По мере подъёма на высоту прежде всего изменяются условия дыхательного газообмена . Так, уже на высоте 15 км при барометрическом давлении около 87 мм рт. ст. дыхание невозможно даже при вдыхании чистого кислорода. На высоте 19,2 км в организме теплокровных животных начинается «закипание» жидкостей, т. к. барометрическое давление становится равным давлению водяных паров в жидких средах организма при 37 °С. На высоте 36—40 км вышележащий слой атмосферы оказывается недостаточным для поглощения первичного космического излучения и начинает проявляться его биологическое поражающее действие, а также воздействие ультрафиолетовых (УФ) лучей с длиной волны 3000—2100

. Однако вследствие слабой проникающей способности УФ радиации герметичная кабина космического корабля достаточно надёжно защищает находящиеся в ней биологические объекты от её действия. На высоте 100—120 км и более от поверхности Земли возникает, хотя и незначительная, опасность встречи с метеоритами. Еще выше, в связи с практически полным отсутствием атмосферы, исключаются условия для распространения звуковых волн, исчезает явление рассеяния света и создаются резкие контрасты между освещенными и затенёнными поверхностями; затруднено восприятие пространства, его глубины. На искусственном спутнике Земли (ИСЗ) возникает состояние динамической невесомости, т. к. сила притяжения Земли уравновешивается равной ей центробежной силой, развивающейся при полёте по орбите.

  Первым этапом биологических исследований, проводимых в СССР и США в 40—50-х гг. 20 в. в условиях, близких к космическому полёту, явились многократные полёты собак, обезьян и др. животных в ракетах на высотах до 500 км. В ходе этих опытов изучались возможности создания необходимых условий для жизни животных при полётах в герметичных кабинах (или в специальных скафандрах в негерметичных кабинах), разрабатывались средства и методы, обеспечивающие безопасность полёта, катапультирования и парашютирования с больших высот, изучалось биологическое действие первичного космического излучения. Полученные данные позволили сделать вывод о переносимости высокоорганизованными животными режимов ускорений при ракетном полёте и состояния динамической невесомости длительностью до 20 минут. Следующим этапом биологических исследований в космических полётах явился длительный полёт собаки Лайки на советском ИСЗ-2. Третий этап был связан с созданием возвращаемых на Землю космических кораблей-спутников (ККС), позволивших резко расширить программу исследований за счёт включения в «экипаж» кораблей ряда новых биологических объектов, а также провести многомесячные исследования животных и растительных объектов после полёта. Лётные эксперименты ставились на собаках, крысах, мышах, морских свинках, лягушках, мухах-дрозофилах, высших растениях (традесканция, семена пшеницы, гороха, лука, кукурузы, нигеллы, проростки растений в разных стадиях развития), на икре улитки, одноклеточных водорослях (хлорелла), культуре тканей человека и животных, бактериальных культурах, вирусах, фагах, некоторых ферментах и др. Во время полёта в кабине поддерживались нормальные барометрическое давление (760±10 мм рт. ст. ) и температура (18±3 °С); содержание кислорода колебалось от 20 до 24%, относительная влажность воздуха — от 35 до 50%. Культуры тканей и др. биологические объекты находились в термостате с автоматическим регулированием температуры. Собаки получали в автоматических кормушках желеобразную пищу; мелкие лабораторные животные имели свободный доступ к пище и воде. Некоторые биологические объекты для повышения их чувствительности к облучению содержались в атмосфере, обогащенной кислородом. У собак методом радиотелеметрии регистрировали электрокардиограмму (ЭКГ), артериальный пульс, пневмограмму, фонокардиограмму, электромиограмму, сейсмограмму, температуру тела, двигательную активность, поведение (по данным телевизионного наблюдения). Во всех опытах выделялись группы контрольных животных, подвергавшихся тем же воздействиям, что и подопытные, за исключением невесомости.

