极限生理学:珠穆朗玛峰到海底

同情对人类的共存至关重要。这是社会能够运转的因素之一，但我们从未完全理解它是如何发展的。

新生儿通过情绪传染对他人的痛苦做出反应，这意味着如果他们看到有人在笑，他们也会笑，如果他们看到有人在哭，他们也会开始哭。大约两岁左右，蹒跚学步的孩子开始安慰他们的朋友，如果他们看到不好的事情发生在他们身上。但我们还没有真正了解这些里程碑之间发生了什么。

这个问题正是日本京都大学的Yasuhiro Kanakogi和他的团队一直在研究的问题，他们本周在PLoS ONE上发表了他们的研究成果。研究人员制作了一些蓝色球和黄色立方体的动画。在动画过程中，其中一个形状是“坏的”，另一个是“好的”。坏形状追着另一个到处跑，撞到它，最后把它压扁了。他们把这些视频给40个10个月大的孩子看，然后测试他们对这些形状的反应，看他们是喜欢攻击者还是受害者。

研究人员观察了受试者的眼球运动，但他们并没有优先看一个形状而不看另一个。然而，当视频结束后让他们选择形状时，绝大多数人都优先选择了受害者。为了确保孩子们不只是害怕具有攻击性的形状，研究小组随后引入了一个中性的形状(红色圆柱体)。再一次，尽管没有证据表明他们更喜欢外表，但当让他们在受害者的形状和中性的形状之间做出选择时，他们选择了受害者。当被要求在中性形状和攻击性形状之间做出选择时，他们选择了中性形状。

虽然还需要做更多的研究来检验这种效应如何与同情心的长期发展相适应，但这项任务表明，从10个月大开始，孩子们就能理解攻击性事件的因果关系，而且不会对情绪反应做出反应(这些形状没有表现出不安，排除了情绪传染的可能性)，他们会优先选择受害者，这表明他们对他人有初步的同情心。

马克100多年前，也就是1908年，西伯利亚通古斯地区发生了一场巨大的爆炸，撕裂了天空。它夷平了周围超过2000平方公里的森林。

目击者称，他们看到这个巨大的物体穿过大气层，然后爆炸，结果可能是在离地面几公里的地方。据估计，这次爆炸相当于3到5百万吨TNT。这比美国最大的核武器威力大5倍。

显然，对此的主要理论是，有什么东西来自太空——一颗小行星或一颗彗星，并在进入时破裂。但问题是，科学家们从未发现任何残留物。尽管进行了许多科学考察，但没有找到碎片，这为许多其他可能的原因的猜测留下了余地——反物质、黑洞、外星人，各种各样的东西。我想它甚至出现在《X档案》的一集里。现在的情况是，由乌克兰科学家维克多·克瓦斯尼茨亚(Victor Kvasnytsya)领导的一个小组发现了非常小的岩石碎片，每块不到一毫米宽，看起来很像来自流星。他们在右边泥炭层可以准确地确定爆炸发生的时间。这些看起来是这次爆炸中最有力的岩石样本。

凯特:在我们聊天之前，我在谷歌上搜索了一下，上面有成千上万棵树的图片，它们躺在一边。如果我们认为这是一次巨大的碰撞，为什么我们没有发现大量的岩石?为什么我们只找到这些小碎片?

马克:嗯，问题就在这里。如果有一颗铁基小行星进入太空，那么它的密度会足够大，可以在地球大气层中幸存下来，你会发现大块的铁散落在这个地区。你还会看到一个巨大的陨石坑，比如亚利桑那州的陨石坑。

科学家们对通古斯事件的看法是，它基本上是一个更脆弱的身体。它没有那么稠密。它没有那么坚固，这就是它破裂的原因。当它在巨大的爆炸中解体时，它几乎把所有的物质都蒸发成很小很小的碎片。

现在，之前的探险已经发现了数百个他们所谓的“黑色磁球”，基本上是土壤中的微小物质球，但它们从来没有被明确证明是通古斯流星的一部分。相比之下，这些碎片更大，你可以从中获得更多的信息。它们含有一种叫做朗斯代尔石的碳，它有一种晶体结构，介于石墨和钻石之间。只有在极端高温和高压下才会形成，你经常会在陨石中发现它。他们还发现了铁基矿物，其中一种是铁镍合金，它在碳中呈脉状分布，其组成比例与其他富铁陨石非常非常相似。

凯特:这是全面的吗?所有的小行星都一样吗?有没有某种特征我们可以确定是来自流星的呢?

