞生长因子“白细胞介素 2” 或称为粒细胞——巨噬细胞集群激活因子”的树突细胞激和素，此后再将这 些已被变性的癌细胞注回患者肌肉内，这些对癌细胞很警惕的被激活的细胞 会在体内循环而攻击其它癌细胞。然而这种疗法的临床研究还处在初级阶
　　
段，这种新的抗癌疗法研究过程是一个非常复杂而又漫长的过程。 预防性免疫法又是一种新型的基因疗法。我们用来基于抗原的癌症疫苗
需要进行基因转移，当用于容易被免疫系统选取的细胞上时，这种疫苗的效 力最好。如科学家用一种外来抗原编码的 DNA 片直接注入肌肉组织，能够在 小鼠身上引起对该抗原的强烈的免疫反应，这说明外来的 DNA 进入了小鼠的 肌肉组织，便产生了不少 DNA 的蛋白质物质。这些免疫成分在体内巡游，准 备对带有激活性抗原的细胞进行攻击。
　　相同的基本方法正在对防治多种传染病的疫苗的研制工作产生革命化的 影响。当这些 DAN 免疫法用于抗癌试验时，针对新发现的癌肿抗原的基因便 通过疫苗或已作去毒处理的腺病毒粒子或裸 DNA 一类非病毒基因导入系统直 接导入体内。
　　还有一种用于抗癌的基因免疫疗法，目前还在作临床试验，它涉及到抗 体。由于各个抗体的区段具有很强的可变性，这些分子的专一性很强，它们 能区分外来或突变的抗原和与之非常相似的自身抗原之间极其细微的差别。 正如事实证明那样，专一的抗体分子天然存在某些癌细胞的外膜，它们专门 产生抗体分子。由于一个细胞系或一个细胞无性系只能产生一种专一的抗 体，由这些细胞构成的癌肿就都含有同一种专一的角膜分子。这种抗体随后 便能提供一种独特的分子标记。正是这种分子的标记使癌细胞有别于相似而 非癌的产生抗体的细胞。遗憾的是，这种抗个体基因抗体的产生十分费力又 麻烦，因此，即使使用这种方法能有效提供各种治疗，其的应用也是有限的。 尚在研究的另一种双重打击式免疫疗法把抗体同 T 淋巴细胞连接起来。 一些罕见的患者的 T 细胞确实能识别出来。但这些患者的 T 细胞通常攻击自 身的癌细胞或者具有同一种癌症和组织类型的一小部分病例的癌细胞。此 外，人体很少产生抗癌肿的抗体。在某些情况下，这些小鼠的抗体能同一根 试管中一种癌肿的几乎所有的癌细胞结合，即使这些癌细胞是采用患有同一 种癌症的多个不同的人类个体。然而，这些小鼠的抗体常常不能有效地杀灭 人体内同样一些癌细胞。即使这些小鼠的抗体确实是具有杀死患者体内癌细 胞的活性，这种免疫反应所持续的时间通常也是非常短暂的，因为患者体内
很快便会产生出失活的抗该小鼠抗体的抗体。
　　因此，很长时间以来，肿瘤学研究人员一直希望能够找到一种方法，将 鼠类的抗癌抗体的寻靶功能同人类 T 细胞的杀伤功能结合起来，遗传重组DNA 技术为此提供了必要的手段，研究人员已从小鼠细胞中成功地分离出了抗癌 抗体的基因，并将它们的部分同 F 述基因的节段重组起来，这些基因是为杀 伤性 T 细胞用来识别靶标的受体编码的。这些具有嵌合力的 T 细胞变体重新 武装的杀伤性 T 细胞确实在试管中非常有效地杀灭了癌细胞。
　　除了免疫疗法以外，人类还可以利用其它遗传阵线同癌肿作斗争，科学 家们已经知道一些突变与具体的癌肿类型有联系。其它一些缺陷则出现在多 种多样的疾病中，此外，突变还有许多不同类型。一些突变能激活致癌基因， 从而导致细胞的生长失控。其它一些突变，则导致人体丧失正常的阻止细胞 生长的失控能力。
