http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-08-07
什么决定了我们能憋气能憋多久？通常的分析认为，这受制于大脑对氧气的需求，但实际上，通常早在大脑或身体消耗完所有氧之前，人就会喘气。这个问题困扰了科学家数十年，现在，科学家也许已经接近了答案。
撰文 迈克尔•帕克斯(Michael J. Parkes)
翻译 朱机
深吸一口气，然后屏住呼吸。其实，你正在做一个很不可思议的动作。平均而言，人类每分钟会不由自主地呼吸12次左右，这个呼吸周期和心跳一样是人体两大生物节律之一。大脑无需意识指挥就可以根据人体的需要调整呼吸节奏。同时，每个人都能在短时间内有意识地屏住呼吸。这种本事可以防止水或灰尘进入我们的肺，在肌肉活动之前维持胸腔大小，以及一口气说上一长串话。屏住呼吸对我们来说是轻松自然的事，没想到科学还没法对这种能力的生理机制作出合理解释。
(要是你还憋着，先松口气吧。)
我们先来考虑一个似乎很简单的问题：憋气能憋多久是由什么决定的？研究这个问题其实相当困难。虽说所有哺乳动物都会屏气，可谁也没法去跟实验动物说，你憋个几秒钟不要呼吸。所以，只能在人的身上研究屏气。屏气太久会造成大脑缺氧，随之可能会失去意识、导致脑损伤甚至很快死亡。正因为存在这些危险，很多可能提供有用信息的实验因不道德而不能开展。甚至，过去一些意义非凡的研究也因为违背现在人体实验的安全准则而无法重复。
不过，研究人员找到了别的途径，开始着手回答有关屏气的问题。他们的发现不仅能推动人体生理学发展，也许最终还能通过医学和法律措施来拯救生命。
屏气极点
1959年，美国纽约州立大学水牛城分校医学院的生理学家赫尔曼•拉恩( Hermann Rahn)，采用了一系列独特的方法来屏住呼吸：减慢新陈代谢、过度呼吸、以纯氧充盈肺部等，最终屏气时间达到14分钟左右。爱德华•施耐德(Edward Schneider)也做过类似的事。他在纽约米切尔军事机场的航空医学军事技术学院工作，后来又去了卫斯理大学，是研究屏气的先驱之一。据他的描述，在20世纪30年代， 一位受试者曾在类似条件下屏气长达15分13秒。
科学研究及日常经验告诉我们，多数人在最大程度地吸入空气后，最多也只能屏气一分钟左右。为什么不能憋得更久呢？单靠肺部所能容纳的氧气可以支撑大约4分钟，但几乎没有人能在不经过训练的情况下，让屏气时间接近这个数值。同样，在一分钟这个限度，需要呼出的二氧化碳(细胞消耗营养物与氧气所产生的废气)在血液中也尚未积累到有毒浓度。
人浸没在水里可以憋气憋得比较久。一部分原因可能是，在水里有更强的动机来屏住呼吸：避免水进入肺部。水生哺乳动物和鸟类在潜水时会降低自身新陈代谢率，但人类是否也有这样的经典潜水反射还不清楚。不过，上面所说的规律仍然适用：潜水员屏住呼吸后，不到真正缺氧的地步就会感到迫切需要吸上一口气。
施耐德观察到，“实际上，就算在水里，人也几乎不可能由于主动憋气而憋到失去意识。”在非常环境中，或许偶尔会出现失去意识的情况，比如极限潜水比赛；也有奇闻轶事提到，有小孩因为憋气憋太久而晕过去。但实验室研究结果确认，正常情况下，成年人是不会因为自己屏住呼吸而昏迷的。氧气不足或二氧化碳过量会损伤大脑，但在那之前，就会有某些原因让我们到达研究人员所说的屏气极点(break point)，从而忍不住喘气。
