想在實驗室內模擬極端環境很困難,幾乎不可能。實際環境才是最終極的實驗室,人類生理機能在這裡將直接和自然環境碰撞。很少有氣壓室能夠模擬高海拔地區的真實狀況,包括變幻莫測的溫度與溼度波動,以及人的因素,像是脫水、生理活動和心理壓力。親赴聖母峰進行地理實察,可補高度控制的實驗室環境之不足。實地調查的過程中,會出現一些較難預測的情況,帶來研究者不曾想過或探討過的意外發現。
2012年的研究與展望
從美國首度登頂聖母峰到2012年,已經過了50年,人事已非,但登山的挑戰依然存在,對於高海拔環境下的生理機制,研究者也依舊滿懷熱忱,渴望解開這個科學謎團。50年前的登山團隊一共有19名成員:五位碩士、五位博士、三位醫師、一群經驗豐富的登山家和他們的支援人員。由於研究是要從醫學角度探討人體暴露在高海拔環境下的狀態,並著重在測量認知能力與心理狀態,因此成員本身就是研究對象。
不論當時或現在,類似的研究都很難爭取到贊助,幸好1963年的遠征,很多單位都捐助了大筆資金,包括國家地理學會、美國國家科學基金會、美國空軍、美國海軍研究署、美國國務院教育與文化事務局、美國軍需部,以及美國國家航空暨太空總署(NASA)。2012年的遠征隊和1963年的成員數目相近,經費也是來自各方,包含國家地理學會和The North Face的大力贊助。隊員有生理學與地質學方面的博士、專精重症與航空醫學(美國空軍)的內科醫師、一個高級研究員、The North Face和國家地理學會精心選拔的運動員、運動攝影師、攝影師、部落客、The North Face產品創新專家,以及美國國家戶外領導學校的資深野外訓練老師。
高遠的目標
世界各地有很多頂尖運動員,在條件惡劣的極端環境下,挑戰體能的極限;The North Face就根據這些運動員回饋的意見來研發產品。The North Face對人類在聖母峰等極端環境下體能表現的關注,促成他們與梅奧醫院的合作關係。梅奧醫院也長期致力於相關研究,在早期航空生理學和飛行員的健康對策上,院內的研究員都扮演了舉足輕重的角色。研究者可以藉由觀察慢性疾病(健康光譜的一端)獲得很多發現;但我們相信,身體強健的運動員(推動著健康光譜的另一端)也有許多值得研究之處。
針對2012年的聖母峰遠征之旅,梅奧醫院的研究員設定了好幾個目標,其中一項是深入了解極高海拔地區的人體極限,也想弄清楚睡眠生理產生變動(快速眼動期的睡眠時間和夜間血氧量的減少)與高山病之間的關係。他們研究肺液調節和肌肉流失的情況,並共同評估裝備與服裝對運動員睡眠生理及體能表現的影響。這次的成果,加上梅奧醫院持續進行的臨床研究,使得缺氧的研究更加完整。登山者即使在最難以攀登的地帶,也會穿戴輕便且不妨礙行動的儀器,讓我們可以24小時不間斷地監測成員行動,全面觀察身體在極端環境下的變化。在整趟遠征過程中,研究人員一共蒐集到270億個資料點。
我們的收穫
令人振奮的是,針對高海拔適應機制的許多研究成果,都能應用在治療數種慢性疾病上。我們的實驗室長期關注患有慢性心臟衰竭的病患,他們的心臟泵血能力比正常情況差。根據美國心臟協會估計,2010年美國約有600萬名病人罹患心臟衰竭,醫療成本將近400億美元,每年大約還會診斷出70萬個新病例。心臟衰竭是美國醫療保險受益人最常被診斷出的疾病,病人的住院率與再次住院率都非常高。這種複雜的疾病是累積而成,病源也非常廣泛,例如高血壓、心臟病、睡眠呼吸中止症、酗酒或病毒感染。目前,許多藥物和治療方法都只針對心臟衰竭的症狀,對心臟本身不具有直接療效。所以,心臟衰竭和高海拔適應的相似之處頗值得玩味。
國家地理學會的專職外地撰稿人馬克‧詹金斯寫過一段話,描述在高海拔環境下爬山的感受:「用膠布把兩塊磚頭分別綁在兩隻腳的腳底,咬住一根吸管,然後沿著樓梯往上衝好幾層。當然,你只能用吸管呼吸。如果你發現自己跟匹賽馬似的氣喘吁吁,鼻孔搧動,嘴角流涎,心臟跳得像在捶胸口,雙腳像裝了好幾袋水泥一樣沉重──歡迎來到高海拔地區。」高海拔環境下最常見的症狀,包括劇烈活動造成的呼吸短促,以及極度疲憊、睡眠障礙、呼吸困難、乏力不適、周邊水腫、肺充血、頭痛、噁心、暈眩或頭重腳輕;這些症狀也正是讓很多心臟衰竭患者鄰近就醫的原因。