　　人类癌症的抑癌基因中其突变常见的之一是 P53，这种基因的蛋白质产 物正常情况下监控着细胞分裂时细胞内 DNA 的活动，若是该基因有缺陷，则 P53 蛋白质会停止细胞的分裂活动，直至这种缺陷被修复或引起细胞自灭即 凋亡为止。当 P53 一份正常拷贝被重新导入组织培养物中癌细胞时，这些细
　　
胞或是恢复较为正常的生长模式，或是自我毁灭，这两种结果之中任何一种 都有利于癌症的治疗，因此，人们已付出极大的努力，来创造将正常 P53 基 因导入人体内正在生长的癌细胞之中的方法。
　　自杀性基因疗法又是一种新型的疗法。即用一种疱疹毒的所谓胸苷激酶 的基因导入患者患癌的脑细胞中，这种胸苷激酶能将在其他情况下无毒的药
物 ganeiclicic 转化为一种有毒的代谢物（即副产物），人们发现，上述这 种有毒代谢物能够杀死正在分裂的癌细胞。在某些癌肿中，它还杀灭相邻的 癌细胞，这种有毒代谢物从产生它的细胞通过间隙连接——供小的化合物在 细胞内流动的通道——扩散到与之相邻的细胞。
　　目前研究人中正在探查一系列的基因的摧毁人体免疫缺失病毒的能力。 一种带有所谓“显性负性突变”的基因类型能够产生人体免疫缺失病毒，通 常为了自我复制而产生的蛋白质无活性变型。当受到感染的接受了治疗的细 胞产生出这些表面上相似的蛋白质型式时，经变性处理的蛋白质就会使其正 常的同等物犯错误—或是通过与之结合，或是通过在分子处理的反应中取而 代之。
　　导入体内的基因会被转录为短股 DNA，它们同基本的病毒的对照 RNA 极 为相似，目前研究人员正在评估将基因导入体内的价值，这些 RNA 引诱物能 使人体免疫缺失病毒的调节蛋白质结合，并能阻断其作用。被转录成降解病
毒 RNA 的 RIBOZYMES（催化性 RNA）的基因或许同样能够阻断人体免疫缺失病
毒的复制。一种相关的打算是将编码寄主细胞所形成的并同人体免疫缺失病 毒粒子相互作用的蛋白质的基因导入人体，例如，蛋白质 CDA 的可溶性形式 或许能在细胞外同人本免疫缺失病毒粒子结合，从而阻止其侵染在外表面上 呈现出 CDA 分子的 T 细胞。
正在仔细研究之中的其它一些基因疗法能够产生受到感染的细胞内发挥
作用的抗体断片，通过与一些新生成的病毒蛋白质结合，这些细胞内抗体就 能阻止病毒粒子自我组装。在这些基因疗法技术的种种初步探索和研究中， 研究人员才刚开始了解其潜能和局限性。随着我们科学技术的提高，目前不 能实行的一些设想最终有可能成为非常成功的手段。
5.攻击肿瘤细胞的方法
　　我们对癌症的战斗正开辟了一条新的途径，不用采取直接进攻肿瘤癌细 胞的方法，而代之用以某些新的药物去进攻饲养肿瘤细胞的血管，也即断绝 癌细胞的血液供应。美国科学家正在研究集体从事抑制血管演变——这种过 程使新的毛细血管演变——这种过程使新的毛细血管成长起来，去供应肿瘤 之类的组织。抑制血管演变是当前治疗癌症的巨大希望之一，为达成此目的 而设计的药物至少有 9 种已在临床试验中，还有许多则处在早期发展阶段。 他们研制的药物 angiosgatinn 和
　　ENDOSTATIN 不仅能使某些肿瘤缩小乃到消失，而且有望在所谓第二代的 癌症受到控制。这两种药物都是从内皮细胞中的其它功能效力的较大蛋白质 剪落出来的碎片，ANGIOSTATIN 是由一种促使血液凝块的蛋白质制成 ENDOSTATIN 则取自胶原——一种帮助血管壁胶合并给予弹性的蛋白质，它们 能阻止内皮细胞形成的血管。
　　使用基于 ANGIOUSTATIN 和 ENDOSTATIN 之类分子的药物去治疗癌 症，明显优于目前的化学治疗。除了免去副作用以外（既然只有内皮细胞受 到影响，其它正在生长的组织能够继续干他们的活）还使肿瘤无处逃遁。
