欲登顶珠峰，先克服高原缺氧！

人类凭借什么能够耐受在高原环境中活动？北京大学第三医院危重医学科李宏亮医生向大家讲述人类征服珠穆朗玛峰的发展史。 

作者 | 李宏亮 北京大学第三医院  危重医学科  

来源 |医学界急诊与重症频道

一

人类生产生活范围正在向高原扩展

现代交通工具的飞速发展，为人类到高原地区活动提供了极大的便利。以往只有少数高原原住民及专业登山人士出没的高原，现在则有越来越多的摄影爱好者，旅游者前去欣赏美景，寻求心灵之净化。而出于矿物开采，地质勘探，国土防卫等需要，大量的工人、工程师、科研人员、野战部队也逐渐开始活跃在这一片区域。

人类生产生活范围的扩展与原本不适合生存的高原环境不断发生交集，高原地区独特的自然条件对人体的影响就需要认真研究并设法予以解决了。

二

是什么阻挡了人类进军高原的步伐？

缺氧，以及由此衍生出来的呼吸生理调整，恐怕是人体能够耐受在高原环境中活动（acclimatization，高原习服）的最核心所在。

图1、从飞机上俯瞰珠穆朗玛峰南麓。

自1921年人类首次进行尝试以来，攀登地球最高点，即喜马拉雅山山脉主峰——珠穆朗玛峰（珠峰）峰顶（8848米，图1）的多次挑战，均因严重缺氧而宣告失败。直至1953年，新西兰登山家埃德蒙·希拉里（Edmund Hillary）和尼泊尔夏尔巴人向导丹增·诺尔盖（Tenzing Norgay）才借助吸氧，终于实现了人类长久以来征服地球最高点的梦想。

而这一伟大成功，还要归功于英国生理学家Griffith Pugh，正是他在1952年完成的极高海拔下包括氧需求在内的多项生理学研究工作，实现了对高原缺氧的深入认识，进而为准备工作及攀登过程提供强有力的理论和技术支撑。

7年后，在Pugh和Hillary的带领下，喜马拉雅科学登山探险队（Himalayan Scientific and Mountaineering Expedition）在1960-1961年进行了著名的“银色小屋探险”（Silver Hut Expedition）^[1]。

多位生理学家在坐落于海拔5800米的预制小屋里生活了数月之久，从机体运动、肺气体交换、通气控制、血液改变等多个角度对高海拔与人体机能之间的关系进行了系列研究。

由于恶劣的天气和疾病，加上缺乏氧气供应，探险队未能按原计划登顶马卡鲁峰（Makalu，8470米），但在7440米的海拔高度进行了极限运动测定，并首次成功征服阿玛达布拉姆峰（Ama Dablam，6828米）。

1978年五月，印度人Messner和Habeler，在不吸氧气的情况下成功登顶珠峰，创造了人体耐受高原低氧的极限记录（图2）。到目前为止，在所有成功登顶珠峰的人中，能够不借助吸氧就实现这一壮举的比例还不到4%^[2]。

图2、截止到1980年，历年来人类攀登珠峰的最高海拔记录。其中早在1924年，距离珠峰顶仅剩300米的高度。但在没有氧气支持的前提下，这300米的高度直到54年后才终于被攻克。（摘自Journal of Experimental Biology  1982  100: 147-157）

三

高原地区氧浓度低？

事实上，高原地区氧含量低，但氧浓度其实并不低，低的是氧气分压。

地球上的空气是多种气体的混合物，其主要成分为氧气（O₂）和氮气（N₂），两者的浓度相当的恒定，因此大气压下20.93%的氧气浓度，在21350米海拔高度下基本保持不变。

大气压（barometric pressure，BP）也主要是这两种气体分压共同构成的。不同于液体，气体是可以压缩的，地球海洋的表面（即海平面），同时也是“气体海洋”的“洋底”，随着海拔的升高，大气压力逐渐降低，按照计算公式，吸入气体的氧气分压为：

