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21条狗、85只山羊的暗黑遭遇,让人类学会了安全潜水

http://finance.sina.com   2020年01月13日 17:00   北京新浪网

  来源:SME科技故事

  减压病,几乎潜水活动的头号敌人。除了让潜水员痛不欲生,它的发生率还很高,稍不留神就会中招。

减压病让一名男子(Alejandro Ramos Martinez)肿得像个气球减压病让一名男子(Alejandro Ramos Martinez)肿得像个气球

  在20世纪之前,减压病除了无药可医外,更难以预防,潜水员经常被发现全身脏器“冒着气泡”死亡。但幸好,我们现在已有减压理论的知识装备,做足功课后就能很大程度地避免减压症的发生了。

  不过,你有没有想过,这些知识怎么得来?

  如果没有21条狗命、85只山羊和无数只小动物牺牲,我们可能很难掌握真相。它们代替人类深潜海底,用自己的身体给科学家带来了最宝贵的数据。

一只患减压病的山羊,可以看出其左腿已无法弯曲伸直一只患减压病的山羊,可以看出其左腿已无法弯曲伸直

  深海最可怕的是什么?不是缺氧和寒冷,而是能压扁一切的巨大压强。

  众所周知,越海洋深处去,海水压强就越大,大概每下降10米高度,就相当于增加1个标准大气压。当下落到4000米的海底时,压力就差不多相当于被压在14辆装满水泥的大卡车底下。所以,光靠想象人类在深海承受的压力,就让人毛骨悚然了。

不同深度人类肺部大小的变化不同深度人类肺部大小的变化

  不过,实际情况很可能没想象中可怕。理论上只要调整好体内外空腔平衡,人是可以做到不被压扁的。而这很大程度上是因为人体本身就是由水组成的。当人体与周围海水保持着一样的压强,周围的水压便不能像液压机一样将人压得粉身碎骨了。你看,这不是还有各种鱼类能在深海里吃好活好(当然,它们的身体也有许多适应深海的生理特性)。

  但是,这并不代表着人类就能逃脱深海压强的摆弄。其实,最恐怖的事并非发生在下潜时,反而是从深海上浮至海面的过程中,你将会经历最痛不欲生的减压。

  空气主要由78%的氮气,21%的氧气和1%的稀有气体组成。而在下潜过程中,随着压强的不断增大,这些气体分子也会不断被压缩,而人体吸入的气体分子数量也比水面多得多。

  因为人体会不断地消耗氧气,在高压下吸入的多余氧分子问题并不大,它们能轻易被吸收一般不会在体内积累。而呼吸作用产生的二氧化碳,也比较容易被排出。

  但唯独占比最大的氮气最阴魂不散。这也是减压症发生的根本原因。在下潜的压力下,人体内过多的氮气会变成一个个极小气泡,并在血液和组织内随意游走。当上浮过快、压力骤减时,这些来不及排出体外的氮气,便会瞬间膨胀、破裂。

  这就像突然被打开瓶盖的苏打水,“呲”的一声,我们的身体就充满了气泡。这是真正意义上的“浑身冒泡”。

  下潜时,我们的血液、大脑、关节、心肝脾肺肾等各个器官组织以不同速率溶解的气体,现在则再次以不同速率释出。而这些气泡造成的空腔,将会堵塞人体的血管,造成细胞缺氧、损伤,引起疼痛和各种炎症反应。

减压病人关节处的气泡会让人无法弯曲伸直肢体,所以减压病也被称为“bends”减压病人关节处的气泡会让人无法弯曲伸直肢体,所以减压病也被称为“bends”

  人类从很早之前,就已经知道减压病的存在了,只要与潜水相伴的职业基本上都离不开减压病。例如在几千年前,采珠、采海绵等原始的屏气潜水作业,就造成了无数人患上减压病。

  到1873年,安德鲁·史密斯(Andrew Smith)则首次使用“沉箱病”(caisson disease)一词描述了减压病。

沉箱的结构示意图,其本质就是一个无底的防水容器。水会被从沉箱中泵出,再通入压缩空气防止进水,提供了干燥的工作环境。图源:维基百科沉箱的结构示意图,其本质就是一个无底的防水容器。水会被从沉箱中泵出,再通入压缩空气防止进水,提供了干燥的工作环境。图源:维基百科

