从海平面到珠穆朗玛峰：对肺部与肌肉氧气扩散能力的建模

为什么极高海拔呼吸很重要

想象一下在空气随着每一步变稀薄的山坡上冲刺。登山者、耐力运动员，甚至患有心肺疾病的人，都面临类似的挑战：当氧气稀缺时，身体将空气中的氧气输送到工作肌肉的效率如何？本研究利用一个数学模型，结合百年高海拔远征数据，探讨从海平面到珠穆朗玛峰顶峰时，肺部和肌肉吸收氧气的效率如何变化。

追踪氧气从空气到肌肉的路径

要了解在高海拔的表现，科学家们追踪所谓的“氧级联”——氧气从吸入空气，经过肺和血液，最终进入肌肉细胞以供能的逐步过程。其中两个关键但难以直接测量的环节是氧气穿过肺的气–血屏障的难易程度（肺扩散能力）以及从微小血管进入肌纤维的难易程度（肌肉扩散能力）。在高海拔和全力运动时的直接测量很少，因此作者采用建模方法，基于经典生理学方程，平衡血液携氧量与氧气穿过组织速度来推算这些步骤。

构建一个虚拟的珠峰攀登

研究者汇总了许多研究中在海平面到接近珠峰顶峰海拔范围内的极限运动数据，包括著名的“珠峰行动 II”等实验。这些数据集包含了氧摄取量、心输出量、血氧水平和血红蛋白浓度等指标。随后他们用统计拟合来预测每上升250米这些变量如何变化。利用这些输入，采用一种数值求解方法（文中称为Fibonacci法）对沿肺与肌肉毛细血管的质量平衡方程进行迭代求解，从而估计在每个虚拟海拔步长下，为匹配观测到的氧气消耗，肺和肌肉的扩散能力需要有多大。

随着空气变稀，肺和肌肉如何适应

模型揭示了一个显著的模式。随着海拔升高，肺的氧气扩散能力并非单调下降。相反，肺扩散能力从海平面上升到大约5,500米——接近人类永久定居点的最高海拔——随后在向珠峰顶峰推进时再度下降。即便在顶峰，肺部的扩散能力似乎仍优于海平面。相比之下，肌肉扩散能力在更低的海拔就达到峰值，大约在3,500米左右，然后持续下降。到达珠峰高度时，肌肉扩散能力预测会低于海平面水平。这些“倒U形”曲线表明，肺和肌肉都具有内在的扩散储备，但肌肉的储备在比肺更低的海拔就耗尽了。

哪些因素塑造了这些隐性储备

为了解哪些因素更重要，团队测试了当关键输入（如血流量、肺和动脉的氧分压、静脉氧水平以及血红蛋白）发生小幅变化时，扩散估计值的敏感性。肺扩散能力强烈受肺泡与动脉中氧分压的影响，尤其在极高海拔时更为显著，这强化了随着空气稀薄肺气体交换变得愈发关键的观点。肌肉扩散能力则更受静脉血中氧分压以及剩余可驱动氧进入线粒体（细胞能量工厂）的氧量影响。模型还显示，对线粒体内极小氧分压以及血红蛋白对氧的亲和力的假设，会改变绝对值和峰值出现的海拔，但不会改变总体模式。

局限性、应用与现实意义

由于本研究是基于众多不同远征且大多为男性参与者的理论性重建，其具体数值应被视为估计而非精确测量。模型也简化了诸如温度、酸碱度以及血流不均等局部细节，而这些都会影响氧气传递。尽管如此，它提供了一个统一的视角，说明从海平面到极高海拔肺与肌肉的扩散可能如何变化。在临床上，类似的方法——结合基础运动测试、血液样本和简单的心脏测量——或可帮助医生判断患者的运动能力受限更多是由于心输出与氧气输送问题，还是由于氧气进入组织的扩散受阻。

通俗意义上的结论

对普通读者而言，结论是：身体在面对稀薄空气时，起初会通过让肺和肌肉更善于从血液中提取氧气来应对，但这种策略有其极限。在中等到较高海拔时，肺和肌肉都能提高扩散能力，形成一种有益的“储备”。越过这个范围，尤其接近珠峰高度时，肌肉似乎会遇到瓶颈：即便肺部仍相对有效，氧气也难以完成最后一跃进入工作纤维。这种失衡有助于解释为何极高海拔令人极度疲惫、表现急剧下降，并暗示保护或增强肌肉氧扩散可能对登山者、运动员以及面临低氧状况的部分患者至关重要。

引用: Bourdillon, N., Manferdelli, G., Raberin, A. et al. Modelling lung and muscle oxygen diffusion capacities from sea-level to Mount Everest. Sci Rep 16, 7817 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32441-9

关键词: 高海拔生理学, 氧气运输, 肺部扩散, 肌肉供氧, 珠穆朗玛峰