PIO₂ =（PB - SVP）×FiO₂

其中，PIO₂，Partial pressure of inspired oxygen，吸入气体氧分压；PB，Barometric pressure，大气压；SVP，Saturated vapor pressure at body temperature，体温37℃时肺内的饱和水蒸气压，约为47 mm Hg；FiO₂，Fraction of inspired oxygen，吸入氧浓度。

可以看出， PIO₂随着大气压的下降也成比例降低。因此，低气压性低氧（hypobaric hypoxia，HH），而非低氧浓度，是高原低氧的实质所在。需要指出的是，大气压会随着天气的改变（温度、湿度）而出现波动。

根据对包括氧气在内的气体含量的影响，可以将海拔高度进行如下划分：

中等海拔（intermediate altitude）：1500-2500米；

高海拔（high altitude，HA）：2500-3500米；

非常高海拔（very HA）：3500-5800米；

极高海拔（extreme altitude）：5800米以上。

正常情况下，为了满足人体组织代谢的需要，必须有充足的氧气源源不断地从空气吸入肺泡，弥散入肺毛细血管网，经动脉输送回流到静脉，并从静脉或毛细血管网最终输送到细胞线粒体中。

在此过程中，氧分压呈级联式的进行性下降，即生理学所说的氧降阶梯。高海拔下降低的PIO₂，导致驱动O₂转运的气-血压力梯度差要远低于海平面，因此在各个层面的O₂转运过程中，氧分压的降低程度都要远比在海平面下小得多。

四

人体代偿能力不容小觑

幸运的是，人类具有强大的生理调节能力来代偿这种降低的氧压力梯度差，其中最重要的特征就是呼吸深度增加，频率加快，进而增加肺泡通气量，甚至可达到海平面下的4~5倍。这一现象又名低氧通气反应（hypoxic ventilatory response，HVR），主要是低氧刺激位于颈总动脉分叉处的颈动脉体外周化学感受器而引发的反射性反应。

初至高海拔地区，在数小时至数个星期内，随着时间的延长HVR越来越明显，其发生机制如下^[3]：

第一，慢性低氧导致颈动脉体脉络球细胞对O₂的敏感性增加；

第二，中枢神经系统对来自颈动脉体的传入冲动反应性增加。

颈动脉体的脉络球O₂感应细胞发出的传入纤维经颈动脉窦神经投射到大脑孤束核，而后者包含有投射到膈运动核的神经元。膈神经兴奋性增高后，可刺激膈肌产生高通气。

高通气量有助于提高肺泡内及动脉血氧分压，增加组织氧供，同时过度降低肺泡内及动脉血CO₂分压，增加血液碱性。

pH值升高增加血红蛋白（Hb）对O₂的亲和力，氧解离曲线左移，加速毛细血管对O₂的摄取。肺活量和功能残气量短期内都明显降低，约四周后逐渐恢复至基线水平。

Sonmez等在为期一周的攀登土耳其阿勒山（5138米）过程中，分别在1520米、3200米及4200米的高度进行肺活量测定，结果发现其差异并无统计学意义。O₂的肺弥散能力一般也不会受到海拔的影响^[4]。

自上世纪八十年代以来，几个经典的关于高海拔对呼吸生理影响的研究，为科研人员提供了大量宝贵的数据，让我们有幸得以管窥人体对缺氧的耐受极限。

如文初所述，不知是否是一种巧合，地球大陆最高点，基本上也是人体耐受低氧的极限。因此这些研究，无一不是围绕登顶珠峰开展的，本文在此做一简单总结，目的是让医学专业人士，特别是日常处理各种病因导致严重低氧血症的危重症患者的重症医学从业人员，从高原医学中借鉴有益的经验，从而更加深刻地认识氧供氧耗、通气反射等呼吸生理学知识，开拓思路，优化治疗方案，最终更好地服务于临床工作。

五

人体在峰顶的pH值超过了7.7！

1981年，West等对美国医学研究珠峰探险队（American Medical Research Expedition to Everest）成员进行了经典的肺气体交换研究^[5]。

在8050米，8400米及8848米的海拔高度，测定到的气压压强分别为284、267及253托（Torr，压强单位，大气压力的1/760倍，= 1.0 mm Hg，≈133.322 Pa）。利用一台特制的自动采样仪，成功采集到34份有效的肺泡气体样本，其中有4例是在峰顶采集到的（图3）。五人成功登顶珠峰，其中两人在次日凌晨下撤至8050米高度采集了静脉血标本。