马克:嗯，有一件事是不符合的，这就是为什么关于这个问题还会有争论。几乎所有的陨石都含有很高含量的稀有金属铱和锇，这些金属在地球上都存在于地壳深处。你在地表上找不到多少。所以，在你发现高浓度的地方，它们通常来自太空中的物体。这些样本中铱和锇的含量介于地球岩石和太空岩石中铱和锇的含量之间。所以，这有一些不确定性。该团队现在将回去做进一步的同位素测试，试图确定它的外星起源。

凯特-但在那之前，我想阴谋还会继续。

马克:它们确实很有趣。所以，我相信他们会的。

巴斯大学、卡迪夫大学和剑桥大学的团队获得了300万英镑的资助，以研究一种新的建筑技术;自修复混凝土。

混凝土对于建筑物和地基的结构完整性至关重要，虽然我们可能认为它是一种持久的材料，但随着时间的推移，微小的裂缝会形成，从而削弱它。

这些裂缝让水进入，水会冻结并扩大裂缝，直至加固大块混凝土的钢框架。当钢架被腐蚀时，它会停止将所有混凝土拉在一起的张力，使其变弱。修复这种混凝土的成本很高，但水泥生产产生的二氧化碳约占世界二氧化碳排放量的7%。因此，如果我们能减少需要修复或更换的混凝土的数量，我们不仅可以节省资金，还可以减少二氧化碳的总排放量。

这些团队提出的想法是，通过在液体混凝土中浸渍数千个含有细菌的微胶囊，使混凝土能够自我修复。这些细菌产生方解石，一种碳酸钙的晶体。因此，当裂缝形成，微胶囊被打破时，产生的方解石不仅会堵塞裂缝以防止水进入，还会耗尽裂缝中的氧气，从而防止金属框架被腐蚀。

有几个障碍需要克服，首先要设计出能够承受混凝土内部巨大压力的微胶囊，但当暴露在水中时，微胶囊会裂开，形成裂缝。细菌也必须仔细选择，因为它们必须在混凝土的碱性条件下存活，并可能存活数百年。研究小组开始从习惯于高pH条件的苏打湖中选择细菌，并决定使用产生惰性内部孢子的细菌(类似于炭疽，但肯定不包括炭疽)。这样，当胶囊被裂缝打破时，水可以激活惰性细菌的萌发，这些细菌会自然地开始生产材料来堵塞空隙!

极限运动的爱好者们一直在测试自己的极限，但现在，一个了解我们的身体对极端环境的反应有助于医疗专业人员在重症监护中治疗危重病人。伦敦大学学院海拔和极端环境医学中心的丹·马丁也加入了我们的行列。

凯特—2007年，作为“极限珠穆朗玛峰”项目的一部分，您登上了世界最高峰珠穆朗玛峰。在那座山上，我们能做些什么来了解我们的身体在海拔高度上是如何变化的?

丹:嗯，2007年去那里的目的是观察志愿者们是如何适应非常低的氧气水平的，不仅是上山，还有到达我们建立了一个大实验室的大本营。我们想看看我们是否能找出生理机制来决定谁在高海拔环境下表现良好，谁表现不佳，也许这能让我们更多地了解类似的情况重症监护病房的病人，几乎所有人，在他们呆在重症监护病房的某个时间点他们的血液中暴露在非常相似的氧气水平。

凯特-现在，在你从山顶下来的路上，你抽了自己的血，得出了有史以来最低的血氧。拿到那张唱片是什么感觉?

