美(mei)國(guo)NASA航(hang)天(tian)員Jessica Meir研究斑頭雁高空飛行(xing)能量代(dai)謝(xie)

斑頭雁在(zai)喜(xi)馬拉(la)雅山脈每年兩(liang)次的遷(qian)徙中(zhong)達(da)到(dao)海(hai)拔(ba)高度而聞(wen)名。有追蹤(zong)顯(xian)示可(ke)以(yi)達(da)到(dao)7270米(mi)，以(yi)及有登山者(zhe)看(kan)到(dao)它們(men)飛越(yue)海拔(ba)超(chao)過8000米(mi)的珠穆(mu)朗瑪(ma)峰(feng)周(zhou)圍的山(shan)峰(feng)。目前(qian)根(gen)據科(ke)學家的研(yan)究發(fa)現(xian)斑頭雁的飛(fei)行(xing)高(gao)度，最(zui)高(gao)可(ke)達(da)到(dao)9000米(mi)，直(zhi)逼(bi)大(da)型(xing)客機(ji)飛(fei)行(xing)的平(ping)流層(ceng)海拔高度。

雖然人類(lei)記(ji)錄的數(shu)據不(bu)斷刷新(xin)斑頭雁的飛(fei)行(xing)高(gao)度，但(dan)幾(ji)十年來(lai)，斑頭雁的高(gao)空飛(fei)行(xing)壹(yi)直是生物學上的壹(yi)個未(wei)解(jie)之謎。要(yao)知(zhi)道，在(zai)海拔(ba)9000的高(gao)空，空(kong)氣(qi)無比稀薄(bo)，氣(qi)壓(ya)也低(di)得出奇(qi)，氧氣(qi)濃(nong)度不足(zu)平原(yuan)地(di)區(qu)的30%，而(er)人類(lei)根(gen)本(ben)不能在(zai)8000米以(yi)上的高(gao)度長(chang)時(shi)間(jian)停(ting)留(liu)。斑頭雁是如何做(zuo)到(dao)輕(qing)松飛(fei)越(yue)珠峰(feng)高(gao)度的呢(ne)？

作(zuo)為環(huan)境動物生理(li)學出(chu)身(shen)的美(mei)國(guo)國(guo)家航空航(hang)天(tian)局（NASA）全(quan)女(nv)性(xing)航天(tian)員之壹的Jessica Meir教(jiao)授(shou)對斑頭雁高空飛行(xing)機(ji)理(li)產生了(le)濃(nong)度的興趣(qu)，於是(shi)開始(shi)親(qin)自(zi)孵化、飼(si)養並培訓斑頭雁的飛(fei)行(xing)練(lian)習。

 終(zhong)於(yu)，Jessica Meir教(jiao)授(shou)於2019年(nian)elife雜誌在(zai)線發(fa)表(biao)了(le)斑頭雁高空飛行(xing)的研(yan)究成果“斑頭雁通過降低(di)代(dai)謝(xie)率(lv)維(wei)持(chi)高(gao)空(kong)缺(que)氧飛(fei)行(xing)Reduced metabolism supports hypoxic flight in the high-flying bar-headed goose(Anser indicus)"。整個實(shi)驗(yan)過程(cheng)在(zai)加(jia)拿(na)大(da)不列顛哥(ge)倫比亞(ya)大(da)學工(gong)程(cheng)系30米(mi)長(chang)的風(feng)洞中(zhong)模(mo)擬(ni)5500米(mi)和(he)9000米(mi)的海(hai)拔高(gao)度，然後給飛(fei)行(xing)訓練後(hou)的斑頭雁帶上面(mian)罩通(tong)過FMS便攜(xie)式呼(hu)吸(xi)代(dai)謝(xie)系統(tong)測量風洞(dong)內(nei)個體常氧氣(qi)（0.21）、缺(que)氧（0.105對(dui)應(ying)5500米(mi)）和(he)極度缺(que)氧（0.07對(dui)應(ying)9000米(mi)）條(tiao)件(jian)下的靜息和(he)飛行(xing)能量代(dai)謝(xie)參數(shu)如(ru)：氧氣(qi)消(xiao)耗量（VO2）和(he)二(er)氧化(hua)碳(tan)產量（VCO2）,以(yi)及結(jie)合其(qi)它穿戴式模(mo)塊(kuai)測(ce)量實(shi)驗(yan)動物的壹(yi)些生(sheng)理(li)參數(shu)如(ru)心(xin)率(lv)、血(xue)氧等(deng)。實(shi)驗(yan)設(she)計方法(fa)如下(xia)圖(tu)Figure5.

