我們憋氣能憋多久：肺部氧氣可支撐4分鐘

深吸一口氣，然后屏住呼吸。其實(shí)，你正在做一個(gè)很不可思議的動(dòng)作。平均而言，人類每分鐘會(huì)不由自主地呼吸12次左右，這個(gè)呼吸周期和心跳一樣是人體兩大生物節(jié)律之一。大腦無(wú)需意識(shí)指揮就可以根據(jù)人體的需要調(diào)整呼吸節(jié)奏。同時(shí)，每個(gè)人都能在短時(shí)間內(nèi)有意識(shí)地屏住呼吸。這種本事可以防止水或灰塵進(jìn)入我們的肺，在肌肉活動(dòng)之前維持胸腔大小，以及一口氣說(shuō)上一長(zhǎng)串話。屏住呼吸對(duì)我們來(lái)說(shuō)是輕松自然的事，沒(méi)想到科學(xué)還沒(méi)法對(duì)這種能力的生理機(jī)制作出合理解釋。

(要是你還憋著，先松口氣吧。)

我們先來(lái)考慮一個(gè)似乎很簡(jiǎn)單的問(wèn)題：憋氣能憋多久是由什么決定的？研究這個(gè)問(wèn)題其實(shí)相當(dāng)困難。雖說(shuō)所有哺乳動(dòng)物都會(huì)屏氣，可誰(shuí)也沒(méi)法去跟實(shí)驗(yàn)動(dòng)物說(shuō)，你憋個(gè)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(huì)造成大腦缺氧，隨之可能會(huì)失去意識(shí)、導(dǎo)致腦損傷甚至很快死亡。正因?yàn)榇嬖谶@些危險(xiǎn)，很多可能提供有用信息的實(shí)驗(yàn)因不道德而不能開(kāi)展。甚至，過(guò)去一些意義非凡的研究也因?yàn)檫`背現(xiàn)在人體實(shí)驗(yàn)的安全準(zhǔn)則而無(wú)法重復(fù)。

不過(guò)，研究人員找到了別的途徑，開(kāi)始著手回答有關(guān)屏氣的問(wèn)題。他們的發(fā)現(xiàn)不僅能推動(dòng)人體生理學(xué)發(fā)展，也許最終還能通過(guò)醫(yī)學(xué)和法律措施來(lái)拯救生命。

屏氣極點(diǎn)

1959年，美國(guó)紐約州立大學(xué)水牛城分校醫(yī)學(xué)院的生理學(xué)家赫爾曼·拉恩( Hermann Rahn)，采用了一系列獨(dú)特的方法來(lái)屏住呼吸：減慢新陳代謝、過(guò)度呼吸、以純氧充盈肺部等，最終屏氣時(shí)間達(dá)到14分鐘左右。愛(ài)德華·施耐德(Edward Schneider)也做過(guò)類似的事。他在紐約米切爾軍事機(jī)場(chǎng)的航空醫(yī)學(xué)軍事技術(shù)學(xué)院工作，后來(lái)又去了衛(wèi)斯理大學(xué)，是研究屏氣的先驅(qū)之一。據(jù)他的描述，在20世紀(jì)30年代， 一位受試者曾在類似條件下屏氣長(zhǎng)達(dá)15分13秒。

科學(xué)研究及日常經(jīng)驗(yàn)告訴我們，多數(shù)人在最大程度地吸入空氣后，最多也只能屏氣一分鐘左右。為什么不能憋得更久呢？單靠肺部所能容納的氧氣可以支撐大約4分鐘，但幾乎沒(méi)有人能在不經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的情況下，讓屏氣時(shí)間接近這個(gè)數(shù)值。同樣，在一分鐘這個(gè)限度，需要呼出的二氧化碳(細(xì)胞消耗營(yíng)養(yǎng)物與氧氣所產(chǎn)生的廢氣)在血液中也尚未積累到有毒濃度。

人浸沒(méi)在水里可以憋氣憋得比較久。一部分原因可能是，在水里有更強(qiáng)的動(dòng)機(jī)來(lái)屏住呼吸：避免水進(jìn)入肺部。水生哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類在潛水時(shí)會(huì)降低自身新陳代謝率，但人類是否也有這樣的經(jīng)典潛水反射還不清楚。不過(guò)，上面所說(shuō)的規(guī)律仍然適用：潛水員屏住呼吸后，不到真正缺氧的地步就會(huì)感到迫切需要吸上一口氣。

