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21條狗、85只山羊的暗黑遭遇,讓人類學會了安全潛水

http://finance.sina.com   2020年01月13日 17:00   北京同乐城国际线址網

  來源:SME科技故事

  減壓病,幾乎潛水活動的頭號敵人。除了讓潛水員痛不欲生,它的發生率還很高,稍不留神就會中招。

減壓病讓一名男子(Alejandro Ramos Martinez)腫得像個氣球減壓病讓一名男子(Alejandro Ramos Martinez)腫得像個氣球

  在20世紀之前,減壓病除了無藥可醫外,更難以預防,潛水員經常被發現全身臟器“冒着氣泡”死亡。但幸好,我們現在已有減壓理論的知識裝備,做足功課後就能很大程度地避免減壓症的發生了。

  不過,你有沒有想過,這些知識怎麼得來?

  如果沒有21條狗命、85只山羊和無數只小動物犧牲,我們可能很難掌握真相。它們代替人類深潛海底,用自己的身體給科學家帶來了最寶貴的數據。

一隻患減壓病的山羊,可以看出其左腿已無法彎曲伸直一隻患減壓病的山羊,可以看出其左腿已無法彎曲伸直

  深海最可怕的是什麼?不是缺氧和寒冷,而是能壓扁一切的巨大壓強。

  衆所周知,越海洋深處去,海水壓強就越大,大概每下降10米高度,就相當於增加1個標準大氣壓。當下落到4000米的海底時,壓力就差不多相當於被壓在14輛裝滿水泥的大卡車底下。所以,光靠想象人類在深海承受的壓力,就讓人毛骨悚然了。

不同深度人類肺部大小的變化不同深度人類肺部大小的變化

  不過,實際情況很可能沒想象中可怕。理論上只要調整好體內外空腔平衡,人是可以做到不被壓扁的。而這很大程度上是因爲人體本身就是由水組成的。當人體與周圍海水保持着一樣的壓強,周圍的水壓便不能像液壓機一樣將人壓得粉身碎骨了。你看,這不是還有各種魚類能在深海里吃好活好(當然,它們的身體也有許多適應深海的生理特性)。

  但是,這並不代表着人類就能逃脫深海壓強的擺弄。其實,最恐怖的事並非發生在下潛時,反而是從深海上浮至海面的過程中,你將會經歷最痛不欲生的減壓。

  空氣主要由78%的氮氣,21%的氧氣和1%的稀有氣體組成。而在下潛過程中,隨着壓強的不斷增大,這些氣體分子也會不斷被壓縮,而人體吸入的氣體分子數量也比水面多得多。

  因爲人體會不斷地消耗氧氣,在高壓下吸入的多餘氧分子問題並不大,它們能輕易被吸收一般不會在體內積累。而呼吸作用產生的二氧化碳,也比較容易被排出。

  但唯獨佔比最大的氮氣最陰魂不散。這也是減壓症發生的根本原因。在下潛的壓力下,人體內過多的氮氣會變成一個個極小氣泡,並在血液和組織內隨意遊走。當上浮過快、壓力驟減時,這些來不及排出體外的氮氣,便會瞬間膨脹、破裂。

  這就像突然被打開瓶蓋的蘇打水,“呲”的一聲,我們的身體就充滿了氣泡。這是真正意義上的“渾身冒泡”。

  下潛時,我們的血液、大腦、關節、心肝脾肺腎等各個器官組織以不同速率溶解的氣體,現在則再次以不同速率釋出。而這些氣泡造成的空腔,將會堵塞人體的血管,造成細胞缺氧、損傷,引起疼痛和各種炎症反應。

減壓病人關節處的氣泡會讓人無法彎曲伸直肢體,所以減壓病也被稱爲“bends”減壓病人關節處的氣泡會讓人無法彎曲伸直肢體,所以減壓病也被稱爲“bends”

