流淌在世界屋脊上的血液

流淌在世界屋脊上的血液

作者：达米安·勒封（Damien Lafont）

译者：闫海利

在海拔5300米的珠穆朗玛峰大本营里建造一个实验室可不是一件容易的事。首先，许多设备和化学物品必须由牦牛和搬运工运送到山上；其次，高海拔使实验室的温度变化比较大，从早上的-20℃到下午的20℃，对于一些对温度要求比较高的实验，研究人员有时不得不将电热毯铺在仪器下面，以确保仪器中的液体不会冻结。

不仅是实验，这里的极端条件对于研究人员也是个挑战，尤其是高海拔下的低压缺氧：大气压强随着海拔高度的升高而降低，空气中的含氧量也随之减小。例如，珠峰大本营的大气压仅为海平面气压的一半，这意味着吸入肺中的氧气也减少一半。在海平面，血氧饱和度（即携带氧气的红细胞与所有红细胞的比例）为100％，而在珠峰大本营则降至70％，处于缺氧状态。在这种状态下，为了输送更多的氧气，心脏跳动会加快。

在珠峰大本营里做实验

2007年，伦敦大学高度、空间和极端环境医学中心（CASE）在珠穆朗玛峰大本营上进行了一次大规模的研究——考德威尔极限珠峰探险（CXE），研究的主题是人体的生理机能在缺氧条件下的适应性。在由志愿者、医生和科学家组成超过200人的研究小组中，有15人攀登到了8000米的高度，有8人最终到达了顶峰。从峰顶下来的登山者下到8000米时，在实验室中先进行了血氧饱和度的检测。

除了血氧饱和度，考德威尔极限珠峰探险还涉及了根据志愿者呼出的气体分析心、肺功能的运动试验，大脑和运动肌肉的近红外光谱分析，血液检查和身体生理参数的日常记录等。出发前，志愿者先在低海拔的实验室（比如伦敦大学）进行了检测，作为这次研究的对照样本，而后在珠穆朗玛峰上的两个实验室和大本营分别进行了相同项目。

线粒体的秘密

为了解开生理机能是如何适应缺氧条件的，科学家分析了这些成员在攀登珠峰的过程中肌肉细胞发生的变化，尤其是细胞的“动力室”——线粒体。当我们吸入空气时，氧气进入我们的气管到达肺部，并由此进入血液；心脏再将血液送到全身各处，使氧气抵达每一个细胞。每个细胞含有数百个线粒体，它们也是氧气的最终消费者：线粒体利用氧气把糖和脂肪等有机物转化成能量，这些能量能够维持我们的身体器官正常工作。比如肌肉细胞中，线粒体以三磷酸腺苷（ATP）的形式提供肌肉收缩所需的能量；耐力运动可以提升肌肉细胞中线粒体的数量，使跑步者能跑更远的距离。因此，线粒体也许是这次研究的一个“突破口”。

线粒体

线粒体的直径在0.5到10微米左右，是细胞进行有氧呼吸的主要场所，为细胞的活动提供了能量。细胞生命活动所需的能量95％来自线粒体，所以有“细胞动力室”、“细胞动力工厂”之称。

早在1986年，来自瑞士伯尔尼大学的汉斯·霍普勒（Hans Hoppeler）博士就发现，在没有使用氧气瓶攀登到海拔8500米高的攀登者中，他们体内肌肉体积的减少与肌肉细胞中线粒体体积密度的降低有关。霍普勒认为，这不仅仅是能量不足造成的，而是一系列的因素导致的。这种情况也出现在医院中的缺氧患者身上，通常还与慢性肺部疾病有联系。

体积密度

线粒体的体积密度是线粒体总体积与这些线粒体所处的肌肉组织体积的比值。

▲　血液中的氧气穿过细胞膜进入肌肉细胞，被细胞里大量的线粒体所消耗。线粒体在氧气的参与下，通过酶的催化作用，把糖和脂肪等有机物氧化分解，产生了二氧化碳和水，并释放了能量

