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为什么骨骼需要足够的压力
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人体的骨骼就像房子的房梁，要承担很大的重量。但与房梁不同的是，人体骨骼还要支持运动、储存钙质、容纳骨髓，并为肌肉、韧带和肌腱提供附着的位置。此外，在人的一生中骨骼都会保持生长，根据需要改变大小和形状，而不损害人体的运动能力。受损时，它们还需要自我修复。没有一位工程师能够成功地创造出一种像人体骨骼一样多能且实用的材料。
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骨骼能做到这么多，还能做得那么好，是因为自然选择。数亿年来，骨骼进化成了一种含有多种成分的单一组织，这些成分像钢筋混凝土一样共同创建出了一种材料，这种材料坚硬牢固，还能根据遗传和环境信号的共同作用实现动态生长。骨骼的初始形状受到基因的高度控制，但骨骼的正常发育需要适当的营养和激素，才能与身体的其余部分协同生长。此外，成年人的骨骼要达到正常的形状，必须在其生长过程中经受某些机械应力。每次移动时，体重和肌肉就会对骨骼施加压力，这会产生极小的变形。这些变形很轻微，我们甚至都注意不到，但足以让骨骼细胞感知到，并据其做出反应。
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事实上，这些变形对于骨骼发育到适当的大小、形状和强度来说是必要的。生长中的骨骼如果不经受足够的负荷，就会始终脆弱易折，像一个坐在轮椅上的孩子的腿骨。相反，如果骨骼在发育期经受了很多负荷，那么它将长得更粗，也更强壮。网球运动员的手臂就很好地说明了这一原理。小时候经常打网球的人，他们挥拍的主力手臂的骨骼比对侧手臂要厚实并强壮40%。其他一些研究显示，行走和奔跑较多的儿童，腿骨发育得较厚；而经常咀嚼较硬、较韧食物的儿童，颌骨也要发育得相对较厚。没有压力，就没有收获。
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基因和营养等因素会对骨骼生长产生重要影响，但是骨骼在发育期应对机械负荷的能力特别具有适应性。如果没有这种可塑性，骨骼就需要像布鲁克林大桥那样，要把承重能力建造得比实际高出很多，才能避免垮塌，这样一来人体骨骼就会变得笨重，运动起来就需要消耗较多能量。然而，骨骼适应其力学环境的方式有一个不幸的局限性：一旦骨骼停止生长，它就不再能变粗很多了。如果你成年以后才开始经常挥拍打网球，那么你的手臂可能会稍微增粗，但不会像青少年网球选手那样明显。事实上，骨骼的健壮程度在你成年后不久就会达到峰值，女孩大约在18～20岁，男孩大约在20～25岁。从那以后就没有什么办法能把骨骼变得粗大了，并且此后不久，骨骼就会开始出现骨量流失，直至余生。
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成年的人体骨骼可能不能再长粗很多，但它们并非毫无活力，它们保留有自我修复的能力，这一点你可以感到欣慰。如上所述，每次你移动的时候，你对每一块骨骼施加的力量都会导致轻微变形。这种变形是正常和健康的，但是如果它们太多、太快、力量太大，就会形成破坏性的裂痕。如果这些裂痕累积变大，并开始合并成更大的裂痕，那么骨骼就会像被过多车辆碾压的桥梁一样发生断裂。不过，一般情况下这类灾难不会发生，因为骨骼能够自我修复。在这个修复过程中，陈旧受损的骨质会被吸收，并被新的健康骨质所取代。
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事实上，修复过程往往是通过对骨骼施加压力启动的。每当你奔跑、跳跃或爬上一棵树时，所导致的微小变形都会产生信号，在最需要修复的地方刺激修复过程。你越多使用你的骨骼，它就越能保持良好状态。不幸的是，反过来也是如此：骨骼的使用不足会导致骨量丢失。宇航员居住在几乎无重力的太空环境中，这个环境对骨骼几乎没什么压力，所以宇航员的骨量会快速流失，经过长时间的执勤任务返回地球时，骨骼的脆弱就会达到危险的程度。因此，当他们返回地球时往往需要被抬着，以防止他们的腿骨在行走时骨折。显然，自然选择没有让人类适应在太空中生活，但是在地球上，如果对骨骼的使用达不到进化为人体制定的标准，就会导致常见的骨骼系统失配性疾病，包括骨质疏松和阻生智齿。
