美國NASA航天員Jessica Meir研究斑頭雁高空飛行能量代謝

斑頭雁在喜馬拉雅山脈每年兩次的遷徙中達到海拔高度而聞名。有追蹤顯示可以達到7270米，以及有登山者看到它們飛越海拔超過(guò)8000米的珠穆朗瑪峰周?chē)纳椒?。目前根據科學(xué)家的研究發(fā)現斑頭雁的飛行高度，最高可達到9000米，直逼大型客機飛行的平流層海拔高度。

雖然人類(lèi)記錄的數據不斷刷新斑頭雁的飛行高度，但幾十年來(lái)，斑頭雁的高空飛行一直是生物學(xué)上的一個(gè)未解之謎。要知道，在海拔9000的高空，空氣無(wú)比稀薄，氣壓也低得出奇，氧氣濃度不足平原地區的30%，而人類(lèi)根本不能在8000米以上的高度長(cháng)時(shí)間停留。斑頭雁是如何做到輕松飛越珠峰高度的呢？

作為環(huán)境動(dòng)物生理學(xué)出身的美國國家航空航天局（NASA）全女性航天員之一的Jessica Meir教授對斑頭雁高空飛行機理產(chǎn)生了濃度的興趣，于是開(kāi)始親自孵化、飼養并培訓斑頭雁的飛行練習。

 終于，Jessica Meir教授于2019年elife雜志在線(xiàn)發(fā)表了斑頭雁高空飛行的研究成果“斑頭雁通過(guò)降低代謝率維持高空缺氧飛行Reduced metabolism supports hypoxic flight in the high-flying bar-headed goose(Anser indicus)"。整個(gè)實(shí)驗過(guò)程在加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)工程系30米長(cháng)的風(fēng)洞中模擬5500米和9000米的海拔高度，然后給飛行訓練后的斑頭雁帶上面罩通過(guò)FMS便攜式呼吸代謝系統測量風(fēng)洞內個(gè)體常氧氣（0.21）、缺氧（0.105對應5500米）和極度缺氧（0.07對應9000米）條件下的靜息和飛行能量代謝參數如：氧氣消耗量（VO2）和二氧化碳產(chǎn)量（VCO2）,以及結合其它穿戴式模塊測量實(shí)驗動(dòng)物的一些生理參數如心率、血氧等。實(shí)驗設計方法如下圖Figure5.

下表格1顯示了三個(gè)不同氧氣水平下斑頭雁靜息、預飛行、穩態(tài)飛行時(shí)的飛行、呼吸代謝、心血管數據結果。

從表格中可以看出，只有常氧下才能準確測量呼吸商（RER）,不同行為狀態(tài)對RER有顯著(zhù)影響，飛行時(shí)的RER顯著(zhù)高于預飛行、靜息狀態(tài)的RER，以及預飛行RER顯著(zhù)高于靜息態(tài)的；飛行時(shí)不同氧氣水平下二氧化碳產(chǎn)量（VCO2）差異顯著(zhù)，但靜息和預飛行的VCO2無(wú)顯著(zhù)差異；飛行時(shí)常氧下的VCO2顯著(zhù)高于適度缺氧(5500米)的，以及適度缺氧下顯著(zhù)高于極度缺氧（海拔9000米）下的VCO2；在所有飛行行為狀態(tài)下，每只個(gè)體的代謝率在常氧和適度缺氧下均無(wú)差異。

不同氧氣水平下飛行狀態(tài)時(shí)的心率無(wú)明顯差異，但氧氣水平對預飛行狀態(tài)的心率稍有影響，然而之后的測試未發(fā)現有影響；氧氣水平對靜息時(shí)的心率有顯著(zhù)影響，因為靜息時(shí)極度缺氧的心率均顯著(zhù)高于常氧和適度缺氧狀態(tài)，而靜息心率在適度缺氧和常氧下無(wú)顯著(zhù)差異。

飛行時(shí)氧氣水平對心臟跳動(dòng)單位體重釋放CO2水平有顯著(zhù)影響，但預飛行和靜息時(shí)無(wú)差異；常氧飛行顯著(zhù)高于適度氧氣水平飛行CO2排放，以及適度缺氧飛行又顯著(zhù)高于極度缺氧CO2排放水平。

 心率與二氧化碳產(chǎn)量(A)和氧氣消耗量（B）之間的關(guān)系以及不同氧氣水平心率的分布圖（C，本文研究；D，其它研究）。通過(guò)上圖心率和代謝率整合的線(xiàn)性混合模型發(fā)現，心率是代謝率的顯著(zhù)預測因子。然而，引入活動(dòng)作為固定因素時(shí)，除了預飛行和靜息態(tài)，飛行狀態(tài)時(shí)心率不再是代謝率的顯著(zhù)預測因子。和其它研究一致，即在常氧水平，心率變化成峰型分布。

這些研究表明，斑頭雁飛越世界上一些最高山脈的能力在生理上確實(shí)是合理的。這些發(fā)現對于研究生活在海拔的動(dòng)物的研究人員來(lái)說(shuō)將是有價(jià)值的。它們也可能與那些希望了解人類(lèi)如何應對氧氣有限的情況，例如患者在心臟病發(fā)作或中風(fēng)等過(guò)程中的新陳代謝情況。

附斑頭雁飛行能量代謝儀器技術(shù)：FMS便攜式呼吸代謝測量?jì)x將二次抽樣單元、水汽、氧氣和二氧化碳分析儀、數據采集存儲等集成到一個(gè)便攜箱內，這樣的優(yōu)勢是可以隨時(shí)隨地對研究動(dòng)物做任何環(huán)境或實(shí)驗處理，僅僅通過(guò)一根細管實(shí)時(shí)收集動(dòng)物呼出的氣體就可以精確地實(shí)時(shí)測量動(dòng)物各種狀態(tài)下的能量代謝，以及通過(guò)與其它生理設備或模塊融合構建全面的新陳代謝監測方案。

參考資料

1.Jessica U Meir,Julia M York,Bev A Chua,Wilhelmina Jardine,Lucy A Hawkes,William K Milsom.(2019)Reduced metabolism supports hypoxic flight in the high-flying bar-headed goose (Anser indicus),eLife 8:e44986.

2.航天新媒體-我們的太空：從“養鴨子"到太空行走，她不過(guò)多了一份執著(zhù). 

3.美國國家自然基金網(wǎng)站報道