考德威尔极限珠峰探险的调查结果则更加详细。丹尼·莱维特（Denny Levett）博士从研究小组的17名成员的大腿上提取了微小的肌肉细胞样本。这些样品被迅速冷冻并送到剑桥大学和伯尔尼分校，一同送去的还有他们之前在伦敦测试的对照样本。科学家用高分辨率显微镜仔细观察了这些样本，发现他们的肌肉细胞中线粒体的体积密度也降低了20％，这和霍普勒的结论一致。

不过，这次调查还发现了更多的东西：细胞内不同位置的线粒体体积密度下降得并不一样。CXE成员之一安德鲁·穆拉（Andrew Murray）博士给出了一些解释：“我们分别观察了在肌肉细胞的中心位置和细胞膜旁的两群线粒体，它们都使用氧气来制造三磷酸腺苷，但这些三磷酸腺苷（能量）被消耗的途径却不相同。比如，细胞膜旁的线粒体失去了约70％，而靠近细胞中心的线粒体只失去了约15％。这个惊人的发现说明，当供氧受限时，肌肉细胞对于那些需要消耗能量的功能，会先暂停一部分，从而保证其他部分能正常运行。”

极限珠峰二期

虽然考德威尔极限珠峰探险（CXE）收集到的数据已经很有价值，但并没有解释为什么有些人能很好地适应这样的高海拔，而有的人则不能。因此，研究团队在2013年开展了第二次考察：“极限珠峰二期”（XE2）。极限珠峰二期在先前的核心数据和资料的基础上，增加了对遗留的关键问题的解释和不同人群的比较。

于是，珠峰大本营再次变成了研究高原反应的实验室。研究小组在海拔5300米的珠穆朗玛峰南坳营地搭起了帐篷。在这期探险中，研究人员在这个荒凉的地方呆了83天，其中49天是在大本营。期间，医生在他们自己及200位志愿者身上进行了数千次测试，采集了4000多份血样。

高原反应

人体在高海拔状态下（通常为海拔2438米以上），由于氧气浓度降低而出现一些生理反应和症状。早期的症状包括全身无力，头痛，心跳加速，恶心和呕吐；严重时会出现幻觉，甚至是抽搐或昏迷。

2013年3—4月，研究小组的所有成员都登上了珠峰大本营。攀登前，他们进行了分组，分组是为了保证每一组成员在攀登的路线、处于低压缺氧的时间等因素全都一样，这样成员之间检测到的差异就只归因于个人的身体素质和机能了。攀登过程中，研究人员在攀到海拔3500米（南崎巴札）、5300米（珠峰大本营）及下降到1300米（加德满都）处时对全员进行了检测，获得的数据除了综合先前已有的数据资料，还有一些是先前没有检测的数据，比如骨骼肌样品中的细胞呼吸、一氧化氮代谢等。

珠峰大本营

位于海拔5300米的珠峰大本营是为了保护珠峰核心区环境而设立的。这里有帐篷供登山者和游客入住。这里也是一个小型的实验室，科研人员利用这里的低压缺氧环境做了很多实验。

对于第一次远征遗留下来、“极限珠峰二期”需要解决的问题，尤其是不同人对高海拔适应性的问题，研究小组特意邀请了夏尔巴人作为重要的小组成员一同参加。夏尔巴人是一个生活在喜马拉雅山脉的神秘群体，经过千万年的进化，他们对高海拔环境具有特殊的适应性。科学家想通过观察夏尔巴人和生活在低海拔居民对高原的不同适应性，来找到夏尔巴人的“秘密武器”。攀登前，夏尔巴人和其他人一样进行了对照样品的采集，只是他们是在尼泊尔的加德满都（海拔1300米）进行。

夏尔巴人的秘密武器：一氧化氮

在2007年的CXE考察中，科学家已经发现当空气含氧量很低时，人体似乎会呼出更多的一氧化氮。科学家认为一氧化氮气体可以使血管扩张，加快血液流动，从而改善身体供氧。

