你能在液体里呼吸吗？

Gilles Messier 利维坦 2021-12-20 00:58

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#深渊 1 个

#液体呼吸 1 个

利维坦按：

虽说只有短短一小时（且所呼吸的是特定液体PFC），但如此成果显然是令人兴奋的。只不过这似乎距离直接在水中呼吸的幸福未来仍有不小差距——假如能够解决二氧化碳排出的棘手问题，以及某种可靠的、能直接从海水或者淡水中获取氧气的方式被提出，恐怕真的很难想象当人们向大深蓝里前进，会对整个文明形成多么剧烈的影响。

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在詹姆斯·卡梅隆执导并于1989年上映的水下惊悚片《深渊》（The Abyss）结尾处，艾德·哈里斯（Ed Harris）饰演的钻井工人巴德·布里格曼（Bud Brigman）穿上了一套潜水服。

他呼吸的是一种特殊的含氧液体，而非空气，因此，他能避免水下极大压强带来的致命性副作用，下沉至深海海沟底部，拆除核弹头。你肯定会想，这只是令人难忘的电影情节，这种技术肯定只存在于科幻作品中。真是如此吗？

事实和你的想法可能有所出入。

电影中可供呼吸的液体——含氧的全氟化碳液体是真实存在的。尽管哈里斯在拍摄穿着潜水服的场景时是屏息憋气的，但在电影前面部分，老鼠在液体中自由呼吸的场景却是真实的。《深渊》无疑是描绘液体呼吸技术最著名的电影，而这一技术已被研究了一个多世纪。尽管人们还无法将它用于深海潜水，它仍有可能在医药领域大展身手、挽救生命。

一战后不久，人们开始做与液体呼吸相关的实验，当时医生开始研究含氧盐溶液，以治疗肺部被毒气损害的士兵。但直到冷战最剑拔弩张的20世纪50年代晚期，真正的研究才得以开展，美国海军试图找到船员逃脱沉没的潜水艇且避免患上潜水病的不二法门。

潜水减压病又称为潜水夫病，是在一定深度的水下（高气压）呼吸导致的疾病。潜水员下潜时，随着水压增加，越来越多的氮气溶解于身体组织中。如果他们快速上浮至水面，压力的突然变化会导致氮气从溶解状态逸出，形成细小的气泡，可能导致严重的关节痛、空气栓塞症、卒中以及死亡。

因此，潜水员必须缓慢上浮，并多次停下来减压，让氮气逐渐从身体中排出。但是，如果潜水员或逃离潜水艇的人能够呼吸含氧液体，而非空气，就无须减压。

液体呼吸技术还能够减少甚至消除深潜的其他危害，比如醉氮（这也被称为“海洋深处的狂喜”，是在高气压情况下吸入氮气导致的醉酒般的中毒反应）。在一定深度下，氧气本身也可能造成危害，比如氧中毒。

为了避免这些情况，潜水员利用各种气体组合用于深海呼吸，如氦氧混合气或者氧氮氦混合气体。尽管如此，也只能在一定程度上发挥作用。例如，在水下160米处，呼吸氦气可能引发严重的战栗，还有高压神经综合征等神经疾病。潜水员携带压缩气体能够下潜的最深深度为701米——这还是在陆基潜水舱里。

1962年，杜克大学的约翰尼斯·克莱斯特拉（Johannes Klystra）博士带领团队，让老鼠和其他小型动物可以在160个大气压（只有在如此高的气压才能在液体中溶解足够的氧气）下压缩的含氧盐溶液中呼吸。实验持续了约一小时，但动物很快因为呼吸性酸中毒（即二氧化碳中毒）而死亡。

这显示出，液体呼吸技术令研究者苦恼长久的一大缺点：尽管呼吸液体可以轻易为身体供氧，但排出二氧化碳却远没那么高效。为了防止酸中毒，人们在静止状态时，平均每分钟需要让5升呼吸液体流经肺部，若是在活动状态下，每分钟则需要让10升呼吸液体流经肺部——人类肺部自身无法达到这一流速。因此，任何实用的液体呼吸系统必须高效地将液体泵入/出肺部，就像医院用的机械呼吸机一样。

1966年，美国研究者利兰·克拉克（Leland Clark）和弗兰克·戈兰（Frank Gollan）在液体呼吸研究上取得重大突破，他们将克莱斯特拉的含氧盐溶液换成了一种新的液体，即全氟化碳（PFC）。

（www.annalsthoracicsurgery.org/article/S0003-4975(02)03733-5/fulltext）

PFC是一种无色液体，由碳元素和氟元素组成，一开始只是二战期间曼哈顿计划的部分研究成果。这两种元素的结合极为稳固，因此PFC非常稳定，不易分解。它的密度是水的两倍，但黏性只有水的一半，因此所储存的氧气和二氧化碳几乎是水所能存储的20倍。

（link.springer.com/article/10.1007/s00424-020-02482-2）

正是由于这种特质，PFC成为了一种理想的液体呼吸材料。在克拉克和戈兰的早期实验中，他们仅仅是将小鼠和老鼠浸在含氧的PFC中，让其自由呼吸。尽管动物在这种高密度液体中呼吸起来不太顺畅，但都活下来了，在浸入20个小时后，没有一只出现不良反应。对于更大型的动物，则需要使用强制性排出设备来防止二氧化碳累积。针对麻醉状态下的狗的呼吸实验，进一步证明了PFC作为呼吸液体的有效性。

