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20世纪即将到来的时候，达达主义奠基人之一、超现实主义艺术家曼·雷（Man Ray）还是一个孩童，很调皮。有一天，他把一只老鼠塞进一只装满可燃粉末的炮筒，想把它送入太空。但是，点燃粉末后老鼠只飞出了几厘米远。那时候，距离航天时代的到来还有近半个世纪之久，小曼·雷也许是受到了凡尔纳等人的科幻小说的影响，只不过空间环境对生命而言是何等严酷，他那时还一无所知。当然，即使知道，就当时的科学技术水平而言，他也无计可施。
蓝色的天空深邃、美丽，自古以来一直吸引着人类去探索，但是高空环境其实非常严酷，那里非常寒冷、干燥，紫外线和宇宙辐射也非常强，这些因素对任何地球生命来说都是巨大挑战。当我们乘坐飞机在云层上方飞行时，我们也许会认为，在这样的高度上、这样严苛的环境里，除了飞机里的人类，机舱外面应该没有生命能够存活了吧？事实并非如此。
高空的空气中仍然存在细小的尘粒，这些尘粒由生物成分和非生物成分组成，其中微生物约占20%，这一比例甚至比近地大气尘粒里微生物的含量还要高。携带微生物的尘粒可以凭借飓风扶摇直上，最高可达对流层。2010年，研究人员采集了来自墨西哥湾、加勒比海、大西洋和美国本土距地面10千米的高空空气样本，在这些样本里的尘粒中，他们共发现了314种微生物。
高空里的微生物甚至可以影响天气和气候。丁香假单胞菌（ Pseudomonas syringae ）可以在云层高度的天空中存活，它们可以作为晶核，使得水汽凝结为水滴，因此与降水有关，这些微生物是雨滴或雪花形成的重要因素。
在距离地面更高的平流层也有微生物的踪迹，例如，科学家在距地面48—77千米的高空里发现了蝇卷霉（ Circinella muscae ）、黑曲霉（ Aspergillus Niger ）、特异青霉（ Penicillium notatum ），以及分枝杆菌（ Mycobacterium ）、微球菌（ Micrococcus ）等微生物。不过，平流层应该已经是这些微生物所能达到的高度极限，这些微生物无法再凭借大气层的涌动到达更高的地方，除非搭乘人类的航天器。
在距离地面10多千米的高空里，环境已与地面差异极大。当我们越过卡门线进入太空，就会面临更为严酷的空间环境。这里空气非常稀薄，甚至接近真空。除了水熊虫和一些极端菌类，很少有生命能在真空环境里存活。在接近真空的环境里，人无法呼吸，同时由于没有大气压，身体里的液体会在常温下便“沸腾”起来，人在短短数分钟内就会丧命。因此，当航天员和其他地球生命前往太空，必须待在航天器里；航天员如果要执行舱外任务，就必须穿上配备了氧气罐且维持一定气压的航天服，才能短暂地离开航天器，进行太空行走。在科幻小说《月球城市》（ Artemis ）里，生活在月球上的女主角由于经济拮据，买了套旧航天服去考月球导游证，结果航天服漏气，差点死掉。电影《速度与激情9》里，两名配角皮尔斯（Roman Pearce）和特尔佳（Tej）穿着潜水服当作航天服前往近地轨道，这个情节虽然很搞笑，但是完全不合理。
空间里的温度也是非常极端的。在被太阳照射的地方，温度很高，而没有太阳照射的地方，温度很低，甚至可以接近绝对零度。当然，这也与距离太阳的远近有关，比如在火星上或者太阳系中距离太阳更远的地方，阳光的亮度就比地球上弱很多，从太阳到达这里的热量也会少很多。不过，航天员在星际旅行的途中是待在航天器里的，航天器可以提供与地球环境相近的适宜温度。如果出舱，所穿着的航天服可以维持适宜的温度，不需要直接面对空间里无法承受的极端温度。
在远离地球的太空，重力其实并没有消失。之所以环绕地球飞行的空间站或飞船里人和物体会失重、漂浮起来，是因为引力转变成了向心力，导致重力降至很低。但是，如果我们进行星际旅行，在距离所有星体都很远的空间里，引力很弱，我们就将处于低重力或者微重力的环境。当我们到达其他星球，由于不同星球的大小和质量相差很大，所以引力也不同。月球的引力约为地球的1/6，火星的引力约为地球的3/8，一些小行星的引力则非常微弱。当然也有引力很大的星球，在没有找到对抗措施的情况下，地球生命是不能前往的，否则会被压成肉饼或者被扯碎为齑粉。
微重力对人和其他生物的生理、行为存在多方面的负面影响，对人类来说，最明显的问题就是会导致航天员肌肉萎缩和骨质丢失。目前，我们还没有非常有效的手段去营造人工重力环境或者对抗微重力带来的生理问题。