丹:当时，我们显然没有意识到这个数字有多低。我们一小群人在刚到山顶的地方停了下来，那天的天气并不完全是我们想要的，因为天气有时会变。风太大了，我们不能脱掉衣服，暴露自己，因为你必须从腹股沟的动脉中抽血，所以你必须脱下那些你在珠穆朗玛峰山顶看到的人穿的大羽绒服。所以，我们下降了一点，做了一个小庇护所，从彼此身上取血，然后把样本冲下山去。直到那天晚些时候，我们才看到实验室处理过的数据，我们真的很惊讶这些数据是如此之低。

凯特:你当时戴着氧气面罩吗?因为我知道很多登山者都戴着氧气面罩登顶珠峰。这会影响你的血氧水平吗?

所以，我们确实是带着氧气攀登的，我们当然是带着氧气登顶的，因为我们觉得那样更安全。但是当我们来到采集样本的避难所时，我们把氧气拿掉，然后坐下来休息了大约20分钟，半小时，以确保氧气从我们的血液中被冲走，然后我们采集样本。

凯特:你之前谈到了不同的人对海拔的生理反应。如果你的酒精含量最低，这是否意味着你对其他人的反应更差?为什么会这样?

丹:这可能表明，我和其他很多人，只是他们没有经过测试，有一种惊人的适应低氧水平的能力，实际上，你的血氧水平是高还是低可能根本无关紧要。这是我们真正感兴趣的深层的适应过程。

凯特:正如你刚才提到的，这不仅仅是关于我们血液中的氧气含量。也和它如何到达我们的组织有关。在海拔高度上是如何变化的?我们怎么知道有多少氧气真正进入了我们的组织，以及这个系统如何有效地应对海拔?

丹:2007年，我们研究了很多控制我们所说的“氧气输送”的过程。所以，有多少氧气离开你的肺和心脏，并通过循环系统被推到需要它的组织。有趣的是，从我们的发现来看，做得好的人和做得不好的人之间几乎没有什么区别，就输送的氧气量而言。这也反映了我们在重症监护室看到的情况，所以，我们现在真正关注的是氧气是如何在微观尺度上通过微循环输送的，微循环是指穿过所有组织和器官的非常微小的血管。更重要的是，组织和细胞是如何利用氧气的组织中的线粒体以及它们对不同人的反应是如何不同的。

凯特:我们都很熟悉伤员脸上的氧气面罩，我想这和你戴的登山面罩有点相似。如果我们在微观层面上观察氧气，我们在重症监护中想象的氧气面罩，我们怎么知道它以正确的方式起作用?

丹:嗯，这可能没有帮助，这是我们正在研究的策略的一部分。氧气是非常有害的。它是一种有毒物质，如果浓度很高，它会对你身体的组织造成很大的损害。所以，我们正在努力寻找一种治疗低氧患者的替代方法，这可能涉及到使用药物和策略来改变细胞水平上发生的事情。我们知道，当线粒体长时间暴露在低氧环境中时，它们的行为会非常不同，也许我们可以通过某种药物，最终改变它们的工作方式。

凯特:当你去珠穆朗玛峰的时候，为了避免高原反应，你爬得很慢，随着时间的推移，你的身体会适应你之前提到的低氧水平。当我们进入重症监护病房时病人的氧气含量很低，他们还没有时间去适应。我们的想法是要找出如何让重症监护病人采用更有效的系统来处理低氧水平吗?

丹:是的，当然。我们没有尝试去做的是观察人们可能受到的非常严重的伤害。例如，他们发生了交通事故，被送进了事故和急诊室，这是他们血液中氧气含量的急剧变化，这些人绝对需要氧气来帮助他们度过难关。但当你的病情逐渐加重，我们在重症监护室照顾病人数周甚至数月，他们会产生与登山者攀登高山时产生的相同的适应能力。我们也许可以改变那些不太适应的人的情况，让他们的细胞和微循环在低氧环境下工作得更好。

凯特:我们能鼓励这些改变发生吗?

