零壹貳012 / 雁形目 / 斑頭雁,我為什么能飛越珠峰?

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斑頭雁,我為什么能飛越珠峰?

2020-04-06  零壹貳012

          斑頭雁,外貌平平的普通雁類。

          中等個頭的斑頭雁,全身淺灰色羽毛,翅膀邊緣漸變成褐色,頭頸處是白色。白色的后腦勺上有2條黑杠,一道黑杠從左眼角平繞過腦袋畫到右眼角,另一道黑杠與之平行,從腮幫子繞過腦袋。正是這顯眼的二道杠,標明了斑頭雁不同尋常的身份,它是鳥群中杰出的高空飛行員。

          斑頭雁,我為什么能飛越珠峰?

          每年到秋天,斑頭雁會從青海湖,或者更遠的蒙古國,越過喜馬拉雅山,飛到印度過冬。春天來臨,斑頭雁再次穿越喜馬拉雅山脈,從南方飛回北方,停留在水草豐美的湖泊地區,養育小雁。

          穿越山脈時,海拔越高,空氣中的含氧量越低。在海拔6000米的地方,含氧量只有海平面上的一半。到了8844.43米的珠峰,空氣中的氧氣含量只有海平面上的1/3 。當你到了6000米的高山,吸進一口氣時,進入身體的氧氣量只有平時的一半。

          海拔越高,大氣壓力越低。你呼吸的時候,肺部的氣壓要比外界的氣壓低,空氣才能進入到肺葉。到了高海拔地區,氣壓比平原低,在吸氣時,你必須花更大的力氣擴張肺部容積,讓肺部擴得更大一些,才能使肺內的氣壓變得更低,吸入空氣。

          高山上,呼吸是項很辛苦的活動,你花費了更多的力氣,卻吸進更少的氧氣。鳥類也跟你一樣,斑頭雁飛到高山時,身處低壓少氧的環境,單是呼吸就需要耗費巨大的能量,而此時,斑頭雁還要儲備充足的能量來拍動翅膀,穿越重重山脈。

          一方面是缺氧的環境,另一方面是耗氧量巨大的飛行運動,斑頭雁是怎樣做到的?困擾多年的難題,最近被生物學家和物理學家聯手解開了。

          斑頭雁,我為什么能飛越珠峰?

          斑頭雁飛過的路

          在鳥類漫長的遷徙旅程中,能量消耗巨大,飛行途中越省力越實在。對于鳥類來說,能量消耗低的飛行有兩個關鍵點:一要控制飛行高度,越高越費力。在8000米高空,飛行所需的最低動力比海平面處要高50%。二要乘風而行,也就是利用氣流,搭個順風車。

          斑頭雁的穿越喜馬拉雅山之旅,行程艱難,它有沒有按照節約能量的關鍵點來飛行呢?生物技術研究團隊,給印度、中國青海湖、蒙古的91只斑頭雁裝上了GPS定位器,觀測了它們一年兩次的遷徙行程,記錄下雁兒400多天的數據。

          秋天的南下行程,斑頭雁平均歷時81天,遷徙3152公里,最高的飛行高度達到7290米。春天的北上行程,斑頭雁平均歷時47天,旅程超過3000公里,最高的飛行高度達到6540米。雖然最高飛行高度超過7000米,但是斑頭雁在超過6000米處的幾次飛行時間都很短。95%的時間里,斑頭雁飛行在5489米以下。

          斑頭雁,我為什么能飛越珠峰?

          上圖是斑頭雁飛行的地圖,圖中彩色線條是雁兒的實際路徑,白色線條是最短路徑,白色十字星是喜馬拉雅山脈處超過8000米海拔的幾座高峰。斑頭雁的實飛路程比最短路徑長了112公里,偏向青藏高原的東邊,繞過了最高的山峰。

          斑頭雁選擇了沿著山谷飛行,盡量降低海拔高度。雖然有高飛的能力,但是它們不會超越山頂。斑頭雁做到了長途遷徙中節約能量的第一條,控制飛行高度。

          斑頭雁,我為什么能飛越珠峰?

          那斑頭雁有沒有做到節約能量的第二條:乘風而行呢?并沒有。

          在山區,白天的主導風是谷風,從山腳吹向山頂的上坡風。夜晚的主導風是山風,從山頂吹向山腳的下坡風。斑頭雁通常在夜間和清晨飛行,當它上坡時,遇到的是從山頂下坡的逆風。

          在北上行程中,最大上坡行程是爬過喜馬拉雅山脈屏障,進入青藏高原的一段攀升。翻越高山屏障時,斑頭雁選擇的時間是風力緩和的夜晚,而不是熱流上升的白天。從山腳飛行到山頂,上行的坡度非常陡峭,而斑頭雁只花了8個小時就穿越了5000米高差,上行速度非常快,最低爬山速度為0.8~2.2公里/小時。

          夜間飛行比白天飛行消耗更大,但是夜晚的氣流比白天穩定,湍流更少。夜行趕路的斑頭雁在1天之內翻越了喜馬拉雅山脈,是迄今為止最長爬坡飛行記錄的保持者。

          不依靠上坡風助力,斑頭雁完全憑借自己強悍的身體,揮動雙翼,飛越了喜馬拉雅山脈。

          斑頭雁,我為什么能飛越珠峰?