　　
　　传统的化疗药物使用一段时期以后常常会停正其作用，因为它们所攻击 的肿瘤会产生抵抗力，使癌细胞迅速复制自己，由于它们常常丢失保证忠实 复制基因的标记和平衡，则更倾向于具有很高的突变率，这样若干时间以后， 一个对病人服任何药物具有免疫力的细胞就会上升，但是，如果药物只是指 向正常的内皮细胞，这种情况就不会发生。因为所用的细胞是健康、正常的， 正如人类的战争中，守纪律的士兵接到命令后，每次都会击败一群乌合之众
的。
　　现在，各种癌症的治疗方法不断被人们发现，相信在不久的将来人类能 攻占这世界性的大难题。
二、艾滋病之谜的揭开
　　现在医学界有两大难题一个是癌症，另一个就是艾滋病。关于艾滋病， 相信大家都知道不少，其惊人的扩散速度令世人目瞪口呆，在吃惊之余，人 类没有忘记去持续研究攻击它的方法，使这个全球大瘟疫在地球上不再横行 霸道。
　　知己知彼，才能百战百胜。若不了解敌情，则很难在战斗中取胜。目前 艾滋病研究人员正面临着这种情形，为了检测 HIV 感染程度，研究人员被迫 依赖二级标记物，如：感染者体内的特定免疫细胞。
关键性的免疫细胞是 CD4 细胞，它是 HIV 进攻的目标，HIV 逐渐缓慢击
败患者体内的免疫系统，通常 CD4 细胞随之减少。所以科学家们为直接检测 病毒负荷（每毫升感染者血液的 HIV 数量）的试验法感到十分兴奋，为了计 算病毒负荷，研究人员现在可对血样中的病毒 RNA 进行计数。HIV 在 RNA 的 上而不是在 DNA 的上存储遗传信息。
他们希望，监测病毒负荷变化能使他们更迅速，更精确判断出治疗艾滋
病新药的有效性。用于 HIV 的 RNA 可能不能马上应用于临床，但科学家实验 表明，病毒负荷低可延缓 AIDS 进展。诸多研究有力的证实，减轻病毒负荷的 药物疗法有利于延长感染者的强健时间。
RITONAVIR（利托纳弗）为一种蛋白酶抑制剂，这类化合物攻击病毒的蛋
白酶，蛋白酶为一种小的具有多种用途的酶，HIV 依靠它制备复制所必须的 蛋白质，它可以治疗晚期艾滋病。在常规治疗方案中加用利托弗纳可明显减 缓疾病进程，降低死亡率。这种药物方案均可提高患者 CD4 细胞的计数，它 可以使病毒负荷减轻到监测不到的程度，这一点相当重要。
还有一种疫苗法可用来抵抗艾滋病毒。这一发现是在 15 年前一位不知自
己接触了 HIV—l 病毒的男子给澳大利亚红十字会献血之后产生的。很久以 后，公共卫生组织发现被输入其血液的人均没有一人因感染艾滋病而死亡， 事实上他们的免疫系统就象从来受过 HIV 病毒侵入一般一样健壮，这是什么 原因呢？
　　最近科学家终于揭开了这个谜。他们认为这位卖血者感染上病毒，而后 又传播病毒在其遗传正本上有缺陷，它们的表达显然是无害的。他们推测， 这种“软弱无能”的 HIV 甚至是一种保护其携带者免遭这种病毒更致命的菌 株侵害的天然接种物，就象当年 18 世纪挤奶女工用牛痘感染而预防天花一 般。
　　如果这种预感被证明是正确的话，那么它将成为遏止 20 世纪末最可怕流 行病的里程碑。因为除了感染了 HIV 病人不发病这一解释以外，一种功能有 如疫苗的病毒菌株的发现更具有深远的意义。
　　
　　这种 HIV 菌株已引起许多科学家的注意，HIV 是一种脆弱的并有可能激 发抵抗它的有效的免疫力，而且在据信促进病毒复制的一枚基因中含有明显 的变态。事实上，这种病毒正在失去大量这种特殊的基因——被称为 NEF， 是否定因子，很难想象这种基因何以能够执行任何有用的功能。这种病毒保 持着感染 T 细胞——对免疫系统抗感染能力至关重要的白血细胞——的组织 能力，但它复制自身的拷贝以至最强效的分子工具能推测出它的存在。