解释屏气极点，有一种合理的假设认为，体内有专门的感受器来监控屏气相关的生理变化，并在大脑“宕机”之前启动呼吸。根据这种假设，上述感受器要么可以察觉出肺和胸腔的扩张时间过长，要么可以监测出，血液(或大脑)中氧气浓度在下降(或二氧化碳浓度在上升)。但这些想法似乎都站不住脚。从20世纪60年代到90年代，英国伦敦查灵十字医院亚伯•古兹(Abe Guz)实验室的海伦•R•哈蒂(Helen R. Harty)与约翰•H•艾西尔(John H. Eisele)分别通过多种实验，排出了肺部中存在体积感受器的可能性。当年在美国北卡罗来纳大学的帕特里克•A•弗卢姆(Patrick A. Flume)也得到了类似的结论。他们的实验显示，无论是肺移植病人(肺与脑之间的神经连接中断了)，还是脊髓全麻的病人(胸肌的感觉感受器被阻断)，都无法长时间屏住呼吸(不过有一点很重要，那就是这些麻醉实验没有影响到膈肌，后面我们就会讲到具体原因)。
另外，研究似乎还表明，所有已知的监测氧气和二氧化碳浓度的化学感受器(化学受体)都没有参与屏气机制。人体中，已知唯一可以监测低水平血氧浓度的受体位于颈动脉，就在颌骨角下方，此处是向脑部供血的通道。而监测二氧化碳浓度的化学感受器位于颈动脉和脑干，脑干控制着规律呼吸等不受意识控制的功能。
到达屏气极点的强烈感觉如果是由氧气的化学受体引起的，那么一旦没有反馈，人们就应该会把自己憋到昏迷。而加利福尼亚大学洛杉矶分校卡尔曼•沃瑟曼(Karlman Wasserman)的实验室的研究则表明，即使切断颈动脉的化学受体与脑干之间的神经连接，病人仍然无法把自己憋晕。
此外，如果单凭氧气浓度低或二氧化碳浓度高就能决定屏气极点，那超过某个阈值后，人就无法继续屏气了。可无数研究说明事实并非如此。按上述假说，气体浓度触发屏气极点之后，在动脉内氧气和二氧化碳浓度恢复到正常水平之前，人是不可能继续屏气的。但这有悖于科学家在上世纪初无意观察到的结果。1954年，梅奥医学中心(Mayo Clinic)的沃德•S•福勒(Ward S. Fowler )正式记述过这样的现象：实验者屏气达到极点之后，即使只是吸入一口窒息性气体(asphyxiating gas，经吸入而直接引起窒息作用的气体)，也能够立马再次屏气，甚至第三次屏气，尽管这会使血液中的氧气浓度变得越来越低。
此后的研究进一步确证，这种不寻常的重复屏气能力与吸入窒息性气体的次数、体积都没有关系。实际上，加拿大麦克马斯特大学的约翰•R•里格(John R. Rigg)与莫兰•坎贝尔(Moran Campbell)在1974年证明，当受试者试图呼吸时，堵住呼吸道就能让他们继续屏气。
综上所述，所有这些涉及重复屏气方法的实验都说明，深吸一口气的需求与肌肉本身的动作有某种关系，而与交换气体的功能没有直接关系。胸腔扩张后自然有收缩的趋势，除非吸气肌让胸腔保持在扩张状态。因此，研究屏气极点的科学家便开始在控制呼吸肌的神经、机械机制中寻找答案。除此之外，他们还想弄清楚，屏住呼吸是让驱动呼吸肌的呼吸节律在意识的控制下中断，还是让呼吸肌无法表现出无意识的自动节律。
无法重复的实验
正常的呼吸节律从脑干发送兴奋信号开始，神经脉冲通过两侧的膈神经(phrenic nerve)向下传递给肺部下方、形如碗状的膈肌，收到信号后膈肌收缩、肺充气。神经脉冲停止后，膈肌放松、肺收缩。换言之，某种节律性的神经活动模式(中枢性呼吸节律)可以反映呼吸周期。直接由膈神经或脑干来测量人类的中枢节律目前还存在技术和伦理上的困难。不过，研究人员发明了间接记录中枢呼吸节律的方法：改为监测膈肌的电信号、呼吸道所受的压力或自主神经系统(比如心跳节律)的其他变化，例如研究呼吸性窦性心律失常的个体。