下(xia)表(biao)格(ge)1顯(xian)示(shi)了(le)三個不同氧氣(qi)水(shui)平下(xia)斑頭雁靜息、預飛行(xing)、穩(wen)態飛行(xing)時(shi)的飛(fei)行(xing)、呼(hu)吸代(dai)謝(xie)、心(xin)血(xue)管(guan)數(shu)據結(jie)果。

從(cong)表(biao)格(ge)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出，只(zhi)有常氧下(xia)才(cai)能準確(que)測量呼吸(xi)商(shang)（RER）,不(bu)同(tong)行(xing)為(wei)狀態對RER有顯著(zhu)影響(xiang)，飛行(xing)時(shi)的RER顯(xian)著(zhu)高於預飛行(xing)、靜息狀態(tai)的RER，以(yi)及預飛行(xing)RER顯(xian)著(zhu)高於靜息態的；飛(fei)行(xing)時(shi)不同氧氣(qi)水(shui)平下(xia)二(er)氧化(hua)碳(tan)產量（VCO2）差異(yi)顯著(zhu)，但靜息和(he)預飛行(xing)的VCO2無顯著(zhu)差異(yi)；飛行(xing)時(shi)常氧下(xia)的VCO2顯(xian)著(zhu)高於適(shi)度缺(que)氧(5500米(mi))的，以(yi)及適(shi)度缺(que)氧下(xia)顯(xian)著(zhu)高於極(ji)度缺(que)氧（海(hai)拔(ba)9000米(mi)）下(xia)的VCO2；在(zai)所有飛行(xing)行(xing)為(wei)狀態下，每(mei)只個體的代(dai)謝(xie)率(lv)在(zai)常氧和(he)適度缺(que)氧下(xia)均(jun)無差異(yi)。

不(bu)同(tong)氧氣(qi)水(shui)平下(xia)飛(fei)行(xing)狀(zhuang)態時的心(xin)率(lv)無明(ming)顯差異(yi)，但氧氣(qi)水(shui)平對(dui)預飛行(xing)狀(zhuang)態的心(xin)率(lv)稍(shao)有影響(xiang)，然而之後的測(ce)試未(wei)發(fa)現(xian)有影響(xiang)；氧氣(qi)水(shui)平對(dui)靜息時的心(xin)率(lv)有顯著(zhu)影響(xiang)，因為靜息時極(ji)度缺(que)氧的心(xin)率(lv)均顯著(zhu)高於常(chang)氧和(he)適度缺(que)氧狀(zhuang)態(tai)，而靜息心(xin)率(lv)在(zai)適度缺(que)氧和(he)常氧下(xia)無顯著(zhu)差異(yi)。

飛(fei)行(xing)時(shi)氧氣(qi)水(shui)平對(dui)心(xin)臟跳(tiao)動(dong)單位體重釋放CO2水(shui)平有顯著(zhu)影響(xiang)，但預飛行(xing)和(he)靜息時無差異(yi)；常氧飛(fei)行(xing)顯(xian)著(zhu)高於適(shi)度氧氣(qi)水(shui)平飛(fei)行(xing)CO2排放(fang)，以及適(shi)度缺(que)氧飛(fei)行(xing)又(you)顯(xian)著(zhu)高於極(ji)度缺(que)氧CO2排放(fang)水(shui)平。