  当时,许多巨大的压缩空气箱被用于建造河上的桥墩和桥台。这种沉箱确实能更高效且更低成本地完成建筑,但也付出了巨大的“隐藏成本”。在高压环境下长时间作业,建筑工人很快会病倒,出现头痛,关节肌肉剧烈疼痛、无法伸直等各种症状,严重致死。

  而在布鲁克林大桥的建筑过程中,就发生110例减压病,其中3人惨死,这数量已经超过所雇工人的六分之一。

布鲁克林的建筑图,可以看到有沉箱的设计,图源:Fotosearch/Getty Images布鲁克林的建筑图,可以看到有沉箱的设计,图源:Fotosearch/Getty Images

  然而,因为对减压病的不了解,人们只当这是一种神秘疾病。也就是说,都要迈入20世纪了,人们对减压病还是一无所知。

  为了弄清楚沉箱工人和潜水员患减压病的病理学原理,人类首先牺牲了21条狗命。

  1878年,法国生理学家保罗·伯特(Paul Bert),就将24只狗暴露在7-9个标准大气压下,然后再在1-4分钟之内迅速减压。结果,所有狗都患上了严重的减压病,其中的21只狗更是当场毙命。

  通过给这些狗进行尸检,伯特很快得出结论。减压病是溶在血液中多余的氮气所致。而他也建议潜水员和沉箱工人以一定的速度缓慢减压,这能让溶在血液中氮气缓慢逸出,以预防减压症的发生,减少对身体的伤害。

保罗·伯特(Paul Bert,1833-1886)保罗·伯特(Paul Bert,1833-1886)

  但光知道这一点是没多大用处的。靠24条狗,伯特并未能提供相关的详细数据,缓慢减压到底要多慢?在多深的海底,氮气会以什么速率渗透入人体各组织,而在上浮时,这些气体又会以什么怎样的速率逸出?而且,在水下50米待20分钟和在水下100米下待10分钟,又有什么区别?这些都亟待解决的问题。

  当时,最常见的建议是以每20分钟降低一个大气压的方式让潜水员上浮。但实际应用效果也很差,几乎无法避免减压症的发生。

  而潜水员,也只能在减压症发生时,再次被送回海里或在高压舱内呼吸压缩空气治疗。如果有预防方法,潜水员就不用遭受这些额外的折磨了。

1920年,约翰·霍尔丹在牛津的实验室内(John Scott Haldane)1920年,约翰·霍尔丹在牛津的实验室内(John Scott Haldane)

  迈入20世纪,苏格兰生理学家约翰·霍尔丹(John Scott Haldane)就带着85头山羊,登上了研究减压症的历史舞台。

  在这之前,霍尔丹已小有成就了,因矿井有害气体和呼吸研究而闻名。所以在1905年,英国皇家海军的人就找到了霍尔丹,希望他研究减压病并找出预防的方法。

  而与皇家海军的合作试潜中,霍尔丹就惊喜地发现,在33英尺(10米)以上的深度,无论潜水员停留多久、上升多快都不会发生减压病。这个深度的压强,则刚好约为两个标准大气压,是水面气压的两倍。

  根据这一现象,霍尔丹也提出了一个大胆的猜想:如果潜水员在两个标准大气压的环境,迅速上浮至一个标准大气压的环境而没有产生任何不良反应。那么无论在什么深度,上浮速度有多快,人类都能承受气压的对半下降。

  按照这个思路,如果潜水员下潜到300英尺(约91.4米)的海中,周围的压强大概为148帕斯卡。

  那么,潜水员就可以立即上浮至74帕斯卡的深度,也即134英尺(约40.8米)。在这一深度停留一段时间,让人体内的氮气逸出后再继续上浮至51英尺(约15.5米)的深度,在那里压强则为37帕斯卡,刚好是74帕斯卡的一半。

  之后的步骤,也是一直以此类推,直到潜水员安全浮出水面。而霍尔丹也把这叫阶段式减压(staged decompression),如果潜水员这样上浮,便能预防减压症。