　　科学家们真正需要的是一种能完全预防感染的疫苗，脱去了 ncf 和遗传 物相邻部分的 HIV 本身能给这种疫苗提供成分。多数研究人员认为唯一谨慎 的战略是调制一种混合疫苗，把将有艾滋病毒失效的重要特征都装入一种比 逆病毒更良性的病毒内。
　　利用人体的蛋白质抑止艾滋病病毒。科学家们最近找到了能够抑制艾滋 病病毒在受感染的细胞内复制的一个蛋白质的四孢子。这个发现是艾滋病研 究的重大进展，它可能导致新的治疗方法，还可能提供线索，为有些人之所 以能够长年地成功地抵御艾滋病发展作出解释。
一种叫 CD8 的免疫细胞能抑制在附近的 CD4 细胞内的艾滋病病毒的复
制。CD4 是受到滋病病毒感染，并被病毒利用来进行复制的免疫细胞。
　　在 CD8 细胞中能分泌出一种（或几种）能阻挡艾滋病病毒的可溶分子。 CD8 细胞只分泌出少量的这种有抑制功能的分子，而且这些因子的主体很难 捉摸，不过现在已经鉴别出这些难捉摸的因子中的一个是细胞介素一 16（IL
—16）。这是一种能吸引 CD4 的蛋白质，它们能调动免疫细胞对付发炎反应。
这些蛋白质—rantesmipl—α和 mipl—β在实验室的细胞培养中对艾滋病 的再生能力有明显的抑制作用，这三种蛋白质分子同时作用，不但可以使艾 滋病病毒停止活动，而且不会伤害受感染的细胞。这些蛋白质分子附到了 CD4 细胞内部后会发出停止复制病毒的命令信号。
和其它可能研制出的抗艾滋病的药物相比，这 4 种蛋白质的抑制病毒的
能力是相当不错的。不过这种抑制病毒的复制能力的蛋白质是否具有一种天 然的抗病毒功能正处在研究阶段。
抗艾滋病病毒的 DNA 分子疫苗，据英国新科学在 1997 年 5 月 3 日报道，
一种环形 DNA 分子疫苗首次使用灵长类动物免受大剂量艾滋病病毒的感染， 这种疫苗很容易制备，而且可以用于对付各种不同的株系的病毒。
科学家们五年前的动物实验就表明，注射有病毒基因的环状 DNA 分子对
活性病毒有免疫能力。这是因为 DNA 分子能像病毒一样利用宿主细胞合成病 毒蛋白，从而激活了免疫系统。这种疫苗能在人体中起好的作用，这无疑是 为战胜艾滋病指出了一条新途径。目前，测试其对人类安全性的小型临床试 验正在进行中。
　　不过上述种种治疗艾滋病的疗法还没有完全、彻底地根治艾滋病，但它 们给人类带来了光明。它证明人类有能力克制艾滋病，并且会为它继续努力 奋斗，直至把这个可怕的世界传染病从地球上赶走。
第三节 医学界的新疗法 一、在跳动的心脏上做手术
同学们，你们听见这个说法一定很吃惊吧！你们谁也没有想到要在跳动

的心脏上做手术吧？现在人类已经可以利用激光在心脏上做心脏手术了。现 在讲讲这种新型疗法及其先进的技术。
　　我们都知道冠心病是世界上的第一杀手，它最常见的原因是动脉栓塞， 美国每年有 150 万人中风，其中三分之一是因此而死。
　　现在对冠状动脉栓塞的一些做法是外科手术，如心脏外科搭桥手术、脉 管扩张以及服药。在做外科搭桥术时，一般从病人腿上取血管，然后移到病 人心脏，以绕过栓塞的血管保持正常供血。这种手术一般要花 4—6 小 时，在肋骨之间开一个相当的口子，使心脏停止跳动，用一个心肺机器作血 管体外循环以维持生命，还要输血，手术完毕后再使心脏重新跳动。
