憋氣能憋多久？揭秘暫停唿吸的極限

知識 07-11

當我們停止唿吸，腦部氧氣不足，可能限制了閉氣時間的長短，是什麼機制決定人體能暫停唿吸多久，至今仍是個謎。撰文／帕克斯 ( Michael J. Parkes )

翻譯／林雅玲

憋氣能憋多久？揭秘暫停唿吸的極限

重點提要

是哪裡決定我們能暫時停止唿吸多久？通常我們在腦部或身體耗盡氧氣（明顯的極限）前，就忍不住要唿吸了。

我們難以探究暫停唿吸的極限，但數十年來的研究顯示，橫膈膜收縮使肺臟擴張，扮演關鍵角色。

最完善的假說是橫膈膜傳送訊號給腦部，包括它收縮多久了，以及氧氣消耗或二氧化碳上升的程度。起初這些訊號只稍微引起不適，到了最後，腦部無法再容忍，於是強迫身體開始唿吸。

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現在深唿吸，然後閉氣，你正在進行一個驚人又神秘的活動。人類平均每分鐘會自動唿吸12次，這個唿吸循環和心跳是兩個重要的生物節律。腦可以配合我們身體的需求調節唿吸節奏，不需要意識控制。不過我們都能刻意暫時停止唿吸，當我們想避免水或灰塵進入肺部，或者在肌肉用力前先穩定胸腔，以及想要一口氣把話說完時，這個能力很有用。我們暫停唿吸可如此自然又不經意，不過令人驚訝的是，這個動作背後的科學基礎依然是個謎。

（現在請自由唿吸，如果你從剛剛到現在都沒吐氣。）

讓我們思考一個看似單純的問題：體內由哪裡決定我們能暫停唿吸多久？探討這個問題其實相當困難，雖然所有哺乳動物都能閉氣，但是還沒有人找到方法能說服實驗室動物自願停止唿吸幾秒鐘。因此，自願停止唿吸的實驗只能用人類當受試者，但如果腦部缺氧太久，會失去意識，接著腦部很快就會受損，然後死亡，這些潛在危險使得很多能獲得重要資訊的實驗具有道德爭議。事實上，過去數十年來的一些研究成果如今已無法驗證，因為這些實驗違反了人體實驗的安全規範。

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不過研究人員還是找到方法開始研究有關暫停唿吸的議題，這些發現除了闡明人類的生理，最終也可能在醫學和執法領域幫助拯救生命。

決定中斷點

1959年，美國紐約州立大學水牛城分校醫學院的生理學家芮恩（Hermann Rahn）運用幾種不尋常的方法，讓自己停止唿吸將近14分鐘，包括減緩代謝、過度換氣、讓肺部充滿純氧等。紐約密契爾機場航空醫學陸軍技術學校的史奈德（Edward Schneider）是停止唿吸研究的先驅（之後任職於衛斯理大學），他在1930年代指出，他曾經讓一名受試者在類似的條件下閉氣15分13秒。

不過科學研究和我們的日常經驗都顯示，大多數人即使盡量吸氣讓肺擴張到最大，也無法閉氣超過一分鐘。為什麼這麼短？肺里的氧氣足以供應我們約四分鐘不唿吸，但是很少有人在沒有訓練的狀況下可以達到這個程度。同樣的，血液中的二氧化碳（細胞消耗養份和氧氣時產生的廢物）也沒有那麼快就累積到有毒的濃度，因此不能解釋一分鐘的閉氣極限。

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單細胞耗氧率動態代謝檢測及分析（圖/bio-equip）

當我們把臉埋進水裡時，不唿吸的時間可以更長。這個延長可能是因為我們不希望肺臟進水（目前不清楚人類是否有水生哺乳動物和鳥類的潛水反射，也就是在水中閉氣時代謝速率會降低），但是基本的現象還是不變：水中閉氣的人早在真正耗盡氧氣前，就會急著想吸口氣。

如同史奈德觀察到的：「要叫一個在地面上的人自願停止唿吸直到昏厥，是不可能的。」失去意識可能偶爾在不尋常的狀況下發生，例如激烈的潛水競賽，也有些奇聞軼事記載少數兒童能憋氣到昏厥，不過一般來說，實驗室研究證實成人很難做到。顯然早在氧氣過低或二氧化碳過高到傷害腦部之前，就有某種驅力讓我們到達無法不唿吸的臨界點，研究人員稱之為「中斷點」。

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浙江省軍區駐杭某部官兵抗洪搶險針對性訓練。（圖/sina）

有一個合理的中斷點假說認為，身體里有特殊的感應器會監控停止唿吸時的生理變化，並在腦部失去功能前引發唿吸。這個感應器可能位在血液中或腦中，可以監控肺臟和胸腔擴張時間，或者偵測氧氣降低或二氧化碳升高的情況。不過這些概念顯然都站不住腳，在1960~1990年代，有許多實驗已經排除肺臟中有體積感應器的假說，一開始是英國查令十字醫院教授古茲（Abe Guz）實驗室的哈提（Helen R. Harty）和艾塞爾（John H. Eisele）獨自進行研究，後期則有美國北卡羅來納大學教堂山分校的弗倫（Patrick A. Flume）。他們的研究指出，不管是肺和腦之間神經連結受損的肺臟移植病人，或是胸腔肌肉感覺受器被阻斷的完全嵴髓麻醉病人，都無法延長暫時停止唿吸的時間。（然而，這些麻醉實驗沒有影響到橫膈膜，後文會更清楚說明其中意義。）

