虽然我们每天都打哈欠，但很少有人知道我们为什么要这么做。和你一样困惑的，还有几个世纪以来的科学家们——以前认为，打哈欠可能与呼吸有关。不过，现在的研究认为，打哈欠是一种大脑冷却机制，是个体应对大脑温度上升的一种手段，这一发现让我们对这种遭忽视、误解的行为的理解焕然一新，可能有助于诊断、治疗有关频繁打哈欠的疾病，能帮助我们检查、改善大脑的状态表现。
生命科学·健康科学
每个人都打哈欠
打哈欠的行为是什么样的？你的下巴有力的张开并深吸一口气，然后下巴合上、呼出空气。
打哈欠是我们每天都会做的一件事，这个行为容易辨认，也在其它动物身上经常见到。当人还没出生时就已经开始打哈欠了，并且这一行为持续终生。打哈欠的行为具有“传染性”，当我们看到别人打哈欠时、甚至只是读到关于打哈欠的文字，我们也会打哈欠。
不过，我们一个人的时候也会打哈欠；而且就算打哈欠会传染，也得有人先开始打。这些自发打哈欠的行为，都是在没有看到、读到其它哈欠的情况下发生的“自发性哈欠”，它往往出现在晚上充满困意的时候，或者是早上刚醒来的时候。
在全世界的许多文化中，打哈欠都被认为是无聊感的同义词，反应了一个人的睡意和缺乏兴趣。不过实际上人和动物不只是在疲倦无聊时打哈欠，在保持警觉时也会打哈欠，打哈欠这个行为远比人们想象的复杂。尽管以前有许多对哈欠作用的解读，但科学家直到最近才开始发现哈欠的真正功能。
打哈欠的秘密
以前我们研究打哈欠的原因时，人们大多关注于呼吸方面：吸气来增加体内的氧气，并呼出多余的二氧化碳。正是因此，打哈欠时自然而然的深呼吸让人们认为，打哈欠的功能是增加（体内）氧气的含量。这种解释看起来合情合理，不过30年前的一项研究结果却打破了这一说法。
为了研究打哈欠是不是由低氧引起的，Robert Provine 博士等人设计了一个实验：他们人工混合了不同组分的空气，让几名受试者在实验室里休息、吸入这些空气，并观察不同组分对打哈欠行为的影响[1]。在这些不同的空气组成中，有些氧气含量更高、有些二氧化碳含量更高。实验结果表明，不论是呼吸更高浓度的氧气（比如纯氧）或呼吸更高浓度的二氧化碳都不影响人类打哈欠的频率。换句话说，这项研究的结果表明，打哈欠并不受空气中氧气含量的影响，打哈欠的作用不是为了促进呼吸，哈欠和呼吸的机制并不相同。
而近年来，更多的研究则着重于打哈欠与人的精神状态之间的关系——打哈欠时下巴的伸展、空气的深吸，是否能让人从困倦变得清醒[2]？大量的动物研究表明，当个体对即将发生的事情感到焦虑，或焦虑的压力刚刚解除时，个体更容易打哈欠。这两种情况通常会导致个体的运动、大脑活动的增加（而不是减少），也就是说，打哈欠并不是困倦和无聊的标志，而与之相反，打哈欠是以一种刺激个体更活跃、改变个体的活动模式的方式。但是打哈欠的动作是怎么产生这些效果的呢？
给大脑降温
最近的一些研究提出，打哈欠是一种冷却大脑的方式[4]。按照这些大脑冷却假说，正是因为打哈欠冷却了大脑，大脑的活动水平才发生了变化。
影响大脑温度的因素有三点：（1）血液流向大脑的速度，（2）血液流向大脑的温度，以及（3）大脑产生的热量。为了让我们更直观的思考这三者的关系，想象一下，在炎热的夏季，你的体感温度与空气的关系：（1）风扇风量有多大（或风扇旋转的速度）？（2）吹出来的风的冷暖（普通风扇还是空调）？（3）你产生了多少热量（锻炼或坐着不动）？
根据大脑冷却假说，打哈欠会改变影响大脑温度的前两个因素：血液流向大脑的速度和温度。下巴的强力张开会产生一定的压力，使血液更快从头部血管中冲出（就像从海绵中挤出水一样），加快了新鲜血液流入大脑的速度。深呼吸带来的冷空气则会降低血液流向大脑的温度。两者结合的结果是，打哈欠会让温度更高的血液离开需要降温的大脑，并从肺部带入温度更低的血液（图 1）。
图 1 - 打哈欠会导致大脑的血流和温度发生变化。A. 当大脑温度升高时会触发打哈欠。 B~C. 张开下巴和深呼吸会产生压力，迫使偏热的血液从头中流出，用红色箭头表示，同时增加对大脑的冷血供应，用蓝色箭头表示. D. 这两者共同降低了大脑温度。
这种描述有点像是汽车发动机的散热器，散热器中有循环在发动机周围、防止发动机引擎过热的散热液。散热器位于汽车的前部，当汽车行驶时，外部的空气会冷却散热器。空气冷却后的液体重新流过发动机周围，带走发动机的热量来降温，带走的热量重新回到散热器，并再次被空气所冷却。
验证假说
任何一个科学假说都能做出可通过实验来检验真伪的预测。如果这些预测被证明为真，那么这个假说就会得到更广泛的支持。比如，假设重力是真实存在的，那么我们就可以预测水会向下流，当你摔倒时，你会跌往地面上而不是天空上。