由伦敦大学的丹尼尔·马丁（Daniel Martin）领导的研究团队努力地破解夏尔巴人对高原“神奇”适应力的秘密。他们分析了夏尔巴人的血红蛋白分布，发现与生活在低海拔的美国人非常相似！马丁博士说：“科学家过去认为，相比于生活在低海拔的人，夏尔巴人的血氧浓度更高。但实际并非如此。他们的心脏功能与我们一样，其供氧能力也一样。关键在于，当氧气含量过低时，夏尔巴人会产生更多的一氧化氮，而这些一氧化氮改变了线粒体处理氧气的方式，从而降低了氧气的消耗。”

科学家从普通人和夏尔巴人身上各获得一些肌肉细胞，并在细胞表面打孔，在保持细胞活性的同时让仪器进入线粒体中，测量这些线粒体的氧气使用量和一氧化氮含量，发现一位‘正常’受试者呼出的气体中一氧化氮含量为16.4 ppb，而夏尔巴人则为77.8 ppb。通过进一步研究，科学家发现，当氧气不足时，夏尔巴人体内的线粒体会激活一种酶，使之产生更多的一氧化氮。

一氧化氮除了增加血液流动和氧气的输送外，更重要的是，它改变线粒体加工氧气的方式；简单地说，它使线粒体能够更好地利用珍贵的氧气。科学家发现，在一氧化氮存在的情况下，线粒体消耗氧气会慢一些；也就是说线粒体只需要更少的氧气就能够维持正常生成ATP的氧化磷酸化反应。

于是，科学家假设，人体内的一氧化氮浓度越高，适应高海拔低压缺氧的能力就越强。或许在不久的将来，通过药物治疗来改变某些重症患者血液中的一氧化氮浓度，可以提高他们的存活率。

▲　在一氧化氮的存在下，线粒体需要少一些的氧气就能够维持生成ATP的氧化磷酸化反应

从高海拔到医学研究

研究人体的生理机能在缺氧条件下的适应性，在改善重症患者治疗方面能起到重要作用。科学家的研究结果可以挽救许多患心脏病或肺部疾病的人的生命。

通常，重症监护室里的缺氧患者会通过人工呼吸机额外输氧。然而，增加吸入的氧气也会造成风险。这种治疗方法会增加呼吸压力，从而破坏视网膜血管。此外，长时间吸入过量氧气也会损害肺部。马丁博士说：“我们可能找到一种能减慢生理过程的方法，以使身体得到更多休息，并有时间自愈，而不必让患者吸入纯氧、输血或服用加快心率的药物。”

在探寻答案的过程中，科学家还要面临重症患者难以接受大量医学测试的难题。而对于如此大规模的研究，仅靠模拟高压的实验室里做模拟是不够的。正因如此，“极限珠峰”项目通过研究200名健康的受试者在自然极端条件下的缺氧状态来模拟住院患者的缺氧症状，就显得尤为重要了。

其实，有关缺氧的研究已经延伸到多个领域，比如神经科学。2012年，加拿大的一个研究小组调查了缺氧对工作记忆（一种短时间的记忆形式）的影响。他们证实严重的间歇性缺氧会导致工作记忆的降低，特别是工作记忆容量的减少。2011年，法国里昂大学的皮亚卢（Pialoux）博士曾说：“缺氧影响脑血管的血流量，使认知功能受到影响，长时间暴露于间歇性缺氧环境可能会慢慢导致工作记忆的下降。”

此外，皮亚卢博士强调了高原研究的结果，并认为这是癌症和心血管疾病研究的另一个途径。“高原和低氧的研究对于改善癌症和动脉粥样硬化的认识和后续治疗具有重要意义，因为这些疾病和缺氧生理学具有一些共同的机制。通过模拟高山实验，可以从超声心动图检测出你是否有患高原性肺心病和脑部急性水肿的风险。”这是珠穆朗玛峰研究结果的另一项直接应用。

我们还不知道如何完全区分高原反应的好与不好。但是，通过在模拟缺氧的环境下做运动（比如骑自行车），可以从超声心动图检测出你是否有患高原性肺心病和脑部急性水肿的风险。”这是珠穆朗玛峰研究结果的一项直接应用。