　　对于脉管扩张手术，外科医生只要在大腿上打一针，把一个尖端有能充 气的小球导管塞进狭窄的动脉中，然后使汽球膨胀，以便血管扩大增加血流 量。
　　但上述两种解决办法均非长久之计。根据美国心脏学会的调查报告，一 次典型的心脏搭桥术可维持 8—10 年，而所有脉管扩张手术在三年内都需要 重新再做。
　　现在美国已经发明了一种新的方法来治疗心血管栓塞和心绞痛，这种办 法就是用激光来进行手术。手术不是搭桥，也不是扩大堵塞的动脉管，而是 从心脏里面直接引血给缺氧的心肌组织。
这种手术叫“贯穿心肌激光血管再造成形手术（TMLR）”。它可以为跳
动的心脏做手术，时间只需一两个小时。外科医生用二氧化碳激光在心脏左 心室的心壁上气化二三十个直径为 1 毫米的小孔，心脏内的血液充满这些细 管，直接流向心肌缺氧的组织，而心脏外壁上的孔很快就会愈合。
发明这种新技术的医生是美国威斯康辛州密沃基城的马赫莫德·米罗山
尼和他的妻子玛丽·凯顿。现在已经有些病人采用了这种治疗并且效果显著。 例如，前世界马拉松赛手雷·米切尔由于心肌血管梗塞连一个街区也走不下 来，有一段时间他只能卧床，但现在他可以打高尔夫球，而且一天能在步行 器上行走 45 分钟。还有一位 65 岁的阿拉商人马·巴拉凯拉，原来患严重的 心绞痛，常常会因走几步路而引起胸部疼痛，现在已经完全痊愈。他们都是 该种治疗方法的受益者。
这种手术的关键在于激光瞄准何处以及何时打出激光的。医生给病人注
射容易被健康的心肝细胞吸收的化学性放射药品，这样他们就能找到有病的 心肌组织，缺血的部分在图像扫描仪上和健康组织呈现出鲜明的对比，医生 在准确认定缺氧的心肌组织后，在肋骨之间切开一个 10 厘米左右的切口，露 出左心室，接着便是要决定什么时机打出那 1000 瓦特的能将肌肉组织气化的 激光。在医生的指挥下，有一架和病人心跳同步的电脑等待着不到 1/20 秒的 心跳间隙，只有在这样极短暂的间隙的时间里，才能打出激光。左心室里的 血起了阻挡物的作用，防止了有过多的能量损害附近的心肌组织。
　　对做过这样手术的，但后来又死去的病人的心脏进行了详细的检查，发 现用激光打的细通道内，长出了和天然血管内壁同样的细胞组织。
　　如果这种手术在实验性阶段证明安全有效，那么它就可代替目前复杂而 又昂贵的心脏搭桥手术，这无论是对病人和保险公司来说都是一个极大的福 音。
　　可是这种利用激光在心肌上形成新血管的技术是全新的，因此还需要进 一步的完善和检验，但是这种疗法无疑是一种可取之法。
　　
二、人造血技术
　　当一个人因意外事故而受到损伤，流失大量血时，医生就会先给他止血， 然后再向他体内输送鲜血。然而血液中往往带有各种各样的疾病，通过输血 而染上艾滋病或传染性肝炎的人现今在美国至少有 9000 例。因此人们开始不 得不怀疑能否安全使用那些令人感到威胁的输血，然而血液代替物则可以通 过改造过时的血液或合成制得，那些不由人类血液得到并可大量生产和利用 的产品则可能成为最终解决使用效率和消毒问题的最好途径。
　　当一个病人大量失血后，可以使用高压液体（血浆大量扩散）或生理盐 水来补充。但是，作为一种有效的血液代替物，它们缺少最关键的属性：载 氧活性。没有它，病人甚至不能正常呼吸，因为氧气不能从肺到达它所需要 的组织去。
　　作为血浆的代替物人造血来说，制造一个比较小的化合物比造血红蛋白 遗传便宜和容易得多。期望使用全氟化碳乳胶液等无血红蛋白的供氧代理品 取得的成就就非常有限。全氟化碳并不是自己运输的，只是从孔胶液中提高 氧气在血液中的溶解度。当在正常空气（空气中含 20％的氧气）中呼吸时， 由于乳化物的排泄和供氧不足，使得它们并不能成为有效的血液代替品。相 反，它们可以用于捐献器官，以便在手术前保证它们有充足的氧气。