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骨质疏松
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骨质疏松是一种会使人持续衰弱的疾病，常常会在没有预警的情况下偷偷找上老年人，尤其是女性。一种极为常见的情况是，一位老年女性摔倒在地，她的髋关节或手腕就会骨折。在一般情况下，她的骨骼应该能够承受摔倒带来的冲击，但事实上她的骨骼变得如此薄弱，以致不能承受因摔倒产生的外力。另一种常见的骨折是当某块变弱的脊椎骨不能承受上半身的重量时，突然像煎饼一样塌陷。这种压缩性骨折会导致慢性疼痛、身高降低以及驼背。总体而言，至少有1/3超过50岁的女性，以及至少10%的同龄男性，都为骨质疏松所苦，并且患病率在发展中国家中还在不断攀升。这种日益严峻的流行病是一个严重的社会和经济问题，造成了太多的痛苦和数十亿美元的医疗费用。
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从表面上看，骨质疏松是一种老年病，所以随着长寿者的增多，其患病率的上升几乎不应该令人感到惊讶。不过，即使是农业时代的考古记录中，由骨质疏松引起的相关骨折仍非常少。相反，有证据表明，骨质疏松主要是一种由遗传基因与一些危险因素，如体力活动、年龄、性别、激素、饮食，相互作用引起的现代失配性疾病。最易患有这种疾病的人群是久坐不动的绝经后女性，她们往往在年轻时很少运动，钙摄入量不足，得不到足够的维生素D补充。而吸烟也会加剧这种疾病。若要了解年龄、性别、运动、激素及饮食如何相互作用并导致了骨质疏松，我们需要先了解这些危险因素对骨骼建构的两种主要影响：成骨细胞和破骨细胞。
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成骨细胞是制造新骨的细胞，破骨细胞是溶解并清除旧骨的细胞。这两种类型的细胞都是人体所需的，如同我们扩建或修缮房子时通常必须敲倒旧墙建造新墙一样，这两种细胞必须协同工作，才能使骨骼实现生长和修复。当一块骨骼正常生长时，成骨细胞比破骨细胞更活跃，否则骨骼就不会变厚。但是随着年龄增长，骨骼生长会减慢或停止，成骨细胞产生的新骨会减少，其最大的功用在于调节骨骼的修复，如图10-1所示。在此过程中，成骨细胞会先向破骨细胞发出信号，要求其把特定位置的旧骨挖空，然后成骨细胞会用健康的新骨填充这些孔洞。
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图10-1 骨质疏松
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一个正常椎体的横截面示意图（上图），其中充满松质骨。图片右侧详细显示了吸收旧骨的细胞（破骨细胞）清除旧骨，然后由形成新骨的细胞（成骨细胞）来替代建构新骨的过程。当骨的吸收超过骨的替换时，就会发生骨质疏松，导致骨量流失，骨密度降低（中图）。最终，脊椎会变得薄弱，因无法支撑身体的重量而塌陷（下图）。
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在正常情况下，破骨细胞清除掉多少旧骨，成骨细胞就替换多少新骨。然而，当破骨细胞活跃度超过成骨细胞时，就会导致骨质疏松。这种不平衡会使骨骼变得更薄、更多孔，这对松质骨而言是一个严重的问题，松质骨是某些骨骼的必要填充，如脊椎、关节。这种类型的骨质由大量微小、质轻的杆状和板状物组成。生长中的骨骼能产生数以百万计的此类支撑物，但不幸的是，骨骼停止生长后就丧失了制造这些支撑物的能力。此后，当过分热心的破骨细胞清除或切断某个支撑物后，它就永远不会再生或修复了。随着一个又一个支撑物被破坏，骨骼就这样被永久地削弱了，直到有一天它的安全系数太低，骨折就会发生。