意大利米兰大学的埃米利奥•阿戈斯托尼(Emilio Agostoni )采用的就是这些间接方法。他在1963年发现，可以在屏住呼吸但还没到极点的人身上检测到中枢呼吸节律。2003年和2004年，我们也在英国伯明翰大学做了相关的实验。当时，我和研究生汉纳•E•库珀(Hannah E. Cooper)、麻醉师托马斯•H•克拉特布罗克(Thomas H. Clutton-Brock)用呼吸性窦性心律失常的例子说明，中枢性呼吸节律不会停止，屏住呼吸时也始终存在。因此，屏气肯定与抑制膈肌的节律性动作有关，很可能是通过膈肌的自主、持续收缩完成的(多个实验已经表明，正常呼吸要用到的其他肌肉或结构与屏气没有关系)。与此类似，屏气极点可能依赖于由膈肌传回脑干的感觉反馈，比如说反映膈肌伸展的程度或异常的疲劳程度。
假如真是这样，麻醉膈肌，阻断感觉反馈传到大脑应该就能极大地延长受试者的屏气时间。上世纪60年代，坎贝尔曾在伦敦翰默史密斯医院，做了一项堪称至今最耸人听闻的一项屏气实验，他的目的就是希望能得到和上述推测一致的结果。实验中，两名神志清醒、健康的自愿者同意接受麻醉，以静脉注射箭毒素的方式使全身骨骼肌暂时性麻痹(除了一段前臂因为要在有需要时打手势而没有麻醉)。自愿者靠呼吸机维持呼吸，关掉呼吸机就相当于屏住呼吸，自愿者到达屏气极点时就打手势，示意把呼吸机再次打开。
结果令人震惊。两位自愿者高高兴兴地让呼吸机停了至少4分钟，最后是监控的麻醉师发现，他们血液中二氧化碳浓度已经高得吓人，于是中止了实验。等麻药的劲道过去之后，两位自愿者都表示，既没有感到窒息的痛苦也没有觉得任何不舒服。
显然，如此大胆的实验极少有人敢去重复。也有一些人试图复制坎贝尔的工作，但没成功，他们那些勇气十足的自愿者很快达到屏气极点，血液里的二氧化碳浓度几乎还没来得及上升。实测结果表明，自愿者选择提早结束测试，可能是因为撑开气门的通气管(这是一种现代安全措施，当年坎贝尔的实验没采取这项措施)造成了不适，而且这些自愿者十分清楚，这项实验可能危及生命。尽管如此，另外一些也很引人注目的实验同样认为，麻醉膈肌能延长屏气时间，比如上世纪70年代，马克•I•M•诺布尔(Mark I. M. Noble)在查灵十字医院古兹实验室所做的实验。他与同事没有采取全身麻醉，而是使用了一种生命危险要小得多的办法：麻醉两侧膈神经，使得只有膈肌麻痹。用这种方法，受试者的平均屏气时间延长了一倍，而且降低了屏气时常见的不适感。
最好的解释
因此，综合不同的实验证据，科学家推测，膈肌是通过长时间地主动收缩，来使胸腔保持扩张，从而达到屏住呼吸的效果。在这种情况下，由于没有正常收缩，膈肌会向大脑发送刺激信息，而屏气极点的出现，可能就是因为大脑受到这种刺激。在膈肌长时间收缩的过程中，大脑最初也许会收到一些模糊的信号，让我们隐约觉得不舒服，但最终会信号刺激会变得让人难以忍受，这时就是屏气极点。随后，自动节律再次控制呼吸。
虽然这种假说尚不完满，但与现有的一些结果很吻合：一是福勒观察到的、任何使膈肌放松的动作都能让人再次屏气；二是肺充气和调节血液气体对屏气时间的影响。仅仅让膈肌放松一点点、呼出一点点气，就可以削弱膈肌感受器发送的信号，延迟屏气极点。提高血液中的氧浓度和降低二氧化碳浓度，也可以让膈肌中提示疲劳的生化标志物减少，增强屏气能力。任何可以不让大脑监控这些信息的方法都能延长屏气时间，例如阻断膈肌和脑之间的神经连接。大脑对不适信号的忍受程度还有赖于情绪、动机和转移注意力不去默算时间的能力。
