幕後文章是與國家科學基金會合作提供給生活方面的。我的主要研究興趣是極端環境中的生理學，尤其是氧氣水平較低的生理學。
在這種“低氧”環境中壯成長的動物是研究其生理學如何反應的理想物種。此外，研究對高海拔，冬眠或潛水環境中動物缺氧的適應能力可能會提供理解和治療人類醫學問題的見解，例如心髒病發作和中風。我最近的博士學位論文的重點是一些最有成就的潛水動物的潛水生理學：企鵝皇帝和大像印章。企鵝皇帝一次呼吸可潛水近30分鐘，北象密封的記錄介紹了將近兩個小時！這兩個物種都可以深入深度- 企鵝皇帝大於1,500英尺，大像印章的近5,000英尺（將近一英里！）。有充分記錄的是，可以很好地潛水的動物增強了體內的氧氣儲存能力，這是通過增加的血量和較高水平的血液和肌肉中帶有氧氣的蛋白質（血紅蛋白和肌球蛋白）來實現的。在我的論文顧問的實驗室中保羅·龐加尼斯（Paul Ponganis）在聖地亞哥分校的Scripps海洋學研究所中，我們使用各種方法來研究這些動物如何管理其氧氣商店以實現這種非凡的潛水。在南極，我們在McMurdo Sound的Sea-Ice上建立了企鵝牧場。在研究期間，我們在營地的冰上鑽了兩個潛水孔，使企鵝皇帝在下面的海洋中自由潛水。在北加州，我們學習大像海豹在海上潛水時。我們在這些動物上部署了背包風格的記錄，以記錄其潛水時的生理反應。我們的工作由國家科學基金會（NSF）資助，揭示了有助於這些動物潛水能力的非凡生理反應和適應。例如，一項研究表明，潛水皇帝企鵝的心率明顯低於其休息時心率。在一個令人印象深刻的18分鐘潛水中，其心率下降到每分鐘三節，每分鐘持續六分鐘，在潛水中持續了五分鐘以上。由於心率是利用多少氧氣的一個很好的指標，因此潛水期間的心率降低對應於氧氣的保存，從而使動物能夠潛水更長的時間。為了直接查看氧氣耗竭，我們還使用氧電極在潛水過程中測量了血液中的氧氣水平。該電極連續測量了血液中的氧氣量，記錄了潛水過程中氧氣耗盡的速率和程度，並為我們提供了這些動物如何管理其氧氣儲存的知識。皇帝企鵝和大像印章都可以忍受血液中極低的氧氣，遠低於人類和其他動物的極限。這有助於他們有效地管理氧氣，並有助於他們潛水和獲取食物的能力。結合其增強的氧氣儲存，其他生理反應（例如心率降低）以及諸如游泳樣式及其流體動力體形之類的因素，這些動物在水下環境中非常適合繁榮發展。現在我已經完成了博士學位。與潛水動物一起工作，我將與另一個傑出的物種進行研究：高空棒狀的鵝。這隻鳥在半年度從印度的越冬地遷移到西藏的繁殖地，實現了直接在喜馬拉雅山山脈上飛行的非凡壯舉。儘管其他遷徙鳥類使用替代品，較低的海拔路線穿過山通道，但在珠穆朗瑪峰（29,000英尺）和Annapurna I（26,500英尺）的山頂上方看到了這些出色的高空鵝的羊群。在遷移期間的這些高度進行鍛煉，可以在一次不間斷的飛行中完成，沒有適應的津貼，從印度的近海平面飛行到不到一天的高度接近9,000米的高度。該高度的氧氣水平僅是海平面上的五分之一，但棒狀鵝在飛行過程中增加了10至20倍的氧氣消耗。鳥類通常比哺乳動物更容易容忍高海拔，但是在這些降低的氧氣中持續飛行肯定是例外的。該項目的目的是探索該物種中的生理適應性，其總體目的是理解組織和細胞缺氧耐受性的動物，該動物已專門發展以維持缺氧的性能。在NSF國際研究獎學金的支持下，我將與加拿大溫哥華大學不列顛哥倫比亞大學的研究人員合作，於2009年秋天開始這項工作。我們將在鋼筋頭鵝飛行過程中研究從呼吸系統到組織的氧氣傳輸，具體側重於遞送到心臟。在記錄這些物種中的任何一個令人印象深刻的生理反應後，下一個自然的問題當然是詢問如何實現的。我們將使用各種生理，形態學和細胞內方法來解決鋼鐵鵝心臟中缺氧耐受性的機制。這項工作還可以提供有關這些動物適應的線索，這些動物將來可能受益於人類。例如，對缺氧的耐受性具有更好的收穫和保存器官的方法，以及對心髒病發作和中風受害者的治療。這些動物以某種方式承受著對人類災難性的血液和組織中的氧氣水平。再灌注損傷的問題 - 當血流恢復到已被剝奪血液的器官時，由氧氣自由基造成的組織損傷也很重要。這適用於人類醫學的各種問題，儘管潛水動物似乎不受此類擔憂的影響。對這些生物的生理學的完全理解對於解釋其在生態系統中的作用也至關重要。這種知識具有明顯的生態和保護意義，面對全球氣候變化尤其重要。
- 視頻：與企鵝住在一起
- 極端企鵝潛水困惑的科學家
- 密封有線收集深海數據
編者註： 這項研究得到了國家科學基金會的支持（NSF），聯邦機構負責在科學和工程領域的所有領域資助基礎研究和教育。看到幕後存檔。
