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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    人能在“水”中呼吸嗎?

                    2016-05-10 15:32:20
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                    文/劉錦平

                      人能否像魚一樣在“水”中呼吸?現在,有了液體呼吸潛水裝置,潛水員不僅可以潛入更深的海域,而且還將告別潛水病。


                    ? 在液體中呼吸 

                      倘若你選用液體呼吸潛水裝置進行潛水,一旦穿上潛水服,戴上頭盔,你的頭盔中會立刻灌滿液體。不過,你完全用不著緊張,這只是你在液體中呼吸的開始,這和你在空氣中呼吸一樣輕松平常。這并不是電影《生化危機》中的科幻場景,而是美國一名退休的心肺外科醫生阿諾德·蘭德的一項最新科研成果。

                      當一些研究人員還在致力于如何讓潛水員在水底呆更長時間的時候,蘭德發明出了一種液體呼吸裝置。他宣稱,這種液體呼吸裝置不僅能讓潛水員在水下潛得更深,而且不用擔心會患上有生命危險的潛水病。潛水病又稱減壓病,是指機體在較高壓力環境下暴露一定時間后,脫離該環境時因壓力下降過快和幅度過大,以致在該壓力下溶于體內的氣體(主要是惰性氣體)來不及經循環、呼吸系統擴散排出體外,而從溶解狀態游離出來,形成氣泡,產生栓塞、壓迫等。當潛水員進行深潛時,水壓越大,得這種病的概率也就越高。如果進行深潛的潛水員回到水面的速度太快,溶解在血液和體液中的氣體就會像揭了蓋子的汽水一樣,快速析出,侵入人體組織,導致嚴重的關節痛、癲癇或者癱瘓,甚至造成死亡。蘭德表示,液體呼吸裝置不需要惰性氣體,所以也就不可能引起潛水病。

                      其實,早在20世紀60年代,有人就提出了使用液體呼吸裝置參與深海潛水的想法。肺泡能夠從液體中置換出氧氣,但是光靠人體自身并不能將這種液體吸進呼出,以獲取足量的氧和排出二氧化碳。因此,這個想法只能暫時擱淺。

                      到了2010年10月,在意大利威尼斯召開的首屆國際仿生學和生物力學會議上,蘭德提交了一篇論文,就這個問題提出了一種解決方案。他設計了一種充滿全氟化碳的頭盔裝置。全氟化碳是碳氫化合物中的氫原子被氟原子取代后形成的一類化合物,常溫下為無色、無味、無毒的透明液體,不溶于水、血液、脂類及其他介質,化學性質穩定,在體內不發生代謝,具有良好的呼吸氣體運載能力。有了這種裝置,潛水員就能在液體中呼吸了。為了幫助液體在肺部吸進呼出,潛水員需要穿一種圍在胸部的呼吸裝置,它看起來就像是中世紀士兵們穿的鎧甲?!版z甲”包裹著潛水員的上半身,并且帶有一個小泵。這個泵用以減輕潛水員胸部的壓力,幫助肺部呼吸。

                      氧氣不斷沖入頭盔中的液體,以保證液體中總是富含氧分。不過,這依然未能很好地解決二氧化碳的去除問題。為此,這一裝置還需要將一根導管插入潛水員的股靜脈中,通過一個人工鰓過濾出血液中的二氧化碳,將其直接排出體外,經過處理的血液會重新回到體內。


                    ? 潛水員能適應在液體中呼吸嗎

                      那么,潛水員能適應在液體中呼吸嗎?如果嘔吐反應強烈,人就會咳嗽,一咳嗽,富氧液體就有可能會被直接咳出來。但是,蘭德認為,經過嚴格培訓,這一癥狀是可以克服的。必要的話,潛水員還可以服用某些藥物或是將軟管插入喉嚨。蘭德說:“潛水員一旦吸入了富氧液體,適應不成問題。但是,在液體中呼吸要將一根軟管插入喉嚨,這可能會引起感染?!?/span>

                      為了使該裝置在水中能長時間工作,蘭迪還發明了一種像魚雷一樣的小型推進器。這種推進器帶有必要的電池組和氧氣罐,有了它,潛水員就能潛得更深,在水下呆得更久。

                      美國一名兒科醫生托馬斯·謝弗從20世紀70年代開始就致力于液體呼吸實驗研究,他證實蘭德的這種辦法是可行的,并且已經在其他哺乳動物身上得到了大量的印證。謝弗說:“當我們把全氟化合物輸入哺乳動物的肺部后,即使把它們送入300米以下的深海區,然后在不到1秒的時間里快速解壓,動物們也能安然無恙。在正常情況下,哺乳動物是承受不了,會導致猝死,但全氟化合物很好地解決了這個問題?!敝x弗表示,在20世紀80年代曾有過美國海軍對潛水員進行液體呼吸實驗的傳言,他自己則是在1989年開始嘗試用這一裝置治療那些早產兒和患有呼吸道疾病的成年人。

                      不過,謝弗也指出,采用這種技術如果沒有任何援助裝置幫助潛水員吸入富氧液體的話,潛水員就必須費很大力氣才能吸入這些液體,這會引起一些潛水員的肋骨出現應力性骨裂。更為嚴重的是,如果潛水員感到緊張,吐出吸入的富氧液體的話,危險就更大了。

                      2000年庫爾斯克號核潛艇沉沒后,俄羅斯海軍曾有人和謝弗本人聯系,咨詢過他的意見。不過,謝弗表示,當時根本來不及制作一套可以下潛到失事潛艇裝置。


                    將海水變成空氣

                      以色列發明家艾倫·博德納發明了一種裝置,可以讓人在水下不用壓縮氧氣瓶進行呼吸。該裝置能夠產生“香檳酒效應”,當壓力降低時,溶入水中的空氣將以氣泡的形式冒出水面,從而為人們提供呼吸的氧氣。

                      2005年,博德納首次提出了這一理念?,F在,他已經開發出了這一裝置的原型機。該裝置用一個離心泵來降低水壓,再用一個真空泵將冒泡的空氣吸入一個容器內,供潛水員使用。整個裝置由可充電電池驅動,1千克鋰電池可以為潛水員提供潛水1小時所需的氧氣。

                      為了消除呼出氣體中的二氧化碳,博德納正在研發一種新的系統。在這種新系統中,呼出氣體中的二氧化碳可以通過與海水混合來消除。新系統首先會將呼出的氣體抽進混合室,接著向混合室中噴入海水。呼出氣體與海水水滴混合,二氧化碳分子被水吸收,從而降低了二氧化碳的濃度。隨后,將其從水中分離,再次循環回呼吸裝置。博德納說:“采用這種方法,并結合水中供氧系統,就能徹底解決水下呼吸問題了?!?/span>


                    ——選自《科學畫報》


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