同样的，大脑冷却假说有两个基本预测。第一，如果打哈欠是用来降低大脑温度的，那么打哈欠就有可能是由大脑温度的上升而触发，且打完哈欠以后大脑温度应该降低。为了验证这个预测，研究人员在实验室里监测了大鼠的脑温度变化，并记录了大鼠打哈欠前后的脑温度[5]。实验结果表明，（1）打哈欠之前脑部温度迅速升高，然后（2）打哈欠后不久，脑温降低了（图 2）。这些结果支持了大脑冷却假说。换句话说，打哈欠的激活条件类似于空调的恒温器，它会在房间较热时激活，而打哈欠也在大脑温度升高时触发，冷却并使大脑回到正常温度。
这个在大鼠身上得到的结果也在人类的身上得到了验证，人类在过度打哈欠的前后也出现了类似的温度变化（通过口腔温度计测量）[6]。因此，打哈欠似乎与大脑和颅骨的温度变化密切相关，而与空气中的氧气含量或一个人的困倦程度没有较大关联。
图 2 - 当脑温升高时会打哈欠，打哈欠后脑温会降低。X轴上的0时刻是打哈欠发生的那一刻，这里展示了哈欠前后各3分钟的大脑温度变化。从蓝色显示的基线水平升高到红色显示的较热状态时，就会触发打哈欠，之后大脑温度会回落，表现出打哈欠的冷却效果（改编自 Shoup-Knox 等的研究 [5]）。
大脑冷却假说的第二个基本预测是，打哈欠应该受到周围空气温度变化的影响，也就是环境温度。具体来说，当环境温度升高时，打哈欠次数应该会增加。比如，在炎热的夏日外出时，身体温度会随着环境温度的升高而升高，从而触发身体的冷却机制（如出汗）。同样的，环境温度的升高也会提高大脑温度，从而增加打哈欠的次数。
不过实际情况比这要复杂——想一下，你会在大热天跳进热水缸降温吗？同样的，大热天打哈欠也无法获得上面的效果：如果环境气温高于血液温度，打哈欠反而会使你的大脑更热。当外界温度较高时，打哈欠的频率反而会降低，而其它冷却机制（如出汗）会开始起作用。同样地，在非常冷的温度下，打哈欠（和其他身体冷却机制）也不容易发生。因此，若要通过打哈欠来有效的冷却大脑，环境温度需要在一个相当窄的范围内（图3）。这个推理预测结果已经在不同环境温度中的人类身上观察到了（如美国亚利桑那州沙漠的酷热户外、奥地利的严冬环境），也在可控温度的实验室环境中的鸟类和大鼠身上进行了验证[7]。
图 3 - 环境温度的变化会影响哺乳动物和鸟类打哈欠的频率。蓝色的线在白色区域中的一段代表了 容易维持大脑和体温相对稳定 的环境温度，也被称为“热中性区”(thermal neutral zone)。一旦环境温度略微升高（如红色区域前半部分），大脑冷却的需求也会增加，导致打哈欠频率增加。然而，当空气非常炎热或寒冷时，打哈欠的频率会降低，因为吸入过热的空气将无法冷却大脑，而寒冷的环境中不需要冷却。
解释各种打哈欠的场景
大脑冷却假说也可以解释其它容易打哈欠的情况。比如，一些医学报告显示，大脑温度和打哈欠频率之间存在密切联系，许多能提高大脑温度的医疗条件或药物被证明会增加打哈欠的发生率，而能降低大脑温度的医疗条件和药物会减少打哈欠的发生[8]。大脑冷却假说还有助于解释打哈欠和睡眠之间的联系，因为大脑和体温的主要变化发生在早上和晚上，此时打哈欠最常发生。当我们早上醒来时，大脑和体温会迅速升高，且我们的体温也在我们晚上入睡前最高。将打哈欠解释为焦虑、压力的结果也可以，因为压力和焦虑与体温升高有关，这也与大脑冷却假说一致。
大脑冷却假说也可以解释动物之间打哈欠方式的差异。自然界有这样一个规律：与体积较小的物质相比，较大的同样物质一般需要更长的时间来加热和冷却——煮沸一大锅水的时间比一小锅水的时间要长得多。这也是为什么大型水体（如湖泊或是游泳池），在外界气温降至冰点下很久之后才会被冰覆盖，但相比之下，在冰箱中制作冰块只需要几个小时。类似地，我们也可以这么思考打哈欠对大脑的冷却效果：较大的大脑也应该比较小的大脑需要更长的冷却时间。为了验证这一预测，研究人员比较了打哈欠持续时间与大脑大小的相关性，结果在一大群不同的哺乳动物之中发现，正如预测的那样，与大脑较小的物种相比，大脑较大但身体不一定较大的物种打哈欠的时间更长[9]。
最后，大脑冷却假说也有助于解释为什么打哈欠会传染（可能读这篇文章的时候你已经哈欠连天了）。如果打哈欠是一种有助于改善身体状况的大脑冷却机制，那么打哈欠的传染性可能有助于协调群体中所有成员的行为。比如，如果打哈欠有助于鸟儿从休息状态转向飞行状态，那么传染性有助于其余的鸟群协调他们的行为并准备飞行。
这样的研究有什么别的意义？
对打哈欠的研究除了能增加我们对日常行为的理解外，这种全新的观点也可能在许多方面都有用。比如对打哈欠的研究可以改善频繁打哈欠患者的医疗状况，这些患者往往无法将大脑和身体维持在正常温度（如癫痫或多发性硬化症患者）。此外，对打哈欠的研究可以帮助我们认识并解决过度嗜睡的问题，也许还能改善大脑在长时间集中注意力时的表现。了解压力和打哈欠之间的关系也可以帮助我们了解动物的情绪状态（毕竟它们不能开口说话）。
下次，如果有人对你说打哈欠是一种粗鲁或不尊重的行为时，你可以把这篇文章甩给他们，这样他们就可以更多地了解这种行为的作用，以及为什么打哈欠非常重要。
更多信息
