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8000米的珠穆朗瑪峰周圍的山峰。目前根據(jù)科學家的研究發(fā)現(xiàn)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。

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

作為環(huán)境動物生理學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，于是開始親自孵化、飼養(yǎng)并培訓斑頭雁的飛行練習。

 終于，Jessica Meir教授于2019年elife雜志在線發(fā)表了斑頭雁高空飛行的研究成果“斑頭雁通過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)"。整個實驗過程在加拿大不列顛哥倫比亞大學工程系30米長的風洞中模擬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FMS便攜式呼吸代謝系統(tǒng)測量風洞內(nèi)個體常氧氣（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(shù)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驗動物的一些生理參數(shù)如心率、血氧等。實驗設計方法如下圖Figure5.

下表格1顯示了三個不同氧氣水平下斑頭雁靜息、預飛行、穩(wěn)態(tài)飛行時的飛行、呼吸代謝、心血管數(shù)據(jù)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有顯著影響，飛行時的RER顯著高于預飛行、靜息狀態(tài)的RER，以及預飛行RER顯著高于靜息態(tài)的；飛行時不同氧氣水平下二氧化碳產(chǎn)量（VCO2）差異顯著，但靜息和預飛行的VCO2無顯著差異；飛行時常氧下的VCO2顯著高于適度缺氧(5500米)的，以及適度缺氧下顯著高于極度缺氧（海拔9000米）下的VCO2；在所有飛行行為狀態(tài)下，每只個體的代謝率在常氧和適度缺氧下均無差異。

不同氧氣水平下飛行狀態(tài)時的心率無明顯差異，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(xiàn)有影響；氧氣水平對靜息時的心率有顯著影響，因為靜息時極度缺氧的心率均顯著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顯著差異。

飛行時氧氣水平對心臟跳動單位體重釋放CO2水平有顯著影響，但預飛行和靜息時無差異；常氧飛行顯著高于適度氧氣水平飛行CO2排放，以及適度缺氧飛行又顯著高于極度缺氧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）。通過上圖心率和代謝率整合的線性混合模型發(fā)現(xiàn)，心率是代謝率的顯著預測因子。然而，引入活動作為固定因素時，除了預飛行和靜息態(tài)，飛行狀態(tài)時心率不再是代謝率的顯著預測因子。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是合理的。這些發(fā)現(xiàn)對于研究生活在海拔的動物的研究人員來說將是有價值的。它們也可能與那些希望了解人類如何應對氧氣有限的情況，例如患者在心臟病發(fā)作或中風等過程中的新陳代謝情況。

附斑頭雁飛行能量代謝儀器技術：FMS便攜式呼吸代謝測量儀將二次抽樣單元、水汽、氧氣和二氧化碳分析儀、數(shù)據(jù)采集存儲等集成到一個便攜箱內(nèi)，這樣的優(yōu)勢是可以隨時隨地對研究動物做任何環(huán)境或?qū)嶒炋幚恚瑑H僅通過一根細管實時收集動物呼出的氣體就可以精確地實時測量動物各種狀態(tài)下的能量代謝，以及通過與其它生理設備或模塊融合構建全面的新陳代謝監(jiān)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(yǎng)鴨子"到太空行走，她不過多了一份執(zhí)著. 

3.美國國家自然基金網(wǎng)站報道