《科学画报》
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人能在“水”中呼吸吗？
2016-05-10 15:32:20文/刘锦平
人能否像鱼一样在“水”中呼吸？现在，有了液体呼吸潜水装置，潜水员不仅可以潜入更深的海域，而且还将告别潜水病。
❤ 在液体中呼吸
倘若你选用液体呼吸潜水装置进行潜水，一旦穿上潜水服，戴上头盔，你的头盔中会立刻灌满液体。不过，你完全用不着紧张，这只是你在液体中呼吸的开始，这和你在空气中呼吸一样轻松平常。这并不是电影《生化危机》中的科幻场景，而是美国一名退休的心肺外科医生阿诺德·兰德的一项最新科研成果。
当一些研究人员还在致力于如何让潜水员在水底呆更长时间的时候，兰德发明出了一种液体呼吸装置。他宣称，这种液体呼吸装置不仅能让潜水员在水下潜得更深，而且不用担心会患上有生命危险的潜水病。潜水病又称减压病，是指机体在较高压力环境下暴露一定时间后，脱离该环境时因压力下降过快和幅度过大，以致在该压力下溶于体内的气体（主要是惰性气体）来不及经循环、呼吸系统扩散排出体外，而从溶解状态游离出来，形成气泡，产生栓塞、压迫等。当潜水员进行深潜时，水压越大，得这种病的概率也就越高。如果进行深潜的潜水员回到水面的速度太快，溶解在血液和体液中的气体就会像揭了盖子的汽水一样，快速析出，侵入人体组织，导致严重的关节痛、癫痫或者瘫痪，甚至造成死亡。兰德表示，液体呼吸装置不需要惰性气体，所以也就不可能引起潜水病。
其实，早在20世纪60年代，有人就提出了使用液体呼吸装置参与深海潜水的想法。肺泡能够从液体中置换出氧气，但是光靠人体自身并不能将这种液体吸进呼出，以获取足量的氧和排出二氧化碳。因此，这个想法只能暂时搁浅。
到了2010年10月，在意大利威尼斯召开的首届国际仿生学和生物力学会议上，兰德提交了一篇论文，就这个问题提出了一种解决方案。他设计了一种充满全氟化碳的头盔装置。全氟化碳是碳氢化合物中的氢原子被氟原子取代后形成的一类化合物，常温下为无色、无味、无毒的透明液体，不溶于水、血液、脂类及其他介质，化学性质稳定，在体内不发生代谢，具有良好的呼吸气体运载能力。有了这种装置，潜水员就能在液体中呼吸了。为了帮助液体在肺部吸进呼出，潜水员需要穿一种围在胸部的呼吸装置，它看起来就像是中世纪士兵们穿的铠甲。“铠甲”包裹着潜水员的上半身，并且带有一个小泵。这个泵用以减轻潜水员胸部的压力，帮助肺部呼吸。
氧气不断冲入头盔中的液体，以保证液体中总是富含氧分。不过，这依然未能很好地解决二氧化碳的去除问题。为此，这一装置还需要将一根导管插入潜水员的股静脉中，通过一个人工鳃过滤出血液中的二氧化碳，将其直接排出体外，经过处理的血液会重新回到体内。
❤ 潜水员能适应在液体中呼吸吗
那么，潜水员能适应在液体中呼吸吗？如果呕吐反应强烈，人就会咳嗽，一咳嗽，富氧液体就有可能会被直接咳出来。但是，兰德认为，经过严格培训，这一症状是可以克服的。必要的话，潜水员还可以服用某些药物或是将软管插入喉咙。兰德说：“潜水员一旦吸入了富氧液体，适应不成问题。但是，在液体中呼吸要将一根软管插入喉咙，这可能会引起感染。”
为了使该装置在水中能长时间工作，兰迪还发明了一种像鱼雷一样的小型推进器。这种推进器带有必要的电池组和氧气罐，有了它，潜水员就能潜得更深，在水下呆得更久。
美国一名儿科医生托马斯·谢弗从20世纪70年代开始就致力于液体呼吸实验研究，他证实兰德的这种办法是可行的，并且已经在其他哺乳动物身上得到了大量的印证。谢弗说：“当我们把全氟化合物输入哺乳动物的肺部后，即使把它们送入300米以下的深海区，然后在不到1秒的时间里快速解压，动物们也能安然无恙。在正常情况下，哺乳动物是承受不了，会导致猝死，但全氟化合物很好地解决了这个问题。”谢弗表示，在20世纪80年代曾有过美国海军对潜水员进行液体呼吸实验的传言，他自己则是在1989年开始尝试用这一装置治疗那些早产儿和患有呼吸道疾病的成年人。
不过，谢弗也指出，采用这种技术如果没有任何援助装置帮助潜水员吸入富氧液体的话，潜水员就必须费很大力气才能吸入这些液体，这会引起一些潜水员的肋骨出现应力性骨裂。更为严重的是，如果潜水员感到紧张，吐出吸入的富氧液体的话，危险就更大了。
2000年库尔斯克号核潜艇沉没后，俄罗斯海军曾有人和谢弗本人联系，咨询过他的意见。不过，谢弗表示，当时根本来不及制作一套可以下潜到失事潜艇装置。
将海水变成空气
以色列发明家艾伦·博德纳发明了一种装置，可以让人在水下不用压缩氧气瓶进行呼吸。该装置能够产生“香槟酒效应”，当压力降低时，溶入水中的空气将以气泡的形式冒出水面，从而为人们提供呼吸的氧气。
2005年，博德纳首次提出了这一理念。现在，他已经开发出了这一装置的原型机。该装置用一个离心泵来降低水压，再用一个真空泵将冒泡的空气吸入一个容器内，供潜水员使用。整个装置由可充电电池驱动，1千克锂电池可以为潜水员提供潜水1小时所需的氧气。
为了消除呼出气体中的二氧化碳，博德纳正在研发一种新的系统。在这种新系统中，呼出气体中的二氧化碳可以通过与海水混合来消除。新系统首先会将呼出的气体抽进混合室，接着向混合室中喷入海水。呼出气体与海水水滴混合，二氧化碳分子被水吸收，从而降低了二氧化碳的浓度。随后，将其从水中分离，再次循环回呼吸装置。博德纳说：“采用这种方法，并结合水中供氧系统，就能彻底解决水下呼吸问题了。”
——选自《科学画报》