施耐德觀察到，“實(shí)際上，就算在水里，人也幾乎不可能由于主動(dòng)憋氣而憋到失去意識(shí)。”在非常環(huán)境中，或許偶爾會(huì)出現(xiàn)失去意識(shí)的情況，比如極限潛水比賽；也有奇聞?shì)W事提到，有小孩因?yàn)楸餁獗锾枚鴷炦^(guò)去。但實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果確認(rèn)，正常情況下，成年人是不會(huì)因?yàn)樽约浩磷『粑杳缘摹Ｑ鯕獠蛔慊蚨趸歼^(guò)量會(huì)損傷大腦，但在那之前，就會(huì)有某些原因讓我們到達(dá)研究人員所說(shuō)的屏氣極點(diǎn)(break point)，從而忍不住喘氣。

解釋屏氣極點(diǎn)，有一種合理的假設(shè)認(rèn)為，體內(nèi)有專門的感受器來(lái)監(jiān)控屏氣相關(guān)的生理變化，并在大腦“宕機(jī)”之前啟動(dòng)呼吸。根據(jù)這種假設(shè)，上述感受器要么可以察覺(jué)出肺和胸腔的擴(kuò)張時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，要么可以監(jiān)測(cè)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(jì)60年代到90年代，英國(guó)倫敦查靈十字醫(yī)院亞伯·古茲(Abe Guz)實(shí)驗(yàn)室的海倫·R·哈蒂(Helen R. Harty)與約翰·H·艾西爾(John H. Eisele)分別通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)，排出了肺部中存在體積感受器的可能性。當(dāng)年在美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)的帕特里克·A·弗盧姆(Patrick A. Flume)也得到了類似的結(jié)論。他們的實(shí)驗(yàn)顯示，無(wú)論是肺移植病人(肺與腦之間的神經(jīng)連接中斷了)，還是脊髓全麻的病人(胸肌的感覺(jué)感受器被阻斷)，都無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間屏住呼吸(不過(guò)有一點(diǎn)很重要，那就是這些麻醉實(shí)驗(yàn)沒(méi)有影響到膈肌，后面我們就會(huì)講到具體原因)。

另外，研究似乎還表明，所有已知的監(jiān)測(cè)氧氣和二氧化碳濃度的化學(xué)感受器(化學(xué)受體)都沒(méi)有參與屏氣機(jī)制。人體中，已知唯一可以監(jiān)測(cè)低水平血氧濃度的受體位于頸動(dòng)脈，就在頜骨角下方，此處是向腦部供血的通道。而監(jiān)測(cè)二氧化碳濃度的化學(xué)感受器位于頸動(dòng)脈和腦干，腦干控制著規(guī)律呼吸等不受意識(shí)控制的功能。

到達(dá)屏氣極點(diǎn)的強(qiáng)烈感覺(jué)如果是由氧氣的化學(xué)受體引起的，那么一旦沒(méi)有反饋，人們就應(yīng)該會(huì)把自己憋到昏迷。而加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校卡爾曼·沃瑟曼(Karlman Wasserman)的實(shí)驗(yàn)室的研究則表明，即使切斷頸動(dòng)脈的化學(xué)受體與腦干之間的神經(jīng)連接，病人仍然無(wú)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(diǎn)，那超過(guò)某個(gè)閾值后，人就無(wú)法繼續(xù)屏氣了。可無(wú)數(shù)研究說(shuō)明事實(shí)并非如此。按上述假說(shuō)，氣體濃度觸發(fā)屏氣極點(diǎn)之后，在動(dòng)脈內(nèi)氧氣和二氧化碳濃度恢復(fù)到正常水平之前，人是不可能繼續(xù)屏氣的。但這有悖于科學(xué)家在上世紀(jì)初無(wú)意觀察到的結(jié)果。1954年，梅奧醫(yī)學(xué)中心(Mayo Clinic)的沃德·S·福勒(Ward S. Fowler )正式記述過(guò)這樣的現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)者屏氣達(dá)到極點(diǎn)之后，即使只是吸入一口窒息性氣體(asphyxiating gas，經(jīng)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，盡管這會(huì)使血液中的氧氣濃度變得越來(lái)越低。

此后的研究進(jìn)一步確證，這種不尋常的重復(fù)屏氣能力與吸入窒息性氣體的次數(shù)、體積都沒(méi)有關(guān)系。實(shí)際上，加拿大麥克馬斯特大學(xué)的約翰·R·里格(John R. Rigg)與莫蘭·坎貝爾(Moran Campbell)在1974年證明，當(dāng)受試者試圖呼吸時(shí)，堵住呼吸道就能讓他們繼續(xù)屏氣。