 心(xin)率(lv)與二(er)氧化(hua)碳(tan)產量(A)和(he)氧氣(qi)消(xiao)耗量（B）之間的關系(xi)以(yi)及不(bu)同氧氣(qi)水(shui)平心(xin)率(lv)的分(fen)布(bu)圖(tu)（C，本(ben)文研(yan)究(jiu)；D，其(qi)它研(yan)究(jiu)）。通過(guo)上圖(tu)心(xin)率(lv)和(he)代(dai)謝(xie)率(lv)整合的線(xian)性混(hun)合模型(xing)發(fa)現(xian)，心(xin)率(lv)是代(dai)謝(xie)率(lv)的顯(xian)著(zhu)預測因子(zi)。然而，引入(ru)活(huo)動(dong)作(zuo)為固定因素時，除(chu)了(le)預飛行(xing)和(he)靜息態，飛(fei)行(xing)狀(zhuang)態時心(xin)率(lv)不再是(shi)代(dai)謝(xie)率(lv)的顯(xian)著(zhu)預測因子(zi)。和(he)其(qi)它研(yan)究(jiu)壹致(zhi)，即在(zai)常氧水(shui)平，心(xin)率(lv)變化成峰(feng)型(xing)分(fen)布(bu)。

這(zhe)些(xie)研究表(biao)明(ming)，斑頭雁飛越世(shi)界上壹(yi)些最(zui)高(gao)山脈的能力(li)在(zai)生理(li)上確(que)實(shi)是(shi)合理(li)的。這(zhe)些發(fa)現(xian)對(dui)於研(yan)究(jiu)生(sheng)活(huo)在(zai)海(hai)拔(ba)的動(dong)物的研(yan)究人員來(lai)說(shuo)將(jiang)是(shi)有價值的。它們(men)也可(ke)能與那(na)些希望了(le)解人類(lei)如(ru)何應對氧氣(qi)有限(xian)的情(qing)況(kuang)，例如(ru)患(huan)者(zhe)在(zai)心(xin)臟病(bing)發(fa)作(zuo)或中(zhong)風(feng)等(deng)過(guo)程(cheng)中(zhong)的新(xin)陳(chen)代(dai)謝(xie)情(qing)況(kuang)。

附斑頭雁飛行(xing)能量代(dai)謝(xie)儀(yi)器(qi)技術(shu)：FMS便攜(xie)式呼(hu)吸(xi)代(dai)謝(xie)測量儀(yi)將(jiang)二(er)次抽樣單元、水(shui)汽(qi)、氧氣(qi)和(he)二(er)氧化(hua)碳(tan)分(fen)析儀(yi)、數(shu)據采(cai)集存(cun)儲等集(ji)成到壹(yi)個便攜(xie)箱內(nei)，這樣的優(you)勢(shi)是可(ke)以(yi)隨(sui)時隨(sui)地對(dui)研究動物做任(ren)何(he)環境或實(shi)驗(yan)處理(li)，僅(jin)僅(jin)通(tong)過壹根(gen)細管(guan)實(shi)時(shi)收集(ji)動(dong)物呼出的氣(qi)體(ti)就可(ke)以(yi)精(jing)確(que)地實(shi)時(shi)測(ce)量動物各種(zhong)狀(zhuang)態(tai)下的能量代(dai)謝(xie)，以及通(tong)過與其(qi)它生(sheng)理(li)設(she)備(bei)或模(mo)塊(kuai)融合構(gou)建全(quan)面(mian)的新(xin)陳(chen)代(dai)謝(xie)監測(ce)方案(an)。

參考資(zi)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(hang)天(tian)新(xin)媒(mei)體-我(wo)們(men)的太(tai)空：從(cong)“養鴨(ya)子(zi)"到(dao)太空(kong)行(xing)走(zou)，她不(bu)過(guo)多(duo)了(le)壹份(fen)執著(zhe). 

3.美(mei)國(guo)國(guo)家自(zi)然基金(jin)網(wang)站報(bao)道