  人類從很早之前,就已經知道減壓病的存在了,只要與潛水相伴的職業基本上都離不開減壓病。例如在幾千年前,採珠、採海綿等原始的屏氣潛水作業,就造成了無數人患上減壓病。

  到1873年,安德魯·史密斯(Andrew Smith)則首次使用“沉箱病”(caisson disease)一詞描述了減壓病。

沉箱的結構示意圖,其本質就是一個無底的防水容器。水會被從沉箱中泵出,再通入壓縮空氣防止進水,提供了乾燥的工作環境。圖源:維基百科沉箱的結構示意圖,其本質就是一個無底的防水容器。水會被從沉箱中泵出,再通入壓縮空氣防止進水,提供了乾燥的工作環境。圖源:維基百科

  當時,許多巨大的壓縮空氣箱被用於建造河上的橋墩和橋臺。這種沉箱確實能更高效且更低成本地完成建築,但也付出了巨大的“隱藏成本”。在高壓環境下長時間作業,建築工人很快會病倒,出現頭痛,關節肌肉劇烈疼痛、無法伸直等各種症狀,嚴重致死。

  而在布魯克林大橋的建築過程中,就發生110例減壓病,其中3人慘死,這數量已經超過所僱工人的六分之一。

布魯克林的建築圖,可以看到有沉箱的設計,圖源:Fotosearch/Getty Images布魯克林的建築圖,可以看到有沉箱的設計,圖源:Fotosearch/Getty Images

  然而,因爲對減壓病的不瞭解,人們只當這是一種神祕疾病。也就是說,都要邁入20世紀了,人們對減壓病還是一無所知。

  爲了弄清楚沉箱工人和潛水員患減壓病的病理學原理,人類首先犧牲了21條狗命。

  1878年,法國生理學家保羅·伯特(Paul Bert),就將24只狗暴露在7-9個標準大氣壓下,然後再在1-4分鐘之內迅速減壓。結果,所有狗都患上了嚴重的減壓病,其中的21只狗更是當場斃命。

  通過給這些狗進行屍檢,伯特很快得出結論。減壓病是溶在血液中多餘的氮氣所致。而他也建議潛水員和沉箱工人以一定的速度緩慢減壓,這能讓溶在血液中氮氣緩慢逸出,以預防減壓症的發生,減少對身體的傷害。

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

  但光知道這一點是沒多大用處的。靠24條狗,伯特並未能提供相關的詳細數據,緩慢減壓到底要多慢?在多深的海底,氮氣會以什麼速率滲透入人體各組織,而在上浮時,這些氣體又會以什麼怎樣的速率逸出?而且,在水下50米待20分鐘和在水下100米下待10分鐘,又有什麼區別?這些都亟待解決的問題。

  當時,最常見的建議是以每20分鐘降低一個大氣壓的方式讓潛水員上浮。但實際應用效果也很差,幾乎無法避免減壓症的發生。

  而潛水員,也只能在減壓症發生時,再次被送回海里或在高壓艙內呼吸壓縮空氣治療。如果有預防方法,潛水員就不用遭受這些額外的折磨了。

1920年,約翰·霍爾丹在牛津的實驗室內(John Scott Haldane)1920年,約翰·霍爾丹在牛津的實驗室內(John Scott Haldane)

  邁入20世紀,蘇格蘭生理學家約翰·霍爾丹(John Scott Haldane)就帶着85頭山羊,登上了研究減壓症的歷史舞臺。

  在這之前,霍爾丹已小有成就了,因礦井有害氣體和呼吸研究而聞名。所以在1905年,英國皇家海軍的人就找到了霍爾丹,希望他研究減壓病並找出預防的方法。

  而與皇家海軍的合作試潛中,霍爾丹就驚喜地發現,在33英尺(10米)以上的深度,無論潛水員停留多久、上升多快都不會發生減壓病。這個深度的壓強,則剛好約爲兩個標準大氣壓,是水面氣壓的兩倍。

  根據這一現象,霍爾丹也提出了一個大膽的猜想:如果潛水員在兩個標準大氣壓的環境,迅速上浮至一個標準大氣壓的環境而沒有產生任何不良反應。那麼無論在什麼深度,上浮速度有多快,人類都能承受氣壓的對半下降。