          斑頭雁的身體秘密

          斑頭雁逆風上坡,穿越山脈的能力,來自于它高效的代謝率。斑頭雁自備一套缺氧環境下的代謝模式,支持它自由自在地在高空翱翔。

          斑頭雁的生活范圍非常遼闊,地面上從南到北,空間上從低到高。從海平面的湖泊地帶,到4000米的青藏高原,再到6000米的喜馬拉雅山脈。斑頭雁一天之內能夠攀升6000米的高度,相比之下,一天之內,生活在平原的我們爬到6000米的高度,不吸氧活不下去。一天之內,生活在高原的夏爾巴人來到平原,也會出現頭暈胸悶的“醉氧”病癥。人類沒法適應短期內劇烈的海拔高度變化,而斑頭雁輕松解決了這個難題,它的秘密在于:有2套代謝模式,平原時用普通模式;高飛時降低新陳代謝率,開啟高效模式。

          加拿大英屬哥倫比亞大學團隊,給斑頭雁做了風洞測試。風洞模擬不同海拔高度的自然環境,斑頭雁背上傳感器,戴上呼吸面罩,面罩提供著不同高度時的低氧空氣(海拔5500米和9000米)。團隊收集了斑頭雁在各種高度下飛行時的心跳、呼吸、體溫、血氧等數據進行分析。測試結果證明了:斑頭雁飛越珠峰不是傳說,它能夠在模擬9000米海拔高度的環境下飛行。

          人工孵化,在平原出生長大,沒有經過野外實戰訓練的斑頭雁,在測試中輕松應對9000米的高空飛行。

          斑頭雁,我為什么能飛越珠峰?

          高空飛行的斑頭雁跟平時有什么不一樣?兩個最讓人震驚的發現,一是心率保持不變,二是體溫下降。

          • 與正常飛行相比,斑頭雁在缺氧情況下飛行時,心率沒有增加。

          你在缺氧時,心臟會跳得更快,加快頻率為身體輸送不足量的氧氣。而斑頭雁即使飛到了9000米的極端高空,心跳頻率也沒有加快,說明了斑頭雁的心臟并沒有達到最大的工作能力,還有余量。

          • 在高飛時,斑頭雁靜脈中的血液會冷卻,冷卻溫度超過2℃。

          你跑步時,越跑越熱,而斑頭雁卻恰恰相反,越飛血越冷。血冷有什么好處?攜帶氧氣的血紅蛋白對溫度很敏感,溫度增高,血紅蛋白結合氧氣的能力下降。斑頭雁降低血液溫度,提高了血紅蛋白結合氧氣的能力。

          斑頭雁,我為什么能飛越珠峰?

          缺氧時,不加快心跳頻率,斑頭雁怎樣保證自身的氧氣供給?高飛時,斑頭雁怎樣做到在運動時不散熱,反而降低血液溫度?兩個問題有一個統一答案:缺氧時,斑頭雁降低了代謝率。斑頭雁在缺氧時的代謝率遠遠低于在普通情況下的代謝率,簡單地說,開啟了缺氧模式的斑頭雁,能夠消耗更低的能量,提供更大的運動量。

          缺氧情況下,斑頭雁休息時的基礎代謝率低于正常狀態時,飛行時的運動代謝率低于正常飛行時。缺氧時,斑頭雁不僅在飛行時切換到最高效的氧氣使用模式,就連休息時也使用了高效用氧模式。降低代謝率的一個方法是減少相對不重要的能量供應,比如消化。舉個例子,斑頭雁在遷徙之前會萎縮腸道組織,減少消化需要的能量。

          在氧氣充足的平原,斑頭雁使用普通代謝模式,氧氣隨便用。到了缺氧的高空,斑頭雁使用低代謝模式,把每一份氧氣用在了刀刃上。這正是它無障礙切換生活空間的秘密所在。

          斑頭雁,我為什么能飛越珠峰?

          最后一個問題:斑頭雁能飛多高?

          看上圖,上圖是斑頭雁的靜脈血氧分壓數據,黑點是正常情況,藍點是中度缺氧狀態,紅點是高度缺氧狀態。在高度缺氧的情況下,靜脈血氧值也有25mmHg,說明了斑頭雁一直保留血氧儲備,在9000米高空飛行時也沒有受到血氧的限制。或者說,斑頭雁在珠峰上沒有受到氧氣稀薄的困擾,它還有潛能飛得更高。

          天高任鳥飛,珠峰不是斑頭雁的極限,天空才是它的盡頭。


          #這很科學#

          參考資料:

          1: “Reduced metabolism supports hypoxic flight in the high-flying bar-headed goose (Anser indicus)”,by Jessica U Meir, etc. elife, Sep.3, 2019

          2:“The paradox of extreme high-altitude migration in bar-headed geese Anser indicus”,Biological Sciences, the Royal Society, Jan.07, 2013

          3:“How Bar-Headed Geese Fly Over the Himalayas”,Physiology, US National Library of Medicine, National Institutes of Health, Mar. 2015

          4:“The roller coaster flight strategy of bar-headed geese conserves energy during Himalayan migrations”,Science 347: 250–254, 2015

          5: “Control of breathing and the circulation in high-altitude mammals and birds”,Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol.

          6:“The trans-Himalayan flights of bar-headed geese (Anser indicus)”,PNAS 108:9516–9519.

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