目前制造有效的血液代替物的途径包括通过基因重组改修血红蛋白，使
它能够在红血红胞之外起作用或设计一个完全不同的氧气载体（最好比较简 单），监测载氧能力的有效性，血液代替物在循环中的保留和在临床医学分 析方法上的干扰是完善合理的设计药物的一部分。据布法罗的纽约州立大学 的罗伯特 ZZ.洛贝尔说：“直到现在天然血红蛋白的自身结构是怎样影响它 的载氧属性的问题还是不十分明白。”现在他们正试图研究氨基酸对血红蛋 白和氧的亲和力的影响，研究组通过 X——射结晶体测定仪观察在高氧，低 氧亲和力条件下基因变化引起的结构变化以及运用分光度计进行氧气链合动 力学来判断哪种氨基酸以及位置对蛋白质功能的影响最大。
分光光度计用来监测血红蛋白动力学，因为当蛋白质氧气状况改变时，
它的吸收光谱显著是在 480—640 纳米间发生变化。富氧，脱氧或功能失常的 血红蛋白有着明显的光谱图像差异，可以用来计算氧气在血液和其它溶液中 的饱和百分点。简单的分析病人血液的临床血氧计通过监测一定波长来计算 氧气的饱和度。这些波长是根据每克分子氧合或非氧合血红蛋白具有一样的 吸光度和这两种相差较大的种的克分子吸光率相差较大得到的。许多改进血 氧计也能监测非正常的功能血红蛋白的波长以及其它一些干扰，例如染色、 混浊和变态的蛋白质的波长。
　　他们完成的每一个血红素分析是在特定的单位中合成包含非氧键合金属 取代卟啉的杂交血红蛋白分子。因此，不活泼的单体维持名义上完整的四间 体物理环境，因为它们没有协同效应。也就是说，个别具有血红素的单体的 氧合动力学能够进行分光观察，这个方法可以帮助研究者去发现单体之间是 怎样相互作用的。标准的合光光度键合动力学的研究有助于判断在无细胞介 质的情况下一个修饰过的血红蛋白运载氧气的情况。但是，在一个组织中测 定氧气运载非常复杂，非侵入的方法包括使用脉冲血氧计与手、脚及耳垂连 接，可以在体内中测定毛细血管中的氧气。这些仪器被用于外科手术中，尽 管它们遭受组织厚度的干扰，但它们比传统的血氧计或普通分光光度计先 进。它在抽样后不需要任何保障措施保证血液充氧，然而它们仅仅对于测定
　　
血管中的氧气有用，却不能测定组织中的。因为血红蛋白通常不为组织所用， 微电极就被用于测定血管附近组织血液中氧气浓度，但是这个方法需要中极 组织和与周围氧气隔离。
　　为了测定活生物组织的氧气饱和状态，来自美国加利福尼亚圣地亚哥大 学的马卡斯使用含钯卟啉化合物的结合血浆作为一种氧气试探针，并把它注 射入一只活的小白鼠中，小白鼠组织很薄，而且血管和毛细血管可以直接在 显微镜下观察。当分光光度计测毛细血管时，血液流动可以用摄像机监测到。 因此该方法可以用来测定微血管中的含氧度。
　　作为一种血液代替物，修改过的大多数蛋白，甚至给予良好氧气供应及 适合的缓冲剂，仍然不尽人意。通常的，血红蛋白包含于红血细胞中，红血 细胞同时也包含酶，可以在血红素被氧化时修复它的功能，在这些细胞之外， 血红蛋白表现有很大区别：结合氧更紧密，而且更容易降解。
　　尽管单一制造单一单体或二聚体比整个血红蛋白与四面体容易得多，在 实验动物上的肾的功能分析表明：较小的蛋白质在一次循环中被肾脏消除。 因此，那些血液替代物将在几个小时内重新被输入，除开无效处理的问题， 血红蛋白的大量清除给肾造成损坏的危险。为了防止过多血红蛋白清除或降 解，血红蛋白产品必须很大而且稳定。