实际上，对于这些实验结果，上述假说只能作出最简单的解释。因为，有些实验的受试者实在太少，没法得出可靠的结论，而伦理上又绝不允许科学家重复这些实验。可以揭开屏气之谜的关键证据仍然缺失。
而且，诺布尔和古兹实验室当年所做的另一项惊人实验(如今因为道德伦理而不能重复)，得到的结果与上述假说并不一致。他们用麻醉两对脑神经的方法，让三位健康实验者的屏气时间提升了两倍。所麻醉的两对脑神经是迷走神经和舌咽神经，前者从脑部出发，支配胸部和腹部的器官，后者支配声门、喉部以及咽喉处的其他组织。这一实验结果似乎说明，不用影响膈肌就能控制屏气，不过也有可能是，迷走神经也携带了膈肌发出的部分信号。喉部本身的肌肉不太可能参与屏气：1993年，澳大利亚外科医生马丁•门德尔松( Martyn Mendelsohn)从受试者的鼻孔插入摄像机，以便观察气门。结果发现，气门在屏气时常常保持着打开状态，他的这一发现似乎证实了膈肌在屏气中起关键作用的推测。
拯救生命
人类的屏气能力受哪些限制，更好理解这个问题在医学上有重要意义。比如，治疗乳腺癌时，病人会接受放疗，目标是让整个肿瘤接受致命剂量辐射的同时，又不损害周围的健康组织。放疗过程中，病人有好几分钟暴露于辐射，此时必须尽力让胸部保持不动。可是要这么长时间屏住呼吸是不现实的，目前实际运用的是短脉冲辐射，在病人吸气间隔，也就是胸腔运动最少的时候进行照射。但是，每次呼吸胸部都会移动，之后不一定会精确回到原来的位置。我和医学物理学家斯图尔特•格林(Stuart Green)、临床肿瘤学家安德里亚•史蒂文斯(Andrea Stevens)以及麻醉师克拉顿•布洛克(Clutton-Brock)在伯明翰医学院慈善基金(University Hospital Birmingham Charities)的资助下，正在尝试让屏气时间延长到能够进行放疗。
对那些需要强行拘禁嫌疑犯的执法人员来说，了解屏气的知识也很有价值。全世界每年都会有一些人在拘押期间意外身亡。新陈代谢率提高、胸腔压缩、血氧浓度降低、血液二氧化碳浓度升高等都会缩短人的屏气时间。因此，相比放松状态的人，愤怒的人在挣扎或被强行压制时可能需要提早吸气。
2000年，查灵十字医院的安德鲁•R•康明(Andrew R. Cummin)带领团队开展了一项研究，他们让八位健康的实验者先中速骑车1分钟，再尽最大可能呼气，然后屏住呼吸，观察会出现什么状况。结果发现，受试者屏气的最长时间骤降至15秒，平均血氧量急剧下降，其中两人出现心跳不规律。因此，研究人员得出结论，“强行羁押过程中，短时间呼吸停止也许会导致原因不明的死亡”。执法机构需要仔细谨慎地制定有关运用监禁的规则，并且认真观察监禁情况。
这些关于屏气的研究为人体生理学的很多重要方面打开了窗口。当然，将来还会有更多开创性的发现，尤其是关于膈肌本身——让我们屏息期待吧。
精彩速览
屏气时间的长短是由什么决定的？通常早在大脑或身体消耗完所有氧之前(对氧气的需要是显而易见的限制因素)人就会喘气。
什么因素限制着我们对呼吸节奏的控制，这一直是个难以研究的问题。但数十年研究的结果显示，膈肌起着重要的作用，膈肌收缩会使肺扩张。