人的頸部附近都有一個微小而複雜的器官,叫做頸動脈體,登山者到了高海拔地區後,這個器官會偵測到血液中氧氣濃度的變化,通知大腦立即加快呼吸。頸動脈體也會刺激神經系統,產生類似壓力反應的調節行為,啟動體內一連串的變化,例如神經系統活動增加,釋放腎上腺素等化學介質。近期的測試發現,心臟衰竭(心臟泵血能力下降)會導致血液流量下降,誘發頸動脈體產生反應;這種反應就類似在高海拔地區,頸動脈體偵測到血液缺氧而產生的調節反應。同樣地,頸動脈體也會促使心臟衰竭病患過度換氣,刺激神經系統,產生壓力反應。
高海拔環境下的人體狀態和心臟衰竭之間,還有許多相似之處。過度換氣是高海拔適應的關鍵,卻對大腦的血液流動有負面影響,導致通往大腦的血管收縮,血液裡的二氧化碳濃度下降。於是,一場頸動脈體和大腦之間的戰爭悄悄開打。頸動脈體告訴大腦要呼吸,大腦卻努力減緩呼吸,以提升腦內血流量。夜晚如果出現叢集性呼吸,這場拉鋸戰就很容易爆發,導致類似睡眠呼吸中止症(患者的呼吸會停止超過10秒)的症狀。高海拔登山者常會醒來大口喘氣,這種狀況稱為高海拔地區的陣發性呼吸。
心臟衰竭患者也有類似的呼吸症狀,稱為潮式呼吸(Cheyne-Stokes respiration);患者會喘氣一段時間,再深呼吸幾下。這類症狀和心臟衰竭常見的中樞性睡眠呼吸中止(CSA)有關。高海拔地區呼吸中止不僅導致驚醒次數頻繁,睡眠品質不佳,也讓夜間血氧濃度大幅下降,可能會增加低氧壓力反應。聖母峰研究計畫的假設之一,就是血氧濃度大幅下降,會引起更大的壓力反應,同時提高罹患高海拔相關疾病的風險。心臟衰竭的症狀中,不論是潮式呼吸或是中樞性睡眠呼吸中止,都伴隨較高的死亡風險。
高海拔與心臟衰竭
高海拔登山者還可能面臨另一個問題:他們的肺血管收縮,容易導致肺部血壓升高,稱為肺性高血壓。肺性高血壓會增加高海拔呼吸短促現象,也可能導致水分在肺部累積,也就是所謂的高海拔肺水腫(HAPE)。高海拔肺水腫可能危及性命,有相關症狀的登山者可能需要從山上撤離。根據通報紀錄,高海拔肺水腫發病率從最低2%左右,最高可達70%,取決於攀登速度、最後抵達的海拔高度、登山者睡眠時的海拔高度,還有肺部積水的檢測方式。如果用較快的速度攀爬到海拔4500公尺處,發生高海拔肺水腫的機率大約接近12%到15%。同樣地,心臟衰竭患者常發生肺充血,包含肺部有液體的情形。發生原因通常是肺部儲血及肺高壓,兩種病症都是起因於左心室功能下降。
人體如何調節肺部液體是個複雜的課題,不過最近針對登山者進行的研究也許能提供一些線索。部分研究指出,暴露在高海拔環境下,會造成多數登山者的肺部液體略為增加,但是只有少數情況會惡化成危及生命的高海拔肺水腫。釋放調控壓力的化學介質(例如腎上腺素),或大口呼吸,都有助於排除肺部的液體。另外,最近有研究顯示,一種常用於治療氣喘等慢性肺疾病的吸入型藥物(稱為β-受體激動劑),能加速排除在高地環境下產生的體液,降低肺水腫的發生率。一直以來,這種藥劑都被認為對心臟衰竭患者有不良的影響,實際上卻可能有助於病患加速排除積液。
慢性心臟衰竭患者的動脈血氧濃度相對正常,但由於心臟泵血能力下降,導致供應的氧氣大量減少;血液循環時,只能提供少量氧氣給身體組織。此外,中樞性睡眠呼吸中止,可能進一步導致夜晚的血氧量降低,導致心臟衰竭重病患者產生類似缺氧(氧氣不足)的狀況。心臟衰竭和高海拔環境,都會明顯減少輸送到器官組織的氧氣量。在聖母峰頂,健康登山運動員的血液輸氧量,與平地的心臟衰竭重病患者差不多。
未解之謎
就像1963年的遠征,2012年的紀念遠征隊員日夜攀登聖母峰,飽受各種痛苦。他們大多需要克服各種煎熬,包含疾病、失眠、氣候拖延攀登進度、情緒起伏和身體不適等等,才能登上世界第一高峰。有鑒於這些挑戰,我們依循1963年的模式,把這次成員的生理與心理變化,全部詳實記錄下來,進一步分類分析。為什麼有些人能登上峰頂,有些人卻失敗了?成功的人是如何做到的,失敗的人又為何失敗?為什麼有些人可以適應低氣壓環境,有些人卻不行?這些問題都還是個謎。
雖然如此,聖母峰上的各種研究成果,還是可以應用在更大範圍的環境適應和人體健康研究中。高海拔環境的相關研究,提供了重要的研究模式,供學界深入了解,缺氧對人體造成的急性與慢性影響。透過每一次的遠征,科學家都獲得了少量但重要的資訊,這些資訊結合目前的醫療知識,進而改善病患照護的品質。2012年的聖母峰遠征中,有新一代的研究者參與,他們將會傳承這些精采的知識探索工作,為醫療照護的未來開疆闢土。
本文摘自泛科學2015選書《聖母峰》,由大石國際文化 出版。
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