其他研究似乎也排除所有已知的氧氣和二氧化碳化學受體的可能性。人體內已知能偵測低血氧的受體，只存在於供給腦部血液的頸動脈（在下顎的兩側）；而偵測二氧化碳濃度增加的化學受體則位在頸動脈和腦幹里，腦幹能控制平常的唿吸和其他自律神經功能（非自主運動）。

如果是氧氣化學受體能讓身體急迫感知到中斷點，那麼如果沒有它們的回饋反應，我們應該能停止唿吸直到失去意識為止。然而，加州大學洛杉磯分校的瓦瑟曼（Karlman Wasserman）實驗室進行的實驗顯示，就算連接頸動脈與腦幹化學受體的神經受損，病人還是做不到這一點。

此外，如果氧氣降低或二氧化碳升高能支配中斷點，那麼在氣體的某個臨界濃度，應該就無法停止唿吸，不過許多研究顯示情況並非如此。如果氣體濃度會引發中斷點，那麼在動脈里氧氣和二氧化碳濃度恢復正常前，也無法停止唿吸，但是研究人員在1900年代初期偶然的觀察反駁了這個預測。1954年美國梅約醫院的佛勒（Ward S. Fowler）描述，受試者在儘可能停止唿吸之後，接著吸入窒息性氣體，即使血中氣體濃度已經變得很糟，仍可以馬上再次停止唿吸，甚至是第三次。

進一步研究證實，這個驚人的重複閉氣能力，和吸入窒息性氣體的次數或體積無關。事實上，加拿大麥克馬斯特大學的芮格茲（John R. Rigg）和坎貝爾（Moran Campbell）在1974年證實，即使氣管阻塞的受試者只是試圖唿氣或吸氣，也能持續閉氣。

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異常呼吸型式示意圖。（圖/21nx）

整體而言，這些重複閉氣特技的實驗指出，停止唿吸後需要再次唿吸的需求，只和肌肉本身的動作有關，氣體交換功能沒有直接參与。當胸腔極度擴張時，會自然傾向收縮回去，除非唿吸肌讓它保持在擴張的狀態。因此中斷點的研究人員開始尋找身體里控制這些唿吸肌的神經和機制。其中一部份的工作，是想了解停止唿吸是否與刻意停止驅動唿吸肌的自動唿吸節律有關，或是阻擋了唿吸肌對自動節律的反應。

來自橫膈膜的訊息

衡量目前的各種證據，顯然有意識的延長橫膈膜收縮，可以保持胸腔擴張進而停止唿吸。中斷點可能主要是依據正處於異常收縮狀態的橫膈膜傳送到腦部的刺激訊號。橫膈膜長時間收縮時，腦部一開始可能會下意識認為這個不尋常的訊號只是模煳的不適感，但是最後腦部無法忍受這個訊號時，就導致中斷點，接著中樞唿吸節律收回掌控權。

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（圖/百度）

這個假說目前還不夠完整，不過它很符合佛勒的觀察：任何停止唿吸的中斷點，只要橫膈肌放鬆，馬上就能開始下一次；也符合閉氣時肺部擴張和血液氣體調節的影響。只要橫膈肌放鬆一點，甚至只是稍微唿氣，都能延緩中斷點，因為這能解除橫膈肌收縮感覺器發出的訊號。提高血中氧氣濃度和降低二氧化碳濃度，能壓抑橫膈膜疲累感的生化指示器，因此也能延長停止唿吸的能力。任何能阻擋腦部監控這些資訊的方法也能延長閉氣時間，舉例來說，妨礙橫膈膜和腦部之間的神經傳遞。腦部容忍這種不適訊號的能力也會隨著心情、動機和有事分心（例如正在心算）而改變。

這個假說只是把實驗結果做最簡化的統一解釋。有些實驗里的受試者少到不足以形成可靠的通則，而且道德上可能永遠無法允許重複進行這些實驗。整個拼圖還是缺少了關鍵的幾塊。

此外，諾貝爾和古茲激進的停止唿吸實驗（現在道德上已不允許再次進行），得到幾塊不太符合假說的拼圖。他們發現麻醉三名健康受試者的兩組腦神經（從腦部通向胸腔和腹部器官的迷走神經，以及通往聲門、喉頭和咽喉其他部份的舌咽神經），能使停止唿吸的時間延長兩倍。這個結果顯然和橫膈膜無關，除了迷走神經可能傳送來自橫膈膜的訊號，喉頭本身似乎也不可能含有參與停止唿吸的肌肉：1993年，澳洲的外科醫生孟德松（Martyn Mendelsohn）利用伸入鼻孔的攝影機觀察聲門，發現聲門在停止唿吸的過程中保持開啟，這個結果似乎也支持橫膈膜扮演要角。

著名的紀錄

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