我們憋氣能憋多久:肺部氧氣可支撐4分鐘

　　誰在設定屏氣極限

　　什麼決定了我們能憋氣能憋多久？通常的分析認為，這受制於大腦對氧氣的需求，但實際上，通常早在大腦或身體消耗完所有氧之前，人就會喘氣。這個問題困擾了科學家數十年，現在，科學家也許已經接近了答案。

　　撰文 麥可·帕克斯(Michael J. Parkes)

　　翻譯 朱機

　　深吸一口氣，然後屏住呼吸。其實，你正在做一個很不可思議的動作。平均而言，人類每分鐘會不由自主地呼吸12次左右，這個呼吸周期和心跳一樣是人體兩大生物節律之一。大腦無需意識指揮就可以根據人體的需要調整呼吸節奏。同時，每個人都能在短時間內有意識地屏住呼吸。這種本事可以防止水或灰塵進入我們的肺，在肌肉活動之前維持胸腔大小，以及一口氣說上一長串話。屏住呼吸對我們來說是輕鬆自然的事，沒想到科學還沒法對這種能力的生理機製作出合理解釋。

　　(要是你還憋著，先鬆口氣吧。)

　　我們先來考慮一個似乎很簡單的問題：憋氣能憋多久是由什麼決定的？研究這個問題其實相當困難。雖說所有哺乳動物都會屏氣，可誰也沒法去跟實驗動物說，你憋個幾秒鐘不要呼吸。所以，只能在人的身上研究屏氣。屏氣太久會造成大腦缺氧，隨之可能會失去意識、導致腦損傷甚至很快死亡。正因為存在這些危險，很多可能提供有用信息的實驗因不道德而不能開展。甚至，過去一些意義非凡的研究也因為違背現在人體實驗的安全準則而無法重複。

　　不過，研究人員找到了別的途徑，開始著手回答有關屏氣的問題。他們的發現不僅能推動人體生理學發展，也許最終還能通過醫學和法律措施來拯救生命。

　　屏氣極點

　　1959年，美國紐約州立大學水牛城分校醫學院的生理學家赫爾曼·拉恩( Hermann Rahn)，採用了一系列獨特的方法來屏住呼吸：減慢新陳代謝、過度呼吸、以純氧充盈肺部等，最終屏氣時間達到14分鐘左右。愛德華·施耐德(Edward Schneider)也做過類似的事。他在紐約米切爾軍事機場的航空醫學軍事技術學院工作，後來又去了衛斯理大學，是研究屏氣的先驅之一。據他的描述，在20世紀30年代， 一位受試者曾在類似條件下屏氣長達15分13秒。

　　科學研究及日常經驗告訴我們，多數人在最大程度地吸入空氣後，最多也只能屏氣一分鐘左右。為什麼不能憋得更久呢？單靠肺部所能容納的氧氣可以支撐大約4分鐘，但幾乎沒有人能在不經過訓練的情況下，讓屏氣時間接近這個數值。同樣，在一分鐘這個限度，需要呼出的二氧化碳(細胞消耗營養物與氧氣所產生的廢氣)在血液中也尚未積累到有毒濃度。

　　人浸沒在水裡可以憋氣憋得比較久。一部分原因可能是，在水裡有更強的動機來屏住呼吸：避免水進入肺部。水生哺乳動物和鳥類在潛水時會降低自身新陳代謝率，但人類是否也有這樣的經典潛水反射還不清楚。不過，上面所說的規律仍然適用：潛水員屏住呼吸後，不到真正缺氧的地步就會感到迫切需要吸上一口氣。

　　施耐德觀察到，「實際上，就算在水裡，人也幾乎不可能由於主動憋氣而憋到失去意識。」在非常環境中，或許偶爾會出現失去意識的情況，比如極限潛水比賽；也有奇聞軼事提到，有小孩因為憋氣憋太久而暈過去。但實驗室研究結果確認，正常情況下，成年人是不會因為自己屏住呼吸而昏迷的。氧氣不足或二氧化碳過量會損傷大腦，但在那之前，就會有某些原因讓我們到達研究人員所說的屏氣極點(break point)，從而忍不住喘氣。