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从这个角度来看，骨质疏松基本上是由破骨细胞的吸收相对太多，而成骨细胞的骨质沉积相对太少引起的。随着年龄的增长，这种不平衡作用导致骨骼变得脆弱，紧接着就会发生骨折。在触发破骨细胞数量超过成骨细胞的所有年龄相关因素中，雌激素不足是最重要的。雌激素的诸多作用之一就是开启成骨细胞使其制造新骨，并关闭破骨细胞避免其清除旧骨。当女性绝经后，雌激素水平急剧降低，这种双重作用就成为不利因素。突然间，成骨细胞速度减慢，而破骨细胞变得更加活跃，导致骨量快速流失。因此，使绝经后女性补充雌激素，即雌激素替代疗法，能减缓甚至阻止她们体内的骨量流失。男性也有这方面的风险，但总体而言低于女性，因为男性能在骨骼中将睾酮转化为雌激素。老年男性不会经历绝经期，但是随着他们体内的睾酮水平下降，相应产生的雌激素减少，所以也会面临骨折风险升高的状况。
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在使得骨质疏松成为现代失配性疾病的各种因素中，其中一个最大的是体力活动，其对保持骨健康十分有利。首先，骨骼的形成主要是在20岁之前，在年轻时进行大量的负重活动，特别是在青春期，可提高骨量峰值。如图10-2所示，年轻时常常久坐不动的人在步入中年时，骨量显著少于年轻时体力活动较多的人。体力活动还会随着年龄的增长持续影响骨骼健康。数十项研究证明，高水平的负重活动可以大大降低老年人的骨量流失率，有时甚至能阻止或在一定程度逆转。人们现在成长和老化的方式使这一问题更加恶化了，尤其是女性。狩猎采集时期的女性青春期开始的时间通常比发达国家的女孩晚三年，这使得她们能多出几年时间发育出强壮、健康的骨骼，以承受岁月的侵蚀。当然，一个人的寿命越长，其骨骼就越脆弱，越容易骨折。
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图10-2 骨质疏松的一般模型
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缺乏体力活动的人在成长期的骨量一般也较少。峰值骨量出现后，每个人都会开始丢失骨量，尤其是绝经后的女性。缺乏体力活动的人丢失骨量的速度较快，并会较早跨过骨质疏松的门槛，因为他们开始时的峰值骨量就较少。
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除了体力活动和雌激素，导致骨质疏松风险提升的另一种主要因素是饮食，尤其是钙。身体的正常运作需要大量的钙，骨骼的多种职责之一就是作为这种重要矿物质的储备池。如果食物中钙不足会导致血钙水平快速下降，那么激素就会刺激破骨细胞重新吸收骨质，恢复钙平衡。如果被吸收的骨组织没有得到新骨来替代的话，这种反应就会削弱骨骼。因此，饮食中永久性缺乏钙的动物和人，骨骼发育都会比较薄弱，并且在年老时会较快地流失骨量。
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此外，现代以谷类为主的饮食结构，往往是严重缺钙的：现代饮食中的钙含量仅为典型狩猎采集者饮食的1/2～1/5，成年美国人中只有少数人从饮食中摄入了足够的钙。并且，低水平的维生素D和膳食蛋白往往会加剧这一问题，因为前者有助于肠道吸收钙，而后者也是合成骨组织所必需的。如果你担心骨质疏松，那么请记住，仅仅摄入足够的钙和维生素D并不能预防或逆转这种疾病。你仍然需要给你的骨骼施以一定的负荷，以刺激成骨细胞对钙的吸收和利用。
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总而言之，即使有大量的钙、维生素D和蛋白质，数百万年的自然选择仍未能让我们的骨骼在没有充足体力活动的前提下发育成熟。此外，在晚近年代以前，女性要到16岁才进入青春期，这样她们就多了几年时间来发育出较大、较强壮的骨骼。基因变异也发挥了关键性作用，使得有些人更容易患骨质疏松。但是，与许多其他失配性疾病一样，如果我们的环境变化没有这么大，那么携带这些基因的人的患病风险就会比较低。
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这一流行病的最大问题之一是：在这种疾病往往因为骨折被诊断出来的时候，已经太晚而无法预防了。在这一点上，最好的策略是阻止这种疾病进一步发展，防止再次发生骨折。医生通常会建议将膳食补充剂、适度运动和药物相结合。绝经后女性服用雌激素补充剂的方法也非常有效，但是这些补充剂会提升心脏病和癌症风险，迫使医生和患者必须权衡骨质疏松相对于其他疾病的风险。而已经开发出的一些可降低破骨细胞活性的药物常常有令人不快的副作用。