研究显示，肺泡二氧化碳分压（PACO₂）随气压降低几乎呈线性下降，在峰顶最低时7.5 托，仅为海平面下（40 mm Hg）的五分之一。假定气体交换率为0.85，意味着肺泡氧分压（PAO₂）仅为35托。考虑到肺毛细血管交换，借助Bohr积分推算出的动脉血氧分压（PaO₂）约为28 mm Hg。在8050米高度的平均碱剩余为-7.2 mmol/L，据此推测前一日在峰顶的pH值超过了7.7。

图3、探险队成员Christopher Pizzo在珠峰顶采集肺泡气体样本。（摘自Journal of Experimental Biology  1982  100: 147-157）

六

呼吸生理改变的探索

1985年，研究者首开使用减压舱模拟高海拔下低气压对人体生理影响的先河。在由美国军方环境医学研究所资质的“运行珠峰II” （Operation Everest II）研究中^[6]，8名健康男性志愿者在减压舱中生活40天，分别在760托（海平面），349托（海拔6400米），282托（7620米），240托（8848米，PIO2 43托）几个不同气压水平下，共采集到27个肺泡及动脉血样本，并进行一系列生理学测定。PIO₂在282托时为55 mm Hg ，在240托进一步降低为43 mm Hg，此时平均PaO₂ 为30.3 ± 2.1 mm Hg，肺泡二氧化碳分压（PACO₂）及动脉二氧化碳分压（PaCO₂）分别为12.0 ± 1.8 和 11.4 ± 1.6 mm Hg，最低值分别为9.8和9.5 mm Hg，对应pH 7.56，平均肺泡-动脉血氧分压差（PA-aO₂）及二氧化碳分压差（PA-aCO₂）非常低，分别为 - 0.8 ± 2.4 mm Hg和0.5 ± 1.4 mm Hg。

血流动力学方面，Swan-Ganz漂浮导管及惰性气体弥散试验发现肺血管阻力随着海拔的升高而增加，并无法通过吸氧来改善，同时肺通气-血流比（ventilation-perfusion ratio，V-P ratio）失调也进行性加重。最大摄氧量跌落至1.2 L/min，同比降低72%。但心功能自始至终保持在海平面下的正常水平。

在“运行珠峰III”（Operation Everest III，COMEX '97）项目中^[7]，八名23 - 37岁的健康男性（宇航员）在4350米的天文台观察者预适应一段时间后进舱。在31天时间内，共完成18个研究项目。所有宇航员均耐受了8000米高度的气压，其中七人成功耐受8848米的气压，平均PaO2 30.6 ± 1.4 mm Hg, PaCO2 11.9 ± 1.4 mm Hg, pH 7.58 ± 0.02 （动脉化毛细血管血）。从海平面到峰顶，血红蛋白（Hb）浓度从14.8 ± 1.4 增加到18.4 ± 1.5 g/dl，体重降低5.4公斤，回到海平面后4天Hb即恢复正常，体重恢复3.4公斤（63%）。在7000米高度最大氧耗（VO2MAX）降低59%。三名宇航员出现一过性的神经系统症状，吸氧后快速缓解。急性高山病（acute mountain sickness，AMS）评分在6000米高度快速增加，在7000米高度达到最高值。

需要指出的是，不同于实地场景研究，低压舱研究排除了寒冷、紧张、饥饿等环境因素的影响，仅仅聚焦于低压低氧这一点，无法真实反映综合因素下的呼吸生理改变。2007年，Grocott等对10名珠峰医学研究探险队成员（9男1女，22 - 48岁），现场采集动脉血标本^[2]（图4）。为排除吸氧对结果的干扰，按照规定，取血时间点在7100米高度为停止吸氧4小时后，在最高点8400米为停止吸氧20分钟后。