原文： Gallup A and Eldakar O (2017) Yawns Are Cool. Front. Young Minds. 5:52. doi: 10.3389/frym.2017.00052
作者：Andrew C. Gallup，美国纽约州Utica市纽约州立大学理工学院（SUNY Polytechnic Institute）进化认知神经科学教授，对适应性行为和生理学有着广泛的兴趣，并已成为打哈欠研究的世界权威。Omar Tonsi Eldakar，美国佛罗里达州劳德代尔堡的新东南大学（Nova Southeastern University）进化生物学教授，研究了合作和冲突的演变，以及生物体相互作用的其他方式。
翻译：小鱼
参考资料
[0] Gallup, A. C., and Eldakar, O. T. 2013. The thermoregulatory theory of yawning: what we know from over 5 years of research. Front. Neurosci. 6:188. doi:10.3389/fnins.2012.00188
[1] Provine, R. R., Tate, B. C., and Geldmacher, L. L. 1987. Yawning: no effect of 3–5% CO2, 100% O2, and exercise. Behav. Neural. Biol. 48:382–93. doi:10.1016/S0163-1047(87)90944-7
[2] Provine, R. R. 2005. Yawning: the yawn is primal, unstoppable and contagious, revealing the evolutionary and neural basis of empathy and unconscious behavior. Am. Sci. 93:532–9. doi:10.1511/2005.56.980
[3] Baenninger, R. 1997. On yawning and its functions. Psychon. Bull. Rev. 4:198–207. doi:10.3758/BF03209394
[4] Gallup, A. C., and Gallup, G. G. Jr. 2007. Yawning as a brain cooling mechanism: nasal breathing and forehead cooling diminish the incidence of contagious yawning. Evol. Psychol. 5:92–101. doi:10.1177/147470490700500109
[5] Shoup-Knox, M. L., Gallup, A. C., Gallup, G. G., and McNay, E. C. 2010. Yawning and stretching predict brain temperature changes in rats: support for the thermoregulatory hypothesis. Front. Evol. Neurosci. 2:108. doi:10.3389/fnevo.2010.00108
[6] Gallup, G. G., and Gallup, A. C. 2010. Excessive yawning and thermoregulation: two case histories of chronic, debilitating bouts of yawning. Sleep Breath. 14:157–9. doi:10.1007/s11325-009-0287-x
[7] Gallup, A. C. 2016. Ambient temperature modulates yawning. Temperature 3:23. doi:10.1080/23328940.2015.1066925
[8] Gallup, A. C., and Gallup, G. G. 2008. Yawning and thermoregulation. Physiol. Behav. 95:10–6. doi:10.1016/j.physbeh.2008.05.003
[9] Gallup, A. C., Church, A. M., and Pelegrino, A. J. 2016. Yawn duration predicts brain weight and cortical neuron number in mammals. Biol. Lett. 12:20160545. doi:10.1098/rsbl.2016.0545