摘要：氧气是绝大多数生命体赖以生存的基本要素。因此，为调控血液循环与组织中的氧含量，大多数动物进化出了复杂精密的生存机制。然而，有观点认为，哺乳动物和鸟类无法直接感知血氧浓度，而是以二氧化碳作为替代指标。对于一生中大部分时间需屏气潜水的动物而言，这一特征为生存带来了

原文发表于《科技导报》2025年第7期科技新闻-深度报道

深度解析氧气感知机制——海豹通过直接感知血氧水平调节潜水时长

灰海豹可能在潜水时直接感知氧气，而无需依赖二氧化碳

（图片来源：Science）

氧气是绝大多数生命体赖以生存的基本要素。因此，为调控血液循环与组织中的氧含量，大多数动物进化出了复杂精密的生存机制。然而，有观点认为，哺乳动物和鸟类无法直接感知血氧浓度，而是以二氧化碳作为替代指标。对于一生中大部分时间需屏气潜水的动物而言，这一特征为生存带来了严峻挑战。屏气潜水会导致二氧化碳浓度增加（高碳酸血症）和氧气不足（缺氧）。在Science（2025年3月21日）第1276页的研究报告中，McKnight等指出，灰海豹（Halichoerus grypus）可通过直接感知血氧水平而非依赖于二氧化碳浓度来调整潜水行为。这一发现引发了关于其他动物能否直接感知血氧水平的深度思考。

在哺乳动物和鸟类中，二氧化碳被认为是调节呼吸的关键因子。化学感受器可以检测到二氧化碳，并即时触发呼吸调节机制。鲸类、海豚、海龟、海豹等潜水动物需在水下停留足够时间，以便觅食和躲避捕食者，因此必须耐受显著的高碳酸血症和缺氧反应。对这些动物而言，准确判定血氧含量危险阈值是避免发生窒息的关键能力。然而，对韦德尔氏海豹的观测表明，二氧化碳仍是最主要的呼吸调节因子。相比之下，北海狮对血液中的二氧化碳浓度变化敏感性较低，即使血液中二氧化碳含量达到正常值的60倍，其潜水时长仍无任何变化。因此，海洋哺乳动物的血氧感知能力始终存在争议。

McKnight等以野生灰海豹为研究对象，通过控制吸入气体中氧气与二氧化碳的浓度，观测其对灰海豹潜水行为的影响。值得注意的是，即使吸入的二氧化碳浓度达到周围空气的200倍，灰海豹的潜水时长仍无任何变化。然而，改变吸入的氧气浓度（例如将氧含量加倍或减半）则会显著影响灰海豹的潜水时长。这一结果表明，海豹能够在潜水过程中感知血氧水平，并相应调整潜水时长。

McKnight等指出，氧气感知能力可能在更大范围内进化，在潜水脊椎动物中可能更为普遍。因此，多数哺乳动物无法感知血氧含量下降或许是一种衍生特征，而非一种遗传性状。研究推测，现代脊椎动物的水生4足动物祖先可能具备氧气感知能力，而由于二氧化碳感知能力足以应对呼吸调节，陆生后代的氧气感知能力便逐渐退化。这一假说为研究不同类群、物种及种群的血氧感知方式带来了新的启示。目前，对于鲸类（研究难度较大）、爬行类动物（通常维持极低的代谢率）如何感知血氧水平，科学界仍然知之甚少。鸟类对二氧化碳的敏感度较低，这可能是由于其具备特殊的单向呼吸系统，能够有效获取氧气，即使在高海拔地区迁徙时，也能规避高碳酸血症或缺氧风险。潜鸟则可能通过其他调节机制降低缺氧和高碳酸血症风险。此外，帝企鹅在深潜时仍能维持气囊和肺部气体与血液的动态交换，这或许有助于缓解潜水时的缺氧和高碳酸血症风险。

人类在进化过程中，自然选择使其衍生出应对慢性高原缺氧和急性自由潜水缺氧的生理机能（如图所示）。人类最早约在25000年前踏足高海拔地区。与生活在低海拔地区的人类群体相比，世居藏族人群拥有较强的缺氧通气反应（在缺氧时增强呼吸），而安第斯原住民的血液具备更高的血红蛋白浓度。值得注意的是，这2类高海拔地区人群均表现出较低的二氧化碳化学敏感性，这可能有助于克服缺氧通气反应的不适应。日本海女（Ama）、韩国海女（Haenyeo）、印尼巴瑶族（Bajau）等世代以屏气潜水为生的人群则进化出独特的生理适应性，包括更大的脾脏（可储存携氧红细胞）和潜水时的脾脏收缩反应（可释放多余血液进入循环系统）。此外，人类潜水反应还具有高度的可塑性，仅需数周训练即可延长屏气时间，维持更高的动脉血氧饱和度，并降低二氧化碳化学敏感性。在未来研究中，应着重探讨这些生理适应性是否伴随直接的血氧感知机制。

理解压力如何影响气体感知机制需要更多深入研究。对人类而言，压力会转移对任务相关刺激的注意力，从而导致感觉统合失调。对处于生理极限状态的潜水动物而言，压力因素则可能干扰潜水协调和气体管理所需的认知功能。例如，作为深潜动物的北象海豹能够在水深数百米处进入睡眠状态，其可能依赖缺氧触发机制结束睡眠，在尚存足够氧气时返回水面。通过降低屏气频率，可以避免极端高碳酸血症和缺氧反应对快速眼动睡眠的阻碍，这一过程对于记忆和学习至关重要。

为深度解析血液循环中的氧气感知机制，亟待进一步开展研究。未来研究有望借助神经成像技术，通过评估和判定不同气体混合物引发的大脑皮层激活模式，探究动物辨别气体成分的具体方式。揭示氧气感知机制的生理原理将产生广泛影响，对从动物保护到人类医学的各个领域具有重要的参考价值。

屏气潜水中的氧气感知机制

（图片来源：Science）

文/Lucy Hawkes，Jessica Kendall-Bar

（原文参考文献略，译自Science，2025，387（6740））

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