有些研究人员通过修饰血红蛋白来提高氧键合能力和停留时间，减小毒
斑。然而马里兰大学的罗伯特认为这些修改过的蛋白会导致血小板和红血细 胞聚集以及从循环中移动出来，这就导致血凝固以及大量出血。他提出体外 模拟来审查毒性影响及评估添加物的安全。
最新的一个发现是，在高浓度、胞外的血红蛋白可以导致血管的收缩—
—可以作为止血的正常生理结构。许多胞外血红蛋白的商业产品在临床试验 中出问题，因为它引起病人高血压和过度紧张。这种血管收缩可能是由于血 红蛋白含 NO 造成的。
现在许多人正探讨在一个模拟红血细胞包裹中的血红蛋白的胶囊产品，
它可以防止侵蚀和外界危害。四、五个制药公司也正进行聚合或胶联血红蛋 白的临床安全试验。
另外一些人正试图为器官和血液代替物改计为一种更有效的全氟烷的化
合物。而且少数研究者正探索使用非蛋白的氧气、运输载体的可能性，例如 人造血中含血红蛋白的环糊化合物。
总之，无论这些方法是否有用，不危及安全的人类血液的工作仍然值得
去做。另外一些分析问题，例如稳定性、纯度性以及耐储性也必须在人造血 代替物进入市场前解决，因此我们需要发明新的分析手段，才能解决上述问 题，才能着手于新的血液代替物的生产和研制。
三、冷冻技术
　　近年来，冷冻科技有很大的突破。最近南非研究人员已经开发成功一种 冷冻技术可使日后曾经急冻的器官能够移植。
　　此项技术突破使目前心肝肾肺的移植手术不须再与时间竞争，在刻不容 缓的情况下进行。也使不少紧急的捐赠器官因无法立即移植而任其变坏浪 费。
　　如果日后研究证实此项技术使冷冻人体器官得以长期保存，则不难成立 一个由活人捐赠的冷藏器官库，日后不少意外伤害者都将不致因缺乏器官移 植而死亡。
　　
　　在过去的 20 年间，研究者一直在寻找一种能冷冻大型人体器官，而又不 会像水一样结冰膨胀的液体。目前，所有与人体器官生物兼容的液体在冷冻 时所呈现的冻结膨胀作用能破坏细胞膜；而棱角尖锐的冰晶亦能损坏器官的 脆弱组织。因此，不论大小器官组织或细胞，一旦经普通水溶剂内冷冻后， 大都损坏至不能再作移植之用。
　　不过南非的研究者已发现两种可将器官冷冻保存的化学溶液，利用这种 冷冻技术保存的器官在解冻后能完全恢复其原有的生理功能。
　　不但如此，研究者相信上述冷冻技术若可行，将会降低移植器官的排斥 作用，原因是外科医生可预先将损赠器官冷藏，使接受器官移植的病人在手 术前先受捐赠者细胞的“播种”，“播种”作用能大大降低异体器官在移植 后遇到的免疫排斥反应。
　　现在，冷冻学界的其它研究者正密切注视着有关新的发现。南非的冷冻 技术倘被证实可用，则许多人类组织如胚胎、皮肤、软骨、及细胞等均可用 同样的方式冷藏保存。
　　不过，上述技术能否用以保存整个人体仍有待研究。目前，英美各地已 有不少人相信若冷冻技术能安然无损地将寿终正寝的人体保存下来，则未来 的技术可能把被保存下的死人复活。到那个时候，只有在科幻小说中才出现 的冷冻死的复活会成为事实，而上述冷冻技术的突破已使这项不可思议的梦 想有实现的可能。
四、血管生成法
　　同学们，听到血管生成法，你们会很吃惊吧！那么现在我给你们讲讲这 项技术。
一位澳大利亚女学生丹尼尔在 2 岁时曾被吸入充满沸酸水的外排管中，
失去了一只耳朵和致 40％体表三度烧伤。14 年后的今天，一位澳大利亚显微 外科医生在世界上首次采用了血管生成法——通过连接动、静脉使活组织块 得以生长扩大——为丹尼尔“生长出了一只替代耳”。