　　解釋屏氣極點，有一種合理的假設認為，體內有專門的感受器來監控屏氣相關的生理變化，並在大腦「宕機」之前啟動呼吸。根據這種假設，上述感受器要麼可以察覺出肺和胸腔的擴張時間過長，要麼可以監測出，血液(或大腦)中氧氣濃度在下降(或二氧化碳濃度在上升)。但這些想法似乎都站不住腳。從20世紀60年代到90年代，英國倫敦查靈十字醫院亞伯·古茲(Abe Guz)實驗室的海倫·R·哈蒂(Helen R. Harty)與約翰·H·艾西爾(John H. Eisele)分別通過多種實驗，排出了肺部中存在體積感受器的可能性。當年在美國北卡羅來納大學的派屈克·A·弗盧姆(Patrick A. Flume)也得到了類似的結論。他們的實驗顯示，無論是肺移植病人(肺與腦之間的神經連接中斷了)，還是脊髓全麻的病人(胸肌的感覺感受器被阻斷)，都無法長時間屏住呼吸(不過有一點很重要，那就是這些麻醉實驗沒有影響到膈肌，後面我們就會講到具體原因)。

　　另外，研究似乎還表明，所有已知的監測氧氣和二氧化碳濃度的化學感受器(化學受體)都沒有參與屏氣機制。人體中，已知唯一可以監測低水平血氧濃度的受體位於頸動脈，就在頜骨角下方，此處是向腦部供血的通道。而監測二氧化碳濃度的化學感受器位於頸動脈和腦幹，腦幹控制著規律呼吸等不受意識控制的功能。

　　到達屏氣極點的強烈感覺如果是由氧氣的化學受體引起的，那麼一旦沒有反饋，人們就應該會把自己憋到昏迷。而加利福尼亞大學洛杉磯分校卡爾曼·沃瑟曼(Karlman Wasserman)的實驗室的研究則表明，即使切斷頸動脈的化學受體與腦幹之間的神經連接，病人仍然無法把自己憋暈。

　　此外，如果單憑氧氣濃度低或二氧化碳濃度高就能決定屏氣極點，那超過某個閾值後，人就無法繼續屏氣了。可無數研究說明事實並非如此。按上述假說，氣體濃度觸發屏氣極點之後，在動脈內氧氣和二氧化碳濃度恢復到正常水平之前，人是不可能繼續屏氣的。但這有悖於科學家在上世紀初無意觀察到的結果。1954年，梅奧醫學中心(Mayo Clinic)的沃德·S·福勒(Ward S. Fowler )正式記述過這樣的現象：實驗者屏氣達到極點之後，即使只是吸入一口窒息性氣體(asphyxiating gas，經吸入而直接引起窒息作用的氣體)，也能夠立馬再次屏氣，甚至第三次屏氣，儘管這會使血液中的氧氣濃度變得越來越低。

　　此後的研究進一步確證，這種不尋常的重複屏氣能力與吸入窒息性氣體的次數、體積都沒有關係。實際上，加拿大麥克馬斯特大學的約翰·R·裡格(John R. Rigg)與莫蘭·坎貝爾(Moran Campbell)在1974年證明，當受試者試圖呼吸時，堵住呼吸道就能讓他們繼續屏氣。

　　綜上所述，所有這些涉及重複屏氣方法的實驗都說明，深吸一口氣的需求與肌肉本身的動作有某種關係，而與交換氣體的功能沒有直接關係。胸腔擴張後自然有收縮的趨勢，除非吸氣肌讓胸腔保持在擴張狀態。因此，研究屏氣極點的科學家便開始在控制呼吸肌的神經、機械機制中尋找答案。除此之外，他們還想弄清楚，屏住呼吸是讓驅動呼吸肌的呼吸節律在意識的控制下中斷，還是讓呼吸肌無法表現出無意識的自動節律。