结果显示，平均PaCO2在海平面为36.6 mm Hg，在5300米高度为20.4 mm Hg，在6400米高度为18.2 mm Hg，在7100米为16.7 mm Hg，分别对应pH为7.40，7.46，7.51和7.53。因为恶劣的天气因素，研究未能按照原定计划在珠峰峰顶采集到动脉血标本，因此选择了在下撤到的第一个安全点——著名的海拔8400米 “阳台”（Balcony）作为数据的补救。

即使如此，记录到的PaO₂和SaO₂仍然是有史以来人体的最低记录了：在8400米高度（气压为272 mm Hg，36.3 kPa）采集的四份样本，平均PIO₂为47.0 mm Hg，PAO₂为30.0 mm Hg，PaO₂为24.6 mm Hg（范围为19.1 – 29.5 mm Hg），PA-aO₂为5.4 mm Hg，PaCO₂为13.3 mm Hg（范围为10.3 – 15.7 mm Hg）。由于氧解离曲线左移以及呼吸习服（PaCO₂降低），血红蛋白浓度升高，SaO₂能够保持相对稳定，因此直至7100米高度，动脉血氧含量（CaO₂）仍可达到197.1 ml/L，基本维持甚至略高于在海平面的水平，才8400米才降低至145.8 ml/L，较在7100米降低26%，且个体差异极大。

这一点发现推翻了以往的结论——在5300米高度，由于最大氧耗降低30-35%，因而CaO₂是限制人体活动的主要决定因素^{[5, 8]}（图5）。另外，一般而言PA-aO2随PIO₂的降低而下降，在极度缺氧环境中PA-aO₂一般不会超过2 mm Hg^[9]，在前述“运行珠峰-II”中8848米的模拟海拔下，静息状态PA-aO₂为1.5 mm^[10]。如果PA-aO₂出现异常升高，其可能的原因有分流、通气-血流比失调或肺弥散功能障碍。

此研究中增高的PA-aO₂可代表一定程度的亚临床型的高原肺水肿（high altitude pulmonary edema，HAPE）。

图4、单纯吸空气时，从伦敦到珠峰顶不同海拔高度采集血标本时测量到的气压及吸入氧分压（PIO₂）。其中珠峰顶使用了来自West的研究数据^[5]。（摘自N Engl J Med. 2009 Jan 8;360(2):140-9.）

图5、不同海拔高度下，平均动脉氧分压、动脉氧饱和度、血红蛋白浓度及动脉血氧含量的对比。[摘自N Engl J Med. 2009 Jan 8;360(2):140-9.]

七

应对高原反应策略

了解高原呼吸生理后，紧急处理高原反应的思路自然就清晰了。既然低压低氧引起的呼吸系统改变是始动因素，那么额外提供氧气吸入，或者对空气进行增压就可从根本上解决问题。但在高原环境中，因交通、气象、运输、储备等不可控制的因素制约，氧气往往无法轻易获取，这是吸氧在实际应用中的最大障碍所在。而空气增压，相对来说可在任何条件下施行，其中又有全身及呼吸系统局部增压两种方式。

专业的全身增压设备有伽莫袋（Gamow bag），是以其发明者，科罗拉多大学的Igor Gamow博士的姓氏命名。这是一种聚酯胺纤维面料的圆柱体形状，配有纵向拉链的充气式密封袋，通常可容纳一个成年人，重量约为7公斤（图6）。通过脚泵加压，达到预设压力后泄压阀开始漏气，控制目标压力较基准升高105 mm Hg，在海拔4250米下使用相当于下撤到海拔2100米。在标准尺寸之外，还有更大号的，可同时容纳两人的伽莫袋，特别适用于医务人员治疗危重症患者，或者家长陪同儿童。

图6、使用中的伽莫袋

由法国和德国团队开发的Certec袋则是另外一种构造，包括坚硬、抗拉、摩擦力大的外层和密封性好的聚氨酯内层（图7）。为保证安全，有两个充气阀，两个自动泄压阀，充气压力为220 mB（176 mm Hg），相当于降低海拔2500米，重量4.8公斤。

图7、伽莫袋（左）与Certec袋（右）对比

Jim Duff博士在前两种增压设备基础上，研发了便携式高原舱（Portable Altitude Chamber，PAC）（图8）。尺寸、重量及加压压力同伽莫袋类似，木乃伊造型（头肩空间更大），头端放射状拉链设计，更容易进入舱内，特别是体重大或昏迷患者。

