原文發表于 《科技導報》2025年第7期科技新聞-深度報道

深度解析氧氣感知機制——海豹通過直接感知血氧水平調節潛水時長

灰海豹可能在潛水時直接感知氧氣，而無需依賴二氧化碳

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氧氣是絕大多數生命體賴以生存的基本要素。因此，為調控血液循環與組織中的氧含量，大多數動物進化出了復雜精密的生存機制。然而，有觀點認為，哺乳動物和鳥類無法直接感知血氧濃度，而是以二氧化碳作為替代指標。對于一生中大部分時間需屏氣潛水的動物而言，這一特征為生存帶來了嚴峻挑戰。屏氣潛水會導致二氧化碳濃度增加（高碳酸血癥）和氧氣不足（缺氧）。在

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Halichoerus grypus

在哺乳動物和鳥類中，二氧化碳被認為是調節呼吸的關鍵因子。化學感受器可以檢測到二氧化碳，并即時觸發呼吸調節機制。鯨類、海豚、海龜、海豹等潛水動物需在水下停留足夠時間，以便覓食和躲避捕食者，因此必須耐受顯著的高碳酸血癥和缺氧反應。對這些動物而言，準確判定血氧含量危險閾值是避免發生窒息的關鍵能力。然而，對韋德爾氏海豹的觀測表明，二氧化碳仍是最主要的呼吸調節因子。相比之下，北海獅對血液中的二氧化碳濃度變化敏感性較低，即使血液中二氧化碳含量達到正常值的60倍，其潛水時長仍無任何變化。因此，海洋哺乳動物的血氧感知能力始終存在爭議。

McKnight等以野生灰海豹為研究對象，通過控制吸入氣體中氧氣與二氧化碳的濃度，觀測其對灰海豹潛水行為的影響。值得注意的是，即使吸入的二氧化碳濃度達到周圍空氣的200倍，灰海豹的潛水時長仍無任何變化。然而，改變吸入的氧氣濃度（例如將氧含量加倍或減半）則會顯著影響灰海豹的潛水時長。這一結果表明，海豹能夠在潛水過程中感知血氧水平，并相應調整潛水時長。

McKnight等指出，氧氣感知能力可能在更大范圍內進化，在潛水脊椎動物中可能更為普遍。因此，多數哺乳動物無法感知血氧含量下降或許是一種衍生特征，而非一種遺傳性狀。研究推測，現代脊椎動物的水生4足動物祖先可能具備氧氣感知能力，而由于二氧化碳感知能力足以應對呼吸調節，陸生后代的氧氣感知能力便逐漸退化。這一假說為研究不同類群、物種及種群的血氧感知方式帶來了新的啟示。目前，對于鯨類（研究難度較大）、爬行類動物（通常維持極低的代謝率）如何感知血氧水平，科學界仍然知之甚少。鳥類對二氧化碳的敏感度較低，這可能是由于其具備特殊的單向呼吸系統，能夠有效獲取氧氣，即使在高海拔地區遷徙時，也能規避高碳酸血癥或缺氧風險。潛鳥則可能通過其他調節機制降低缺氧和高碳酸血癥風險。此外，帝企鵝在深潛時仍能維持氣囊和肺部氣體與血液的動態交換，這或許有助于緩解潛水時的缺氧和高碳酸血癥風險。

人類在進化過程中，自然選擇使其衍生出應對慢性高原缺氧和急性自由潛水缺氧的生理機能（如圖所示）。人類最早約在25000年前踏足高海拔地區。與生活在低海拔地區的人類群體相比，世居藏族人群擁有較強的缺氧通氣反應（在缺氧時增強呼吸），而安第斯原住民的血液具備更高的血紅蛋白濃度。值得注意的是，這2類高海拔地區人群均表現出較低的二氧化碳化學敏感性，這可能有助于克服缺氧通氣反應的不適應。日本海女（Ama）、韓國海女（Haenyeo）、印尼巴瑤族（Bajau）等世代以屏氣潛水為生的人群則進化出獨特的生理適應性，包括更大的脾臟（可儲存攜氧紅細胞）和潛水時的脾臟收縮反應（可釋放多余血液進入循環系統）。此外，人類潛水反應還具有高度的可塑性，僅需數周訓練即可延長屏氣時間，維持更高的動脈血氧飽和度，并降低二氧化碳化學敏感性。在未來研究中，應著重探討這些生理適應性是否伴隨直接的血氧感知機制。

理解壓力如何影響氣體感知機制需要更多深入研究。對人類而言，壓力會轉移對任務相關刺激的注意力，從而導致感覺統合失調。對處于生理極限狀態的潛水動物而言，壓力因素則可能干擾潛水協調和氣體管理所需的認知功能。例如，作為深潛動物的北象海豹能夠在水深數百米處進入睡眠狀態，其可能依賴缺氧觸發機制結束睡眠，在尚存足夠氧氣時返回水面。通過降低屏氣頻率，可以避免極端高碳酸血癥和缺氧反應對快速眼動睡眠的阻礙，這一過程對于記憶和學習至關重要。

為深度解析血液循環中的氧氣感知機制，亟待進一步開展研究。未來研究有望借助神經成像技術，通過評估和判定不同氣體混合物引發的大腦皮層激活模式，探究動物辨別氣體成分的具體方式。揭示氧氣感知機制的生理原理將產生廣泛影響，對從動物保護到人類醫學的各個領域具有重要的參考價值。

屏氣潛水中的氧氣感知機制

潛水動物在潛水時必須屏住呼吸，因此，隨著潛水時間延長，缺氧（氧氣不足）的狀態會隨之加劇。潛水動物依靠增加血氧含量、減少耗氧量等生理適應機制來應對這種狀態。圖中按一定比例列出了各物種的常規潛水深度以及最深潛水記錄，以示對比。

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文/Lucy Hawkes，Jessica Kendall-Bar

（原文參考文獻略，譯自

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