丹:我们当然可以。我们正在研究一种叫做一氧化氮的物质，这是一种在体内自然产生的物质，它有助于控制微循环，并改变线粒体在不同情况下的工作方式，我们已经看过之前的一个实验，当我们2010年去阿尔卑斯山时，我们改变了体内一氧化氮的含量，看看当你暴露在低水平的氧气中时，它是否会改变细胞过程。

凯特:我们还在去珠峰和其他山区旅行。我们接下来可以做什么实验来进一步了解低氧水平?

我们近期没有返回的计划，但我们使用的另一种策略是我们和美国杜克大学的同事一起工作，他们有一个低压舱，在这个舱里，环境要比在珠穆朗玛峰的顶端安全得多。因此，我们可以对一小群人进行侵入性的、非常集中的研究。所以，我认为这可能是我们下一步的工作，看看未来一些非常详细的研究。

凯特-那低压舱是怎么工作的?这会改变压力水平吗?

丹-是的，确实如此。所以，它模拟高海拔。如果你喜欢高压氧舱，那就正好相反，人们更熟悉高压氧舱是用来治疗潜水员减压病的。在这个腔室里，压力是降低而不是增加的。所以，就好像你在上升到很高的高度，但这确实意味着你可以有一个非常安全的内部设置，如果在实验中出现问题，你可以迅速让人们出来。

在其他地方，我们讨论了自由潜水的一些挑战，缺乏空气，压力，但我认为我的第一个问题是水太冷了。我们采访了朴茨茅斯大学的希瑟·伦特(Heather Lunt)，她研究了人体对浸泡在极冷的水中的反应。

凯特:希瑟，我上小学的时候经常在露天游泳池里游泳。它没有暖气，我经常因为脸色发青而被赶出游泳课。那么，像我这样的人被扔进冰冷的水里会怎么样呢?

希瑟:首先，当你进入冷水时，你可能会大口喘气，然后呼吸非常快，无法控制地呼吸，所以你不能说话，而且心率非常高。现在，我们称之为冷休克反应，这是在冷水中最初几分钟发生的事情。

凯特-我想这没什么用。当你喘气的时候，所有的冷水都会涌进你的肺部。这是你可以学会控制的吗?

希瑟:嗯，这是我们可以习惯的东西，我们可以通过反复浸泡在冷水中来习惯。但实际上，我们的想法是，在可能的情况下，我们应该慢慢进入水里，这样我们就能减少这种冷休克反应，另一个建议听起来有点迂滥调，当你在干燥的陆地上，但尽量不要惊慌，只要保持你的气道高于水位。

凯特:从长远来看，当你在最初的冲击后被困在水里时，会发生什么?

希瑟-你已经克服了冷休克反应。你的呼吸需要2到3分钟才能平静下来。我们开始看到身体逐渐冷却。它需要3到30分钟，这取决于很多因素，比如你所在的水温，你体内的脂肪量，还有，你会得到我们所说的神经和肌肉的冷却。因此，你开始缺乏以协调方式移动手指和脚趾的能力。

凯特:我们说到极冷的水是什么意思?你说的有多冷才会开始变得危险，我们开始失去这种感觉和保持漂浮的能力?

希瑟:我们说的冷水是指正常的海水温度。在英国，夏季的标准海水温度在15、16、17度之间。我们认为这是冷的，但我们经常看到游泳者在开放的游泳池，在更低的温度下进入利多。

凯特:我个人是在泳池里游泳的，我敢保证我个人觉得很冷，而且我发现在这么冷的温度下在室外游泳要困难得多。什么时候会变得危险并影响我们的游泳能力?

