我们都知道经常进行体育锻炼会使体格健壮．运动生理学也发现，长跑运动员的下肢骨壁要比一般人厚实．自1961年4月12日前苏联宇航员加加林第一次飞向太空以后，人类已有数百次登上太空．太空环境非常有利于半导体晶体的生长，却极不利于人或其他生命的生长．宇航员长期呆在太空的航天器中，由于失重，他们的肌肉会萎缩，骨质会疏松．他们每次回到地面都要地面人员把他们抬出航天器，有的宇航员返回地面后不能站立和行走，有的稍不慎会发生骨折．前苏联一名宇航员返回地面时，竟无力拿起一束家人献给的鲜花．
重力对生命如此重要吗?美国一个科研小组进行过这样一项实验:他们将数百万个人的软骨组织细胞分离，然后将这些细胞在地面上培养3个月，再将其中的一些“栽种”到俄罗斯“和平号”轨道空间站的生物反应器中，生物反应器保证了细胞的营养物供应和废物清除．科学家们让这些活组织在太空零重力条件下生长了4个月．之后，将它们与地面上类似环境的细胞比较发现，活组织在太空零重力条件下比在地面上同类组织长得弱小．沿着这个实验探索下去，生物力学家们发现了应力与生长之间存在着密切的关系．
人类认识组织生长与应力的关系最早是从骨开始的．骨是支撑人类身体的重要器官，从力学角度来看它也是人体最坚硬的组织．人体中共有206块骨头．它们形状各异，大小不同，构成了人体形态及运动的基础．图5－8所示是骨的组成示意．在长骨的两端是两个关节，其外由一层关节软骨的特殊覆盖层，构成了关节的滑动表面．关节与关节软骨之间的摩擦系数非常低，可达到0.002 6，大概是已知所有固体表面中最低的摩擦系数．这为人类关节活动获得很高的效率．骨的外层是一层骨密质，中层是骨松质，当中是中空的，里面有血管与骨髓．在骨密质的外层还有一层覆盖除关节外整个骨头的骨膜，它含有大量的活性细胞，它可以转变成骨细胞，调控骨的生长．
图5－8 骨的组成示意
人类在生活与临床实践中发现，骨的生长与其所受的应力有着密切关系．实际上，应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用，这对于健康和医疗是非常重要的．每根骨都有一个最适宜的应力范围．在这个应力范围内，骨细胞的生长与凋亡是动态平衡的．过高或过低应力都会打破这种平衡，使骨头产生萎缩．例如，在早期的骨外科手术中，医生发现，固定骨头的螺钉在一段时间后经常会松脱，而拧得越紧，松脱也越早．这就是因为太紧的螺钉或螺栓会在骨头内部产生局部应力集中，引起骨吸收，结果使固定松动．因此，现代先进的骨固体螺栓上会有自动应力指示，医生在固定时要拧得恰到好处．
科学家们进一步研究还发现，一定范围的应力能刺激新生骨的生长，这对骨折的愈合是一个重要的因素，这个研究成果彻底改变了骨折的治疗方法．以前治疗骨折，往往是在X光下，医生将折断的骨头对接好，然后再在体外用石膏将其固定，待2～3个月骨折处长好后再将石膏拆除．这个方法虽然可以起到固定骨头的作用，但在拆除病人的石膏时，病肢肌肉严重萎缩，需要长期艰苦的恢复锻炼才能复原．所以古人有“伤筋动骨一百天”之说．现在，掌握了应力与生长的规律后，治疗方案就发生了根本性变化，不再采用石膏了．首先，通过手术用金属支架将折断的骨头固定在一起，这样骨折段的骨头功能就由支架来代替，缝好伤口，几天后患者就要下床锻炼，给骨和肌肉以良好的应力刺激，几个月后再手术取出金属支架，病人就完全康复了．这样，病人虽然经历两次手术，但无论从治疗时间还是从治疗效果来讲都具有很大优点．所以，在临床上正慢慢用此治疗方法取代用石膏的方法．现在宇航员在太空失重情况下，每天都必须做2～3 h规定的体操，这样可大大减少骨及肌肉的萎缩．
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