有一种力深深融入我们的日常生活，以至于我们很可能几乎从未认真想过它：重力。重力是使物体之间相互吸引的力。笔掉落时会落到地上，就是因为重力。但由于引力与物体的质量成正比，只有行星这类大型物体才会产生明显的吸引力。因此，传统上对重力的研究主要聚焦于行星等大质量物体。
然而，人类首次载人航天任务彻底改变了我们对重力如何影响生物系统的认识。重力不仅让我们稳稳站在地面上，还会影响人体最微小尺度上的运作。如今，随着执行更长期太空任务的前景日益明朗，研究人员正努力弄清失重对人体生理机能意味着什么，以及如何弥补这种影响。
摆脱重力的束缚
直到探索者进入太空，地球上的生物才首次在微重力环境中度过一段时间。
科学家观察到，返回地球的宇航员身高有所增加，骨量和肌肉量则大幅减少。研究人员对此深感兴趣，开始比较动物和宇航员太空旅行前后的血液和组织样本，以评估重力对生理机能的影响。在国际空间站这个几乎没有重力的环境中，身兼科学家的宇航员开始研究细胞在太空中的生长方式。
不过，这一领域的大多数实验实际上是在地球上通过模拟微重力进行的。让物体（如细胞）在离心机中高速旋转，就能制造出这种低重力环境。
我们的细胞已经进化出适应重力世界中各种作用力的能力；如果它们突然摆脱重力的影响，情况就会变得古怪起来。
在细胞层面感知作用力
除了重力外，随着人体内部状况发生变化，我们的细胞还会承受其他作用力，包括张力和剪切应力。
我们的细胞需要通过某种方式感知这些作用力。一种广为接受的机制是依靠所谓的机械敏感离子通道。这些通道是细胞膜上的孔道，能够让特定的带电分子进出细胞，具体取决于它们感知到的作用力。
细胞膜上的通道如同守门员，会根据特定刺激打开或关闭，让分子进出细胞。Efazzari，CC BY-SA
这类机械感受器的一个例子是PIEZO 离子通道，几乎存在于所有细胞中。它们根据在体内的位置协调触觉和痛觉。例如，手臂受到捏压时，感觉神经元中的 PIEZO 离子通道会被激活，并接收到打开通道的信号。几微秒内，钙等离子就会进入细胞，传递手臂受到捏压的信息。一连串事件最终促使手臂缩回。这种感知作用力的能力至关重要，能让细胞迅速对环境状况作出反应。
没有重力时，作用于机械敏感离子通道的力会失衡，导致离子异常移动。离子调节许多细胞活动；如果它们没有在该移动的时间流向该去的地方，细胞的运作就会乱成一团。蛋白质合成和细胞代谢都会受到干扰。
失重状态下的生理机能
过去三十年来，研究人员逐步厘清微重力会如何影响特定类型的细胞和人体系统。
- 大脑：自20世纪80年代以来，科学家观察到，失重会使血液更多滞留在上半身，从而增加脑部压力。近期研究表明，这种升高的压力会减少神经递质的释放。神经递质是脑细胞用于交流的关键分子。这一发现促使研究人员对返回地球的宇航员开展常见认知问题的研究，例如学习困难。
- 骨骼和肌肉：太空失重会导致每月骨量流失超过1%，即使宇航员严格遵循锻炼计划也不例外。如今，科学家正利用基因组学（研究 DNA 序列）和蛋白质组学（研究蛋白质）的进展，来确定重力如何调节骨细胞的代谢。科学家发现，在没有重力的情况下，负责形成骨骼的细胞会受到抑制；与此同时，负责分解骨骼的细胞则会被激活。两者共同导致骨量加速流失。研究人员还找出了一些调控这些过程的关键分子。
- 免疫力：航天器会经过严格消毒，以防外来生物传播。尽管如此，在阿波罗13号任务期间，一种机会致病菌感染了宇航员 Fred Haise。这种细菌铜绿假单胞菌，通常只会感染免疫功能受损的人。这一事件引发了人们对免疫系统如何适应太空环境的进一步关注。通过比较宇航员执行太空任务前后的血液样本，研究人员发现，失重会削弱 T 细胞的功能。这些特化的免疫细胞负责抵御多种疾病，从普通感冒到致命的败血症。
弥补重力缺失的影响
NASA 和其他航天机构正在投入资源，支持相关策略，以让人类为更远距离的太空旅行做好准备。如何适应微重力是其中的重要一环。
目前，克服失重影响的最佳方法是通过锻炼，以另一种方式增加细胞承受的负荷。宇航员通常每天至少花两小时跑步和举重，以维持健康的血容量并减少骨量和肌肉流失。遗憾的是，严格的锻炼只能减缓宇航员健康状况的恶化，无法完全阻止。
补充剂是研究人员正在探索的另一种方法。通过大规模的基因组学和蛋白质组学研究，科学家已经找出受重力影响的特定细胞与化学物质之间的相互作用。我们现在知道，重力会影响调控细胞生长、分裂和迁移等过程的关键分子。例如，在国际空间站的微重力环境中培养的神经元，其某一种负责结合神经递质 GABA 的受体数量较少。补充更多 GABA 后，神经元功能得以恢复，但具体机制仍不清楚。
NASA 也在评估，在太空食品中添加益生菌以增强宇航员的消化和免疫系统，是否有助于抵御微重力的负面影响。
太空旅行早期，最初的挑战之一是弄清如何克服重力，让火箭摆脱地球引力。如今的挑战则是如何抵消缺乏重力所带来的生理影响，尤其是在长时间太空飞行期间。