希瑟:我们将体温控制在37摄氏度左右，我们会积极捍卫这一点。我们有所谓的-我们称之为临床低体温在35摄氏度左右。但早在我们达到那么低的体温之前，手臂的肌肉和神经就会开始冷却到我们无法协调动作游泳的地步。然后我们开始失去连贯性，慢慢地，当温度降到30度左右时，我们就会失去意识。在那之后，死亡就会随之而来。

克里斯:那些比别人更容易受冻的人呢?如果我去游泳池，我通常最多呆20分钟，而我的妻子，我的女儿，和我比起来很小，她们可以在那里呆一整天。是否有些人比其他人更容易被冷浸?

希瑟:当然，体脂是一个指标。隔热层会降低冷却的速度。同时，你所进行的运动量，可能是你站在泳池边而你的女儿在水里非常活跃，所以，产生大量的热量来抵消冷却尽管她的表面积与体积比很大。

凯特:除了身体脂肪之外，还有什么影响吗?我的特别高，但我们能学到什么关于在水中保护自己的知识呢?

希瑟:如果我们知道我们要下水，我们可以确保我们穿着救生衣或浮力辅助设备。我们可以确保我们不会晃动太多，困在衣服里的空气会增加浮力，我们需要做的是一旦我们克服了冷休克反应，我们知道我们的手指会在最初的30分钟左右开始迅速冷却。因此，在我们开始失去以协调的方式使用手指和手的能力之前，我们需要尽早考虑我们的退出策略。

克里斯:那么，如果你被扔进冷水里，你是应该试着游泳来保暖呢，还是应该呆着不动，让你周围有一团温水，这样你就不会很快失去热量了呢?

希瑟:这是一个价值百万美元的问题，而且还在进行研究。我要坐在这边的栅栏上。这取决于你所处的环境，水温，以及你游到安全地点并发出警报的能力。所以，我要在这里保持中立，因为有很多因素涉及到，它必须是一个连贯的决定，这取决于你所处的情况。

你还训练了海伦·斯凯尔顿，她做了骑车去南极的实验。

希瑟-是的。那是美妙的一天，我不仅教会了她体温过低的风险，还教会了她冷空气的影响，以及它们是如何导致非冻伤的——一种神经疾病，还有它是如何导致冻伤的。

凯特-你打算怎么调查这件事?你住在朴茨茅斯。我想你不会只是把人扔进海里然后等你准备好了就把他们扔进去吧。

希瑟:我们在这里有很好的实验室，我们有能力把人放进冷水里，还有一系列的安全标准，这样我们就能确保人们不会受到危险的寒冷。所以，我们不仅有一个冷水箱和浸泡设备，还有一个冷空气室。

克里斯:我以前在医学院听讲座的时候，我记得有人说过，有些人可以在巴伦支海游泳，没问题。还有一些国家的恢复能力要差得多。这些人身上有一些特别的东西。当它们非常非常非常冷的时候，它们不会再打开血管因为这是一个矛盾的现象——当你非常冷的时候，你会让大量的血液流入你的组织，不是吗?

希瑟-是的，我们确实有所谓的狩猎反应。因此，我们在某种程度上对此进行了研究，我们发现当组织变得非常冷时，特别是手指，我们发现动脉血管瘫痪，血管逐渐打开，因此，它将血液释放回组织中，使手部组织重新升温。但是一旦手被稍微加热，这就意味着动脉周围的肌肉能够再次收缩，导致血流量再次减少。这应该是一种保护机制，可以防止因太冷而对组织造成局部损伤。

凯特:我们一直在讨论从我们对这种极端环境的了解到的医学意义上的应用，以及如果我们意外地发现自己处于非常寒冷的水环境中，我们该如何自救。我们还能怎么应用这个呢?

希瑟:最近在医学文献中有一些证据，虽然我不是这方面的专家，但它们表明，选择性大脑冷却可以帮助患者在手术中存活下来。所以，让人变冷会减慢身体细胞使用氧气的速度，这样，就为他们进行某些手术赢得了时间，他们从手术中恢复过来的问题就更少了，因为他们的身体深处变冷了。