目前最合理的假说认为，膈肌向大脑发送信号，说明它收缩的时间以及它对氧气消耗程度或二氧化碳上升水平将做出的生化反应。起初这些信号仅引起轻微不适，到最后大脑发现不适感非常强烈时，就会迫使呼吸再次开始。
屏气极点如何产生？
屏气极点，是指屏住呼吸一段时间后感到不得不喘气的那个时刻。和冥想、吸入纯氧、清除体内二氧化碳等方法一样，训练能够延迟屏气极点的出现。但要找到真正决定屏气极点的因素却十分困难。不过，研究工作已经排除了某些可能，或许我们快要看到科学解释出现了。
已被排除的假说
血液气体化学受体：人体中只有颈动脉内有感应血氧浓度的感受器结构，而颈动脉和脑干中有感受二氧化碳的感受器。氧气和二氧化碳的气体交换是呼吸的关键目的，所以这些感受器作为屏气极点的控制器似乎是合理的。但事实则不然：如果是由它们来控制，那么这两种气体的临界浓度就百分之百决定了屏气极点，但实验结果并非如此。
肺部体积感受器：监测胸腔或肺部扩张程度的感受器也可能决定屏气极点。然而实验显示，切断或麻痹相关的神经并没有影响屏气极点。
目前最合理的假说
膈肌向脑发送神经信号：膈肌收缩使肺充盈。大多数证据认为，膈肌向大脑发送“不适”信号，告知大脑已经屏住呼吸多长时间。然后，大脑在潜意识中衡量该信号以及其他因素，最后判断出多大程度的不适感是能够忍受的。
冠军的秘密
屏气时间超长的人往往遵循以下四条关键原理。但是，延长屏气时间会带来极大的危险：失去意识、脑损伤、死亡。周围一定要保证有医疗救助。
肺部极度充盈：有些运动员能让肺部极大扩张，超过正常的最大限度。他们运用一种叫做口腔抽吸的技术，有节奏地运动口腔底部以吸入更多的空气。不过，肺部压力增大会提高动脉气体栓塞的风险，血液中的气泡会损伤大脑或冠状毛细血管。
放松，降低新陈代谢： 人在静息状态时，每分钟新陈代谢消耗大约0.36升氧气。禁食12小时、静躺时氧气消耗量会更低，只有每分钟0.27升，肺里空气可以支撑的时间会延长33%。
吸入纯氧：通常，新鲜空气中只有21%的氧气。研究显示，吸入纯氧能够使屏气时间翻倍。但这样做也会增加潜在的危险，一旦肺内的氧气都消耗完，肺的某些部位可能会萎缩。
过度呼吸： 屏住呼吸之前过度呼吸能降低血液中二氧化碳的水平，研究显示，这种做法有时可以使屏气时间延长一倍。但副作用是，过度呼吸趋向加快身体耗氧和产生二氧化碳的速度。此外，过度呼吸会限制脑部供血，脑部的血液供应本可以保护大脑不因缺氧而受损。
惊人的纪录*
1:00 分钟 普通人在水外屏住呼吸能坚持的时间
8:06 马丁•斯乔帕阿伦克(Martin ŠtepaÅLnek)，2001年7月3日，迈阿密
9:04 赫伯特•尼奇(Herbert Nitsch)，2006年11月13日，埃及赫尔格达
10:12 汤姆•赛特斯(Tom Sietas)，2008年6月7日，希腊雅典
11:35 斯特攀尼•米夫萨德(SteÅLphane Mifsud)，2009年6月8日，法国拉克罗
*面朝下静止在水中取得的成绩，不包括一开始吸入纯氧所用的时间。
本文由《科学美国人》中文版《环球科学》授权转载
本文作者
迈克尔•帕克斯是英国伯明翰大学体育运动科学学院应用生理系的高级讲师，他同时就职于伯明翰大学医院的维康信托基金临床研究协会。
本文译者
朱机是中国科学院神经科学研究所的博士，主要从事神经发育研究。除了科研，她还喜欢翻译科学、科普作品，最新译作是讲述各种离奇自体实验的《冒烟的耳朵和尖叫的牙齿》。
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