　　無法重複的實驗

　　正常的呼吸節律從腦幹發送興奮信號開始，神經脈衝通過兩側的膈神經(phrenic nerve)向下傳遞給肺部下方、形如碗狀的膈肌，收到信號後膈肌收縮、肺充氣。神經脈衝停止後，膈肌放鬆、肺收縮。換言之，某種節律性的神經活動模式(中樞性呼吸節律)可以反映呼吸周期。直接由膈神經或腦幹來測量人類的中樞節律目前還存在技術和倫理上的困難。不過，研究人員發明了間接記錄中樞呼吸節律的方法：改為監測膈肌的電信號、呼吸道所受的壓力或自主神經系統(比如心跳節律)的其他變化，例如研究呼吸性竇性心律失常的個體。

　　義大利米蘭大學的埃米利奧·阿戈斯託尼(Emilio Agostoni )採用的就是這些間接方法。他在1963年發現，可以在屏住呼吸但還沒到極點的人身上檢測到中樞呼吸節律。2003年和2004年，我們也在英國伯明罕大學做了相關的實驗。當時，我和研究生漢納·E·庫珀(Hannah E. Cooper)、麻醉師託馬斯·H·克拉特布羅克(Thomas H. Clutton-Brock)用呼吸性竇性心律失常的例子說明，中樞性呼吸節律不會停止，屏住呼吸時也始終存在。因此，屏氣肯定與抑制膈肌的節律性動作有關，很可能是通過膈肌的自主、持續收縮完成的(多個實驗已經表明，正常呼吸要用到的其他肌肉或結構與屏氣沒有關係)。與此類似，屏氣極點可能依賴於由膈肌傳回腦幹的感覺反饋，比如說反映膈肌伸展的程度或異常的疲勞程度。

　　假如真是這樣，麻醉膈肌，阻斷感覺反饋傳到大腦應該就能極大地延長受試者的屏氣時間。上世紀60年代，坎貝爾曾在倫敦翰默史密斯醫院，做了一項堪稱至今最聳人聽聞的一項屏氣實驗，他的目的就是希望能得到和上述推測一致的結果。實驗中，兩名神志清醒、健康的自願者同意接受麻醉，以靜脈注射箭毒素的方式使全身骨骼肌暫時性麻痺(除了一段前臂因為要在有需要時打手勢而沒有麻醉)。自願者靠呼吸機維持呼吸，關掉呼吸機就相當於屏住呼吸，自願者到達屏氣極點時就打手勢，示意把呼吸機再次打開。

　　結果令人震驚。兩位自願者高高興興地讓呼吸機停了至少4分鐘，最後是監控的麻醉師發現，他們血液中二氧化碳濃度已經高得嚇人，於是中止了實驗。等麻藥的勁道過去之後，兩位自願者都表示，既沒有感到窒息的痛苦也沒有覺得任何不舒服。

　　顯然，如此大膽的實驗極少有人敢去重複。也有一些人試圖複製坎貝爾的工作，但沒成功，他們那些勇氣十足的自願者很快達到屏氣極點，血液裡的二氧化碳濃度幾乎還沒來得及上升。實測結果表明，自願者選擇提早結束測試，可能是因為撐開氣門的通氣管(這是一種現代安全措施，當年坎貝爾的實驗沒採取這項措施)造成了不適，而且這些自願者十分清楚，這項實驗可能危及生命。儘管如此，另外一些也很引人注目的實驗同樣認為，麻醉膈肌能延長屏氣時間，比如上世紀70年代，馬克·I·M·諾布爾(Mark I. M. Noble)在查靈十字醫院古茲實驗室所做的實驗。他與同事沒有採取全身麻醉，而是使用了一種生命危險要小得多的辦法：麻醉兩側膈神經，使得只有膈肌麻痺。用這種方法，受試者的平均屏氣時間延長了一倍，而且降低了屏氣時常見的不適感。