空间里的辐射种类更多，辐射强度也远高于地球表面和近地轨道。空间辐射对人类的太空旅行来说是一个非常严峻的挑战。航天员在空间环境里所受到的辐射强度远远高于在地球表面所受的，一些辐射甚至可以穿透航天器，防不胜防，这对他们的健康非常不利。对火星之旅而言，如果没有解决辐射防护的问题，人类几乎不可能活着到达火星。
我们赖以生存的地球存在磁场，但是当人类离开地球前往其他星球，或者进行漫长的星际旅行时，所面临的环境里的磁场可能会与地球表面的磁场存在很大的差异，例如，月球和火星几乎没有磁场。地球上的生命是在地磁场中诞生、演化和生长发育的，磁场对生命的影响现在了解得还不是很清楚，需要我们深入地进行研究。同时，我们也需要寻找和建立有效方法，去应对和解决特殊磁场环境给航天员的生理及行为带来的不利影响。
太空里的光照也是个问题。当空间站或飞船环绕地球飞行时，大约每90分钟绕地球一圈。在这90分钟时间里，约2/3的时间是暴露在太阳的暴晒下，1/3的时间是位于地球的阴影里。如果我们前往其他星球，光照情况也会与地球不同。例如在月球上，由于没有大气，月球昼夜非常分明，被阳光照射到的表面部分很明亮，未照射到的区域则漆黑一片。月球的天空也是漆黑一片，而不像地球有着蔚蓝色的天空。火星上的光照又是另外一种情形。这些特殊的光照环境会影响人和其他生物的生物节律、睡眠，会影响人的情绪，也会影响其他生物的生理活动，如生长、发育以及植物的光合作用等。当然，光照条件可以通过人工方式加以调节，可以在航天器里或者未来人类在其他星球的驻留地内设置接近地球光照条件的小环境，这样人和其他生物就不需要去面对和适应外界异常的光照环境了。但是，如果总是生活在人造的模拟地球环境里，那我们究竟算不算适应了空间环境或外星环境呢？
在我们上面提到的这几个环境因素里，真空和极端温度这两个因素可以通过航天器、航天服等设备来加以屏蔽，营造适合人类生存的小环境；光照条件可以人为加以调整，模拟地球的光照条件。但是，其他一些环境因素例如微重力、辐射、磁场和狭小密闭环境等，我们就很难进行屏蔽或调整了。目前，我们还无法在空间模拟地球的重力环境，而抵御宇宙线的辐射仍需防护材料和技术的进步，想在月球、火星或航天器里营造出与地球磁场相近的磁场环境也非常困难。至于狭小密闭空间这个问题，也很难解决，因为到了近地轨道或其他星球，我们只能居住在狭小的人造环境里。长期生活在狭小、密闭空间里，对人的生理、心理、情绪以及工作效率都会产生影响，在科幻小说里我们经常会读到对航天员在漫长星际旅途中产生强烈孤寂感的描述。
上面说到的这些环境因素都会对人的生存、健康和工作效率产生影响，因此都需要进行深入、系统的研究，我们在后文也会作更多的介绍。国际上，在航天事业发展初期，为了把航天员送入太空，美国、苏联等国家都是先在地面的模拟环境下做了大量实验，然后才把动物送入太空，观察动物的生理和行为会发生怎样的改变，是否能够适应这些环境，以及如何防护、改善和恢复这些环境因素造成的健康问题等。在积累了充分的研究数据后，最终才轮到航天员进入太空。
但是，由于人力、物力和财力等因素的制约，我们不可能把与航天有关的所有实验都拿到天上去做，那样成本太高了。虽然人类拥有空间站、飞船、航天飞机，但是也只能是少数重要的实验，或者已经在地面的模拟条件下进行过初步探索并已经取得一些有价值线索或发现的项目，才在天上进行真实空间环境下的研究。
尽管太空里的温度、空气含量（接近真空）也与地面不同，但这些因素无需模拟，因为在这种条件下人类根本无法生存，我们应该关注的是如何进行有效防护而非如何适应。因此，在地面经常模拟并开展研究的主要是辐射、磁场、微重力、光照以及狭小密闭空间等环境因素，尤其以前两者为多。如果前往火星，则与乘坐航天器绕地飞行时的环境因素又有所不同，比如与地面的联系会更少并且存在信息延迟，辐射更强等。到达月球表面、火星表面，面临的不是微重力，而是弱重力，应对方案又要有所不同。
我们有很多飞天的神话故事，例如牛郎织女鹊桥相会、嫦娥奔月，故事中人物在空间里自由来去，衣食住行与地面无二。但在真实世界里，他们都必须搭乘航天器，穿上笨重的航天服，否则喜鹊和人在严酷的空间环境里都将必死无疑——说这些好像破坏了神话故事的浪漫与美好，科学家有时候真是浪漫的敌人。