图8、便携式高原舱（PAC）

呼吸系统局部增压即经典的无创/有创正压呼吸机辅助呼吸。对于高原肺水肿患者的治疗，双水平正压通气（BIPAP）或持续呼吸道正压通气（CPAP）可以增加肺泡压力，防止肺泡萎陷，减少肺毛细血管液体渗漏，再结合高浓度氧气供应，是目前最高效，最关键的急性高原肺水肿的治疗手段。

但单纯使用压力而不增加吸入氧浓度，虽然理论上可通过增加气压提高PIO₂，实际应用效果并不理想，可能是因为提供的压力水平（一般不超过20 - 25 cm H₂O）与因海拔升高而降低的大气压力（以数百mm Hg计,1 mmHg = 1.36 cm H₂O）相比差距悬殊。但不管怎样，作为一种氧源不可获取情况下的紧急应对措施，还是有一定疗效的。如果没有电源驱动呼吸机，甚至手动的复苏球囊都可以实现类似的治疗效果。

如何在现有对高海拔呼吸生理认识的基础上，借鉴目前可利用的呼吸支持设备，设计并制造出更多便携、安全、高效的高原呼吸辅助装置，具有巨大的军事及民用价值，对于巩固国防、促进高原地区经济开发、保障旅游/摄影爱好者的生命安全及健康意义重大。为实现这一美好理想，还需要我们付出不懈的努力。

参考文献：

1. Milledge JS: The Silver Hut expedition, 1960-1961. High altitude medicine & biology 2010, 11(2):93-101.

2. Grocott MP, Martin DS, Levett DZ, McMorrow R, Windsor J, Montgomery HE, Caudwell Xtreme Everest Research G: Arterial blood gases and oxygen content in climbers on Mount Everest. N Engl J Med 2009, 360(2):140-149.

3. Wolff CB: Cerebral blood flow and oxygen delivery at high altitude. High altitude medicine & biology 2000, 1(1):33-38.

4. Dill DB, Hillyard SD, Miller J: Vital capacity, exercise performance, and blood gases at altitude as related to age. Journal of applied physiology: respiratory, environmental and exercise physiology 1980, 48(1):6-9.

5. West JB, Hackett PH, Maret KH, Milledge JS, Peters RM, Jr., Pizzo CJ, Winslow RM: Pulmonary gas exchange on the summit of Mount Everest. Journal of applied physiology: respiratory, environmental and exercise physiology 1983, 55(3):678-687.

6. Houston CS, Sutton JR, Cymerman A, Reeves JT: Operation Everest II: man at extreme altitude. Journal of applied physiology (Bethesda, Md : 1985) 1987, 63(2):877-882.

7. Richalet JP, Robach P, Jarrot S, Schneider JC, Mason NP, Cauchy E, Herry JP, Bienvenu A, Gardette B, Gortan C: Operation Everest III (COMEX '97). Effects of prolonged and progressive hypoxia on humans during a simulated ascent to 8,848 M in a hypobaric chamber. Advances in experimental medicine and biology 1999, 474:297-317.

8. Cerretelli P: Limiting factors to oxygen transport on Mount Everest. J Appl Physiol 1976, 40(5):658-667.

9. Hammond MD, Gale GE, Kapitan KS, Ries A, Wagner PD: Pulmonary gas exchange in humans during normobaric hypoxic exercise. Journal of applied physiology (Bethesda, Md : 1985) 1986, 61(5):1749-1757.

10. Sutton JR, Reeves JT, Wagner PD, Groves BM, Cymerman A, Malconian MK, Rock PB, Young PM, Walter SD, Houston CS: Operation Everest II: oxygen transport during exercise at extreme simulated altitude. Journal of applied physiology (Bethesda, Md : 1985) 1988, 64(4):1309-1321.

11. Kofstad J: Oxygen uptake and transport in the human organism on the summit of Mt. Everest. Scand J Clin Lab Invest Suppl 1990, 203:223-226.