克拉克和戈兰关于PFC的研究发现，很快又被克莱斯特拉超越了。后者在1969至1975年间完成了堪称史上最全面的液体呼吸研究。他的实验对象包括动物和人类。在研究过程中，美国海军潜水员弗朗西斯·J. 法尔克（Francis J. Falejcyk）成为了第一个呼吸含氧盐溶液和PFC的人。

除了接受局部麻醉以便于插管，他在整个过程中没有接受其他任何医疗帮助，且没有强烈的不适感。不过，后来在抽吸肺部液体时出现了问题，他因此患上了肺炎。1971年，法尔克做了一场关于这些经历的讲座，当时才17岁的卡梅隆也身处听众席中，这给了后者写短篇故事的灵感，并最终造就了《深渊》的剧本。

克莱斯特拉的研究显示，在一般情况下，人类最多可以呼吸PFC一个小时，且不会出现二氧化碳中毒现象，因此，这对于逃离沉没潜艇的人来说，液体呼吸技术是可行的。为了更广泛地运用这一技术，克莱斯特拉还用PFC和氢氧化钠的乳化液进行了实验，这种物质能更好地从血液中吸收二氧化碳。

（www.scientificamerican.com/index.cfm/_api/render/file/?method=inline&fileID=C71A44ED-B140-4670-8AD72D6F46692A6E）

不过，到头来，这些技术都还没有被实际运用。据报道，美国海军海豹突击队曾在20世纪80年代做过液体呼吸的实验，但发现人在呼吸PFC时非常费力，几个潜水员在测试锻炼时因用力过猛，导致了肋骨扭伤及骨折。

针对酸中毒，一个建议的解决措施是为潜水员配备一个静脉分流装置，直接从血液中去除二氧化碳。不幸的是，这种方法自带相当大的医疗和后勤保障问题，而液体呼吸技术在正式用于深海潜水之前，还有很长的路要走。

不过，它也可能在医学领域发挥重要作用，特别是在早产儿的护理方面。

人类的肺约有5亿个肺泡，氧气通过这些微小的囊泡被血液吸收。为了防止肺泡像湿纸袋一样塌陷，身体会产生一种肺表面活性物质。这是一种脂质混合物，可以降低水的表面张力，使肺泡保持开放。

然而，早产儿无法生成足够多的肺表面活性物质，他们在出生后，大部分肺泡会塌陷，造成呼吸困难。数十年来，传统的机械呼吸机帮助早产儿顺利呼吸，但这些机器产生的高压会严重损害纤弱的肺部。如果将呼吸液体注入肺部，液体就可以重现子宫内的羊水环境，使肺泡打开，大大增加气体交换的效率。此外，医生还可以运用该技术，直接在肺部给药。

费城天普大学医院的J.S. 格林斯潘（J.S. Greenspan）是新生儿液体呼吸技术的先驱。1989年，他将13个早产儿放入液体呼吸机，持续了24至96个小时。所有孩子后来都能顺利呼吸空气，其中11人的肺功能有显著改善，不过有6人死于与实验无关的因素。

1995年，R.B. 赫希尔（R.B. Hirschl）在19个人身上做了相似的实验，这其中既有成年患者，也有幼儿和新生儿患者。最后，11位病人肺部功能得到改善，并存活下来，这进一步证实了液体呼吸技术的有效性。

不过，实现液体呼吸技术的配套仪器非常复杂昂贵，因此，B.P. 福尔曼（B.P. Fulman）于1991年发明了简易版本的“部分液体呼吸”技术，即PLV（partial liquid ventilation）。肺部只需部分装载呼吸液体，其余部分可通过常规机械呼吸机输入空气。这样一来，可以开放约40%的肺泡，同时二氧化碳的排出也更高效。

另一种建议方案是将呼吸液体转变为含空气或氧气的喷雾剂，效果相似，且患者呼吸起来舒适得多。1995年，迈克·达尔文（Mike Darwin）和斯蒂文·哈里斯（Steven Harris）演示了液体呼吸技术如何用于诱发治疗性低体温。

这是指在心脏骤停后通过降低人体温度，减少对大脑和其他组织的破坏。两人通过使肺部充盈液态PFC，达到史无前例的每分钟降低0.5摄氏度的效果，这比我们现有的技术都高效很多。在大大小小的突破之后，美国食品和药物管理局已经批准液体灌注技术进入“快速评审”通道，以尽快让这种可能挽救生命的技术在临床上发挥作用。

所以，如果卡梅隆想在未来一段时间内一探马里亚纳海沟，他仍得借助复杂的潜水艇。但前文所述的突破也许能带来慰藉——少时曾赋予他灵感的技术，有可能在未来拯救无数生命。

文/Gilles Messier

译/Yord

校对/药师

原文/www.todayifoundout.com/index.php/2021/08/can-humans-breathe-liquid-like-in-the-abyss/

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