綜上所述，所有這些涉及重復(fù)屏氣方法的實(shí)驗(yàn)都說(shuō)明，深吸一口氣的需求與肌肉本身的動(dòng)作有某種關(guān)系，而與交換氣體的功能沒(méi)有直接關(guān)系。胸腔擴(kuò)張后自然有收縮的趨勢(shì)，除非吸氣肌讓胸腔保持在擴(kuò)張狀態(tài)。因此，研究屏氣極點(diǎn)的科學(xué)家便開(kāi)始在控制呼吸肌的神經(jīng)、機(jī)械機(jī)制中尋找答案。除此之外，他們還想弄清楚，屏住呼吸是讓驅(qū)動(dòng)呼吸肌的呼吸節(jié)律在意識(shí)的控制下中斷，還是讓呼吸肌無(wú)法表現(xiàn)出無(wú)意識(shí)的自動(dòng)節(jié)律。

無(wú)法重復(fù)的實(shí)驗(yàn)

正常的呼吸節(jié)律從腦干發(fā)送興奮信號(hào)開(kāi)始，神經(jīng)脈沖通過(guò)兩側(cè)的膈神經(jīng)(phrenic nerve)向下傳遞給肺部下方、形如碗狀的膈肌，收到信號(hào)后膈肌收縮、肺充氣。神經(jīng)脈沖停止后，膈肌放松、肺收縮。換言之，某種節(jié)律性的神經(jīng)活動(dòng)模式(中樞性呼吸節(jié)律)可以反映呼吸周期。直接由膈神經(jīng)或腦干來(lái)測(cè)量人類的中樞節(jié)律目前還存在技術(shù)和倫理上的困難。不過(guò)，研究人員發(fā)明了間接記錄中樞呼吸節(jié)律的方法：改為監(jiān)測(cè)膈肌的電信號(hào)、呼吸道所受的壓力或自主神經(jīng)系統(tǒng)(比如心跳節(jié)律)的其他變化，例如研究呼吸性竇性心律失常的個(gè)體。

意大利米蘭大學(xué)的埃米利奧·阿戈斯托尼(Emilio Agostoni )采用的就是這些間接方法。他在1963年發(fā)現(xiàn)，可以在屏住呼吸但還沒(méi)到極點(diǎn)的人身上檢測(cè)到中樞呼吸節(jié)律。2003年和2004年，我們也在英國(guó)伯明翰大學(xué)做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，我和研究生漢納·E·庫(kù)珀(Hannah E. Cooper)、麻醉師托馬斯·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(shuō)明，中樞性呼吸節(jié)律不會(huì)停止，屏住呼吸時(shí)也始終存在。因此，屏氣肯定與抑制膈肌的節(jié)律性動(dòng)作有關(guān)，很可能是通過(guò)膈肌的自主、持續(xù)收縮完成的(多個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，正常呼吸要用到的其他肌肉或結(jié)構(gòu)與屏氣沒(méi)有關(guān)系)。與此類似，屏氣極點(diǎn)可能依賴于由膈肌傳回腦干的感覺(jué)反饋，比如說(shuō)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(jué)反饋傳到大腦應(yīng)該就能極大地延長(zhǎng)受試者的屏氣時(shí)間。上世紀(jì)60年代，坎貝爾曾在倫敦翰默史密斯醫(yī)院，做了一項(xiàng)堪稱至今最聳人聽(tīng)聞的一項(xiàng)屏氣實(shí)驗(yàn)，他的目的就是希望能得到和上述推測(cè)一致的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，兩名神志清醒、健康的自愿者同意接受麻醉，以靜脈注射箭毒素的方式使全身骨骼肌暫時(shí)性麻痹(除了一段前臂因?yàn)橐谟行枰獣r(shí)打手勢(shì)而沒(méi)有麻醉)。自愿者靠呼吸機(jī)維持呼吸，關(guān)掉呼吸機(jī)就相當(dāng)于屏住呼吸，自愿者到達(dá)屏氣極點(diǎn)時(shí)就打手勢(shì)，示意把呼吸機(jī)再次打開(kāi)。

結(jié)果令人震驚。兩位自愿者高高興興地讓呼吸機(jī)停了至少4分鐘，最后是監(jiān)控的麻醉師發(fā)現(xiàn)，他們血液中二氧化碳濃度已經(jīng)高得嚇人，于是中止了實(shí)驗(yàn)。等麻藥的勁道過(guò)去之后，兩位自愿者都表示，既沒(méi)有感到窒息的痛苦也沒(méi)有覺(jué)得任何不舒服。