  当然,只有假说还不够,还需要验证。起初,霍尔丹的设想是用兔子、老鼠、鸡等来做实验动物。但是,想从这些小动物身上发现症状,其实并不容易。毕竟体型较小的动物,气体交换的速度也更迅速。

  此外,霍尔丹也想过用灵长类、猪和狗等哺乳类动物,但不是太难获得(猪)、脾气太过暴躁(狒狒)就是呼吸速率与人类相去甚远(狗)。

减压实验所用的猪和山羊减压实验所用的猪和山羊

  唯独山羊的呼吸速率,与人类最为接近的,刚好是成年男性的1.7倍,而性格也相对温和。

  于是,85只山羊,便逐批地送进高压舱,接受残酷的减压实验。在压强急剧变化的环境下,这些山羊会和人类一样表现出呼吸短促困难、关节无法弯曲等症状。

  尽管部分山羊后期可以慢慢恢复,但情况严重的,还是会造成永久性伤害甚至休克死亡。

老年的霍尔丹钻进高压舱,拿自己的身体做实验老年的霍尔丹钻进高压舱,拿自己的身体做实验

  不过,霍尔丹并非对这些实验动物没有同情心。其实在矿井中养金丝雀以检测甲烷和一氧化碳浓度的做法,也是霍尔丹发明的。如果金丝雀出现不良反应就表示甲烷和一氧化碳浓度过高了。

  但霍尔丹并没有打算放弃牺牲金丝雀的性命。他反而是在雀笼底下巧妙地设计一个氧气舱。金丝雀晕倒后,便会落入氧气舱内,舱门关闭后它便有了生的机会。

美国矿工与金丝雀,在过去一百年时间内金丝雀都以哨兵的身份挽救了无数矿工的生命美国矿工与金丝雀,在过去一百年时间内金丝雀都以哨兵的身份挽救了无数矿工的生命

  在这次减压实验中,他也尽最大的努力减缓山羊的痛苦。例如,在实验设计时他会最大限度地让山羊不会被杀死。如果实验过后山羊确实表现得极度痛苦,它们也会被安排安乐死。另外,那些幸存下来的山羊,则会“光荣退伍”再找个好人家收养,安享晚年。

  毫无疑问,那组采用了阶段式减压的山羊是最幸运的。它们不但没有出现任何不良的反应,日后更能衣食无忧。

电影《Licence To Kill (1989)》中描述了瞬间减压的夸张死法电影《Licence To Kill (1989)》中描述了瞬间减压的夸张死法

  而在动物实验过后,霍尔丹便马不停蹄地安排了真人测试。但无论是在高压舱模拟还是真正的下海实操,采用了阶段式减压的都没有出现减压病。

  为了证明即便是没有受过潜水训练的人,也能根据减压停留法预防减压病,霍尔丹甚至不惜让自己13岁的孩子潜入海底。而这个小霍尔丹便是知名的遗传学家约翰·霍尔丹(J.B.S Haldane)。著名小说《美丽新世界》的灵感,便来自于小霍尔丹的构想。

霍尔丹的减压表1霍尔丹的减压表1

  到1908年,霍尔丹就发布了一份划时代的潜水表格,这成了所有潜水员的蓝皮书。在这之后,这份潜水表也被不断地发展和优化了,指导着潜水工作。

  就是这么个小小理论,到现在仍在拯救着全球数百万人的性命。可以说,所有潜水员的安全与健康,基本都建立在了霍尔丹的研究上。当然,那24条狗、85只山羊和无数被扔进减压舱的小动物也功不可没。

  Haldane‘s decompression model.Wikipedia

  JOSEPH A。 WILLIAMS.The Dark Story of How Scientists Used Goats to Solve the Bends.2018.10.09.History

  Butler WP.Caisson disease during the construction of the Eads and Brooklyn Bridges: A review.Undersea Hyperb Med.2004,31(4):445-59。

  Chandrasekhar Krishnamurti.Historical Aspects of Hyperbaric Physiology and Medicine.IntechOpen.2019

  Michael A。 Lang and Alf O。 Brubakk。 Future of Diving: 100 Years of Haldane and Beyond is co-sponsored.Smithsonian Institution.2009

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