伯纳德·欧布赖恩显微外科研究院的院长莫里森授施了这个手术。他认
为，血管生成法将很快被用于像肢体和关节等器官从一个个体向另一个体的 移植，而且能使外科医生赋予人造机体部位“生命”。
他还认为，由于澳大利亚对显微外科研究与发展的投入，随着替代耳的
生长，它可能成为世界上进行这种手术的先锋。 莫里森教授从丹尼尔的肋骨中取出软骨将其做成耳朵的形状，然后将这
块软骨埋入丹尼尔的臂中 5 周，并用该臂中与主要血管相辖的一块组织将它
包起来。这使该组织大血管所长出的新血管生成并滋养软骨，有效地使该耳 成活，然后将其与耳相连的血管及其周围的组织分离并与头这侧的血管相 连。
　　丹尼尔为其像“喇叭”一样接收声音，改善其听力的新耳兴奋不已。法 国的外科医生最新也培育出了一个鼻子和眼睑，随之将再利用血管生成术造 其它部位。
　　血管生成领域的下一个重大的突破将是由人造组织取代人机体的组织， 这一突破将在 10 年内实现。科学家们正在向病人的组织中和像金属、珊瑚、 塑料等外来物结合创造一种结构的目标前进，以代替目前从病人身上取骨 头、软骨或其他组织的做法。这样可以减少病人受的伤害并使他们能造出完 美的零件，因为机体内的组织极少同人们要替换的组织完全一样。
　　
　　这些人造组织将由血管长入组织的血管生成法“赋予生命”。新的组织 将被埋在皮下，以使血管生长，然后再将其植入需要它的部位。
　　血管生成法还可以通过选择性地在以后可能移植到适当部位的特定组织 生成血管而改变病人自己的组织。这尤其适用于需要向类似额头的部位进行 移植的薄的组织部位培养。从技术上说，科学家们已经可以将一段肢体、关 节乃到一张脸从一个个体移植到另一个个体，但存在着排斥作用。因为皮肤 比其它器官更可能排斥移植物。
　　心、肺、肾、肝和其它器官的移植在一种常规的基础上进行。必须使用 抗排斥药物。这种移植方式将彻底变革显微外科的工作，而且这种技术对烧 伤者和其它体残的患者的益处是无法估计的。
　　此外这些科学家们还在设计做用于组织再生的生长激素。这项研究将会 给那些身体某一部位丧失感觉或运动能力的人带来希望。我们可以从鼠体中 提取一个含有激素的活细胞，包在一个胶囊中，然后将其植于一受损的组织 旁。这个细胞产生使身体修复该组织的激素，其实身体本来就在制造这些激 素，但植入的细胞更助它一臂之力。血管生成的作用就在于促进这个组织生 长。
　　这种方法尚处于研究阶段，还需数年时间才能获准在人体进行临床试 验。但是像白血病抑制因子那样的激素在美国进行了有限的人体试验。现在 这些科学院的科学家们正在努力帮助人们解决以前无法解决的使生命充满活 力的问题。
五、世界首创的结核菌血液测试法
　　澳大利亚 CSZ 公司即将上市被认为是世界上首创的结核菌（TB）血液测 试法。该测试法将大大改善当今发达国家的结核病患者的前景。
TB 血液测试法提供了抗 TB 的新希望，因为它提供了一种比传统方法快
得多的诊断方法。用以前的芒图皮肤试验需 3 天才能出结果。而做了一项确 认芒图论断结果的培养化验需 12 周。这就意味着一个被感染的人在很长的一 段时间内不被治疗。而且 TB 法比芒里试验提供的信息更多。人们可能会被各
种 TB 感染，包括引起典型结核症状的 MTB 络合有机物和 MAC 络合有机物——
在幼儿、老年和 HIV 阳性病人中引起疾病的 TB 类型。但 TB 却可以做到这一 点。因此，TB 测试可以确保病人迅速准确地得到诊疗，并尽快实施适当的治 疗。这项化验还可以免除过敏患者出现皮肤疤痕的可能。