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(dá)到極端海拔高度而聞名。有追蹤顯示可以達(dá)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(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)斑頭雁的飛行高度，最高可達(dá)到9000米，直逼大型客機(jī)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(xué)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？
      作為極端環(huán)境動物生理學(xué)出身的美國國家航空航天局（NASA）史上首次全女性航天員之一的Jessica Meir教授對斑頭雁高空飛行機(jī)理產(chǎn)生了濃度的興趣，于是開始親自孵化、飼養(yǎng)并培訓(xùn)斑頭雁的飛行練習(xí)。       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(shí)驗(yàn)過程在加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)工程系30米長的風(fēng)洞中模擬5500米和9000米的海拔高度，然后給飛行訓(xùn)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(fēng)洞內(nèi)個體常氧氣（0.21）、缺氧（0.105對應(yīng)5500米）和極度缺氧（0.07對應(yīng)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(jié)合其它穿戴式模塊測量實(shí)驗(yàn)動物的一些生理參數(shù)如心率、血氧等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yù)飛行、穩(wěn)態(tài)飛行時的飛行、呼吸代謝、心血管數(shù)據(jù)結(jié)果。       從表格中可以看出，只有常氧下才能準(zhǔn)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(yù)飛行、靜息狀態(tài)的RER，以及預(yù)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(yù)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，每只個體的最低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(yù)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?yàn)殪o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(yù)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(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(yù)測因子。然而，引入活動作為固定因素時，除了預(yù)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(yù)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(xiàn)對于研究生活在極端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(yīng)對氧氣有限的情況，例如患者在心臟病發(fā)作或中風(fēng)，或器官移植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(shù)：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)采集存儲等完美的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?yàn)處理，僅僅通過一根細(xì)管實(shí)時收集動物呼出的氣體就可以精確地實(shí)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(shè)備或模塊融合構(gòu)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
4.美國前總統(tǒng)特朗普與Jessica Meir等宇航員遠(yuǎn)程溝通：Maine's Jessica Meir Makes History As Member Of NASA's First All-Women Spacewalk.