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    美国NASA航天员Jessica Meir研究斑头雁高空飞行能量代谢

    发布时间: 2022-05-30  点击次数: 98次

    斑头雁在喜马拉雅山脉每年两次的迁徙中达到海拔高度而闻名。有追踪显示可以达到7270米,以及有登山者看到它们飞越海拔超过8000米的珠穆朗玛峰周围的山峰。目前根据科学家的研究发现斑头雁的飞行高度,最高可达到9000米,直逼大型客机飞行的平流层海拔高度。

    虽然人类记录的数据不断刷新斑头雁的飞行高度,但几十年来,斑头雁的高空飞行一直是生物学上的一个未解之谜。要知道,在海拔9000的高空,空气无比稀薄,气压也低得出奇,氧气浓度不足平原地区的30%,而人类根本不能在8000米以上的高度长时间停留斑头雁是如何做到轻松飞越珠峰高度

    作为环境动物生理学出身的美国国家航空航天局(NASA)全女性航天员之一的Jessica Meir教授对斑头雁高空飞行机理产生了浓度的兴趣,于是开始亲自孵化、饲养并培训斑头雁的飞行练习。

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     终于,Jessica Meir教授于2019elife杂志在线发表了斑头雁高空飞行的研究成果“斑头雁通过降低代谢率维持高空缺氧飞行Reduced metabolism supports hypoxic flight in the high-flying bar-headed goose(Anser indicus)"。整个实验过程在加拿大不列颠哥伦比亚大学工程系30米长的风洞中模拟5500米和9000米的海拔高度,然后给飞行训练后的斑头雁带上面罩通过FMS便携式呼吸代谢系统测量风洞内个体常氧气(0.21)、缺氧(0.105对应5500米)和极度缺氧(0.07对应9000条件下的静息和飞行能量代谢参数如:氧气消耗量(VO2)和二氧化碳产量(VCO2),以及结合其它穿戴式模块测量实验动物的一些生理参数如心率、血氧等。实验设计方法如下图Figure5.

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    下表格1显示了三个不同氧气水平下斑头雁静息、预飞行、稳态飞行时的飞行、呼吸代谢、心血管数据结果。

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    从表格中可以看出,只有常氧下才能准确测量呼吸商(RER),不同行为状态对RER有显著影响,飞行时的RER显著高于预飞行、静息状态的RER,以及预飞行RER显著高于静息态的;飞行时不同氧气水平下二氧化碳产量(VCO2)差异显著,但静息和预飞行的VCO2无显著差异;飞行时常氧下的VCO2显著高于适度缺氧(5500)的,以及适度缺氧下显著高于极度缺氧(海拔9000米)下的VCO2;在所有飞行行为状态下,每只个体的代谢率在常氧和适度缺氧下均无差异。

    不同氧气水平下飞行状态时的心率无明显差异,但氧气水平对预飞行状态的心率稍有影响,然而之后的测试未发现有影响;氧气水平对静息时的心率有显著影响,因为静息时极度缺氧的心率均显著高于常氧和适度缺氧状态,而静息心率在适度缺氧和常氧下无显著差异。

    飞行时氧气水平对心脏跳动单位体重释放CO2水平有显著影响,但预飞行和静息时无差异;常氧飞行显著高于适度氧气水平飞行CO2排放,以及适度缺氧飞行又显著高于极度缺氧CO2排放水平。

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     心率与二氧化碳产量(A)和氧气消耗量(B)之间的关系以及不同氧气水平心率的分布图(C,本文研究;D,其它研究)。通过上图心率和代谢率整合的线性混合模型发现,心率是代谢率的显著预测因子。然而,引入活动作为固定因素时,除了预飞行和静息态,飞行状态时心率不再是代谢率的显著预测因子。和其它研究一致,即在常氧水平,心率变化成峰型分布。

    这些研究表明,斑头雁飞越世界上一些最高山脉的能力在生理上确实是合理的。这些发现对于研究生活在海拔的动物的研究人员来说将是有价值的。它们也可能与那些希望了解人类如何应对氧气有限的情况,例如患者在心脏病发作或中风过程中的新陈代谢情况。

    附斑头雁飞行能量代谢仪器技术:FMS便携式呼吸代谢测量仪将二次抽样单元、水汽、氧气和二氧化碳分析仪、数据采集存储等集成到一个便携箱内,这样的优势是可以随时随地对研究动物做任何环境或实验处理,仅仅通过一根细管实时收集动物呼出的气体就可以精确地实时测量动物各种状态下的能量代谢,以及通过与其它生理设备或模块融合构建全面的新陈代谢监测方案。

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    参考资料

    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.航天新媒体-我们的太空:“养鸭子"到太空行走,她不过多了一份执着. 

    3.美国国家自然基金网站报道