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(AlejandroRamosMartinez)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
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”
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。
到年,安德鲁·史密斯(AndrewSmith)则首次使用“沉箱病”(caissondisease)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
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/GettyImages
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。
年,法国生理学家保罗·伯特(PaulBert),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(PaulBert,-)
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。
年,约翰·霍尔丹在牛津的实验室内(JohnScottHaldane)
迈入20世纪,苏格兰生理学家约翰·霍尔丹(JohnScottHaldane)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,如果潜水员下潜到英尺(约91.4米)的海中,周围的压强大概为帕斯卡。
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(stagedde