  按照這個思路,如果潛水員下潛到300英尺(約91.4米)的海中,周圍的壓強大概爲148帕斯卡。

  那麼,潛水員就可以立即上浮至74帕斯卡的深度,也即134英尺(約40.8米)。在這一深度停留一段時間,讓人體內的氮氣逸出後再繼續上浮至51英尺(約15.5米)的深度,在那裏壓強則爲37帕斯卡,剛好是74帕斯卡的一半。

  之後的步驟,也是一直以此類推,直到潛水員安全浮出水面。而霍爾丹也把這叫階段式減壓(staged decompression),如果潛水員這樣上浮,便能預防減壓症。

  當然,只有假說還不夠,還需要驗證。起初,霍爾丹的設想是用兔子、老鼠、雞等來做實驗動物。但是,想從這些小動物身上發現症狀,其實並不容易。畢竟體型較小的動物,氣體交換的速度也更迅速。

  此外,霍爾丹也想過用靈長類、豬和狗等哺乳類動物,但不是太難獲得(豬)、脾氣太過暴躁(狒狒)就是呼吸速率與人類相去甚遠(狗)。

減壓實驗所用的豬和山羊減壓實驗所用的豬和山羊

  唯獨山羊的呼吸速率,與人類最爲接近的,剛好是成年男性的1.7倍,而性格也相對溫和。

  於是,85只山羊,便逐批地送進高壓艙,接受殘酷的減壓實驗。在壓強急劇變化的環境下,這些山羊會和人類一樣表現出呼吸短促困難、關節無法彎曲等症狀。

  儘管部分山羊後期可以慢慢恢復,但情況嚴重的,還是會造成永久性傷害甚至休克死亡。

老年的霍爾丹鑽進高壓艙,拿自己的身體做實驗老年的霍爾丹鑽進高壓艙,拿自己的身體做實驗

  不過,霍爾丹並非對這些實驗動物沒有同情心。其實在礦井中養金絲雀以檢測甲烷和一氧化碳濃度的做法,也是霍爾丹發明的。如果金絲雀出現不良反應就表示甲烷和一氧化碳濃度過高了。

  但霍爾丹並沒有打算放棄犧牲金絲雀的性命。他反而是在雀籠底下巧妙地設計一個氧氣艙。金絲雀暈倒後,便會落入氧氣艙內,艙門關閉後它便有了生的機會。

美國礦工與金絲雀,在過去一百年時間內金絲雀都以哨兵的身份挽救了無數礦工的生命美國礦工與金絲雀,在過去一百年時間內金絲雀都以哨兵的身份挽救了無數礦工的生命

  在這次減壓實驗中,他也盡最大的努力減緩山羊的痛苦。例如,在實驗設計時他會最大限度地讓山羊不會被殺死。如果實驗過後山羊確實表現得極度痛苦,它們也會被安排安樂死。另外,那些倖存下來的山羊,則會“光榮退伍”再找個好人家收養,安享晚年。

  毫無疑問,那組採用了階段式減壓的山羊是最幸運的。它們不但沒有出現任何不良的反應,日後更能衣食無憂。

電影《Licence To Kill (1989)》中描述了瞬間減壓的誇張死法電影《Licence To Kill (1989)》中描述了瞬間減壓的誇張死法

  而在動物實驗過後,霍爾丹便馬不停蹄地安排了真人測試。但無論是在高壓艙模擬還是真正的下海實操,採用了階段式減壓的都沒有出現減壓病。

  爲了證明即便是沒有受過潛水訓練的人,也能根據減壓停留法預防減壓病,霍爾丹甚至不惜讓自己13歲的孩子潛入海底。而這個小霍爾丹便是知名的遺傳學家約翰·霍爾丹(J.B.S Haldane)。著名小說《美麗新世界》的靈感,便來自於小霍爾丹的構想。

霍爾丹的減壓表1霍爾丹的減壓表1

  到1908年,霍爾丹就發佈了一份劃時代的潛水錶格,這成了所有潛水員的藍皮書。在這之後,這份潛水錶也被不斷地發展和優化了,指導着潛水工作。

  就是這麼個小小理論,到現在仍在拯救着全球數百萬人的性命。可以說,所有潛水員的安全與健康,基本都建立在了霍爾丹的研究上。當然,那24條狗、85只山羊和無數被扔進減壓艙的小動物也功不可沒。

  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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