顯然，如此大膽的實(shí)驗(yàn)極少有人敢去重復(fù)。也有一些人試圖復(fù)制坎貝爾的工作，但沒(méi)成功，他們那些勇氣十足的自愿者很快達(dá)到屏氣極點(diǎn)，血液里的二氧化碳濃度幾乎還沒(méi)來(lái)得及上升。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，自愿者選擇提早結(jié)束測(cè)試，可能是因?yàn)閾伍_(kāi)氣門的通氣管(這是一種現(xiàn)代安全措施，當(dāng)年坎貝爾的實(shí)驗(yàn)沒(méi)采取這項(xiàng)措施)造成了不適，而且這些自愿者十分清楚，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可能危及生命。盡管如此，另外一些也很引人注目的實(shí)驗(yàn)同樣認(rèn)為，麻醉膈肌能延長(zhǎng)屏氣時(shí)間，比如上世紀(jì)70年代，馬克·I·M·諾布爾(Mark I. M. Noble)在查靈十字醫(yī)院古茲實(shí)驗(yàn)室所做的實(shí)驗(yàn)。他與同事沒(méi)有采取全身麻醉，而是使用了一種生命危險(xiǎn)要小得多的辦法：麻醉兩側(cè)膈神經(jīng)，使得只有膈肌麻痹。用這種方法，受試者的平均屏氣時(shí)間延長(zhǎng)了一倍，而且降低了屏氣時(shí)常見(jiàn)的不適感。

最好的解釋

因此，綜合不同的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，科學(xué)家推測(cè)，膈肌是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間地主動(dòng)收縮，來(lái)使胸腔保持?jǐn)U張，從而達(dá)到屏住呼吸的效果。在這種情況下，由于沒(méi)有正常收縮，膈肌會(huì)向大腦發(fā)送刺激信息，而屏氣極點(diǎn)的出現(xiàn)，可能就是因?yàn)榇竽X受到這種刺激。在膈肌長(zhǎng)時(shí)間收縮的過(guò)程中，大腦最初也許會(huì)收到一些模糊的信號(hào)，讓我們隱約覺(jué)得不舒服，但最終會(huì)信號(hào)刺激會(huì)變得讓人難以忍受，這時(shí)就是屏氣極點(diǎn)。隨后，自動(dòng)節(jié)律再次控制呼吸。

雖然這種假說(shuō)尚不完滿，但與現(xiàn)有的一些結(jié)果很吻合：一是福勒觀察到的、任何使膈肌放松的動(dòng)作都能讓人再次屏氣；二是肺充氣和調(diào)節(jié)血液氣體對(duì)屏氣時(shí)間的影響。僅僅讓膈肌放松一點(diǎn)點(diǎn)、呼出一點(diǎn)點(diǎn)氣，就可以削弱膈肌感受器發(fā)送的信號(hào)，延遲屏氣極點(diǎn)。提高血液中的氧濃度和降低二氧化碳濃度，也可以讓膈肌中提示疲勞的生化標(biāo)志物減少，增強(qiáng)屏氣能力。任何可以不讓大腦監(jiān)控這些信息的方法都能延長(zhǎng)屏氣時(shí)間，例如阻斷膈肌和腦之間的神經(jīng)連接。大腦對(duì)不適信號(hào)的忍受程度還有賴于情緒、動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)移注意力不去默算時(shí)間的能力。

實(shí)際上，對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，上述假說(shuō)只能作出最簡(jiǎn)單的解釋。因?yàn)椋行?shí)驗(yàn)的受試者實(shí)在太少，沒(méi)法得出可靠的結(jié)論，而倫理上又絕不允許科學(xué)家重復(fù)這些實(shí)驗(yàn)。可以揭開(kāi)屏氣之謎的關(guān)鍵證據(jù)仍然缺失。

而且，諾布爾和古茲實(shí)驗(yàn)室當(dāng)年所做的另一項(xiàng)驚人實(shí)驗(yàn)(如今因?yàn)榈赖聜惱矶荒苤貜?fù))，得到的結(jié)果與上述假說(shuō)并不一致。他們用麻醉兩對(duì)腦神經(jīng)的方法，讓三位健康實(shí)驗(yàn)者的屏氣時(shí)間提升了兩倍。所麻醉的兩對(duì)腦神經(jīng)是迷走神經(jīng)和舌咽神經(jīng)，前者從腦部出發(fā)，支配胸部和腹部的器官，后者支配聲門、喉部以及咽喉處的其他組織。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎說(shuō)明，不用影響膈肌就能控制屏氣，不過(guò)也有可能是，迷走神經(jīng)也攜帶了膈肌發(fā)出的部分信號(hào)。喉部本身的肌肉不太可能參與屏氣：1993年，澳大利亞外科醫(yī)生馬丁·門德?tīng)査? Martyn Mendelsohn)從受試者的鼻孔插入攝像機(jī)，以便觀察氣門。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣門在屏氣時(shí)常常保持著打開(kāi)狀態(tài)，他的這一發(fā)現(xiàn)似乎證實(shí)了膈肌在屏氣中起關(guān)鍵作用的推測(cè)。

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