  На участке выведения на орбиту у всех собак обнаружены типичные для действия ускорений учащение пульса и дыхания, постепенно исчезавшие после перехода корабля на орбитальный полёт. Наиболее важный непосредственный эффект действия ускорений — изменения лёгочной вентиляции и перераспределение крови в сосудистой системе, в том числе в малом круге, а также изменения в рефлекторной регуляции кровообращения. Нормализация пульса после воздействия ускорений в невесомости происходит значительно медленнее, чем после испытаний на центрифуге в условиях Земли. Как средние, так и абсолютные значения частоты пульса в невесомости были ниже, чем в соответствующих моделирующих опытах на Земле, и характеризовались выраженными колебаниями. Анализ двигательной активности собак показал довольно быструю адаптацию к необычным условиям невесомости и восстановление способности к координированным движениям. Такие же результаты были получены и в экспериментах на обезьянах. Исследованиями условных рефлексов у крыс и морских свинок после возвращения их из космического полёта установлено отсутствие изменений по сравнению с предполётными опытами.

  Биохимическими исследованиями крови и мочи собак, крыс и мышей, возвратившихся из полёта, установлены некоторые преходящие изменения, соответствующие проявлению стресс-реакций (см. Адаптационный синдром ). У двух собак, совершивших космический полёт на ККС-2, после полёта установлены волнообразные колебания иммунологической реактивности с периодами депрессии и активации. Подобные, но менее выраженные колебания найдены и у собак, летавших на ККС-4 и ККС-5. Цитологическими и гистологическими методами у мышей, летавших на ККС-2, обнаружено увеличение хромосомных перестроек в клетках костного мозга, появление юных форм, некоторое угнетение кроветворения. Важными для дальнейшего развития экофизиологического направления исследований явились эксперименты на советском биоспутнике «Космос-110» с двумя собаками на борту (1966) и на американском биоспутнике «Биос-3», на борту которого находилась обезьяна (1969). Во время 22-суточного полёта собаки впервые подвергались не только влиянию неизбежно присущих космическому рейсу факторов, но и ряду специальных воздействий (раздражение синусного нерва электрическим током, пережатие сонных артерий и т. д.), имевших целью выяснить особенности нервной регуляции кровообращения в условиях невесомости. Кровяное давление у животных регистрировалось прямым путём (катетеризация сосудов). Трасса спутника «Космос-110» на каждом витке входила во внутренний радиационный пояс Земли . Вследствие этого на борту проводились дозиметрические измерения. Послеполётные исследования и анализ полученной информации показали, что длительный космический полёт сопровождается у высокоорганизованных млекопитающих развитием детренированности сердечнососудистой системы, нарушением водно-солевого обмена, в частности значительным уменьшением содержания кальция в костях (декальцинация).

  Во время полёта обезьяны на биоспутнике « Биос-3», продолжавшегося 8,5 суток, были обнаружены серьёзные изменения циклов сна и бодрствования (фрагментация состояний сознания, быстрые переходы от сонливости к бодрствованию, заметное сокращение фаз сна, связанных со сновидениями и глубокой дремотой), а также нарушение суточной ритмики некоторых физиологических процессов. Последовавшая вскоре после досрочного окончания полёта смерть животного была, по мнению ряда специалистов, обусловлена влиянием невесомости, которая привела к перераспределению крови в организме, потере жидкости и нарушению обмена калия и натрия.

  Генетические исследования, проведённые в орбитальных космических полётах, показали, что пребывание в космическом пространстве оказывает стимулирующий эффект на сухие семена лука и нигеллы (более быстрое прорастание и развитие сеянцев). Ускорение деления клеток было обнаружено на проростках гороха, кукурузы, пшеницы. В культуре устойчивой к радиации расы актиномицетов оказалось в 6 раз больше выживших спор и развивавшихся колоний, чем в контроле, тогда как в чувствительном к радиации штамме произошло снижение соответствующих показателей в 12 раз.