即使被它淹沒也不會窒息,這是什麼神奇液體?
2020年05月04日14:17

  來源:中科院物理所

  撰文 | Mirror

  最沒存在感的空氣,總是在我們游泳嗆水的時候提醒我們它有多重要——如果無法及時浮出水面呼吸空氣,就會有窒息的危險。這是所有哺乳動物的致命弱點,即使是水生哺乳動物也做不到在水下呼吸,必須時不時浮出水面猛吸幾口。

  為什麼魚能自由地在水裡呼吸,我們就不能?

  誰說我們不能,《水形物語》里的艾麗莎,還有《風平浪靜的明天》里的小夥伴們都表示不服。

《水形物語》劇照
《水形物語》劇照
截取自《風平浪靜的明天》
截取自《風平浪靜的明天》

  科幻作品《深淵》和《三體》中也描寫了讓潛水者或宇航員在特殊液體中呼吸的技術。

《深淵》劇照
《深淵》劇照

  儘管這些都是故事創作者的腦洞設想,但也並非毫無根據的天馬行空。首先讓我們分析一下,為什麼我們在一般情況下無法在水中呼吸?

  原因很簡單:一、我們不是魚(鹹魚也不行);二、我們不是人魚(霧)。

  言歸正傳,我們和魚類在呼吸上的區別主要有這兩方面:需氧量的不同和呼吸器官的不同。

  哺乳動物屬於恒溫動物,需要不斷消耗能量維持體溫,而魚類等用鰓呼吸的動物都是變溫動物,對氧氣的需求比我們小。空氣中含有大約21%的氧氣,而等體積水中的氧氣含量僅為它的1/20。

  哺乳動物肺部參與交換氣體的是一個個葡萄粒般的小肺泡,它們輸送氧氣的方式很佛系——讓氧氣自由擴散透過薄膜,因為氣體會自發從高濃度一側流向低濃度一側。

肺泡與毛細血管之間交換氧氣和二氧化碳的示意圖
肺泡與毛細血管之間交換氧氣和二氧化碳的示意圖

  然而氧氣在水中的濃度很低,靠被動擴散可太慢了。另外,水的粘度(空氣的100多倍)和密度(空氣的700多倍)都比空氣大得多,容易滯留在肺部,無法及時排出。

  話說回來,既然空氣中的氧氣比水裡多得多,為什麼魚類在空氣中還會窒息呢?

  在魚類的呼吸器官——鰓上你可以看到一條條細密的鰓絲。當魚兒在水中遊動時,鰓絲舒展開來,與水流充分接觸,濾出其中的氧氣。但在空氣中,乾燥的鰓絲會粘連在一起,這就好比我們的氣管壁都貼到了一起,自然會呼吸困難。

  救救孩子

  既然水不行,其他液體可能嗎?

  你可能會想到羊水,但寶寶並不是從羊水中獲得氧氣的,而是通過臍帶和胎盤從母親血液中獲得的。

  那乾脆就在全是氧的液氧中呼吸,豈不美哉?且不說氧濃度超過40%時,就可能引起中毒,光是讓氧氣維持液態就需要-183℃以下的低溫,足夠把你變成人體冰櫃。

液氧需要在高壓低溫環境中儲存
液氧需要在高壓低溫環境中儲存

  絕大多數液體在常溫常壓下對氧氣的溶解能力都很弱,而且光攜帶氧氣還不夠,這種液體還需要能溶解呼吸產生的二氧化碳,把它們送出去,才算是實現呼吸循環。我們熟悉的矽油就有如此難得的特性,然而,科學家發現矽油吸入肺部對人體有害,只能排除。

  好在我們還有另一個選擇——氟碳化合物(PFCs)。它是碳氫化合物中的氫原子被氟、氟氯、氟溴或氟碘取代後形成的一類有機惰性化合物。

結構最簡單的氟碳化合物是四氟化碳(全氟化碳)| 圖源:Wikipedia
結構最簡單的氟碳化合物是四氟化碳(全氟化碳)| 圖源:Wikipedia

  氟碳化合物常溫下溶解氧氣的能力可達血液的3倍(35~70mL/100mL),溶解二氧化碳更不在話下(122~255 mL/100mL)。而且它的化學結構非常穩定,不容易發生反應,是無色、無味、無毒的“三無產品”。

  不過這東西一開始並不是為了讓人體驗液體呼吸的新鮮感而合成出來的。它的背景還很“硬核”——誕生於上世紀40年代美國研製原子彈的曼哈頓計劃。當時科學家試圖找出一種惰性物質來冷卻核反應堆中的六氟化鈾,後者極為活潑,跟誰都能擦出“花火”。後來,科學家找到了“老實安分”的氟碳化合物,併發明了大規模製取氟碳化合物的技術。

  所以,聽起來無可挑剔的氟碳化合物究竟能不能讓人順利呼吸呢?

  先別急,在應用到人體之前,我們總得先在實驗動物身上測試。

  1966年,科學家克拉克和戈蘭在《自然》雜誌上發表了氟碳化合物呼吸的首個動物實驗結果。他們將小鼠浸沒在了溶有氧氣的氟碳化合物液體中。由於氟碳化合物的密度是水的兩倍,小鼠會浮出液面,因此需要對小鼠進行固定,結果小鼠成功地在氟碳化合物液體中存活了20小時。

金魚在上層水中遊動,小鼠在下層氟碳化合物液體中正常呼吸 | 圖源:AnaesthesiaUK
金魚在上層水中遊動,小鼠在下層氟碳化合物液體中正常呼吸 | 圖源:AnaesthesiaUK

  不僅“傑瑞”有過在液體中呼吸的奇妙體驗,“湯姆”也曾參與到這類實驗中。有的甚至能在裡面呼吸好幾星期——它們大概以為自己突然有了水中呼吸的超能力,也可能會開始懷疑鼠/貓生,以為自己其實是一條魚。

懷疑喵生
懷疑喵生

  然而,不幸的是,在這個過程中,實驗動物的肺部受到了侵害。這是因為氟碳化合物畢竟是一種高密度液體,粘滯度比空氣大得多,擴散速度慢,如果只是浸在水中,被動交換氣體,肺部的二氧化碳會逐漸積累,濃度越來越高,最終引起高碳酸血症。這就提醒科學家們,在實際應用時,需要配合輔助通氣設備,用泵來循環液體,以及時清除二氧化碳。

  可對人而言,為了液體呼吸的新鮮感而把一種陌生的液體灌入肺部,沒有“敢死隊”的勇氣是做不到。那這項技術對我們又有什麼意義呢?

  氟碳化合物還有一個重要的特點是表面張力低。在正常肺泡的內表面有一層極薄的液體膜,主要由脂蛋白構成,它的存在降低了肺泡的表面張力,使肺泡能夠維持正常大小。

缺少表面活性物質(左)時,小肺泡中的氣體會流向大肺泡,有表面活性物質的正常肺泡(右)則能保持平衡 | 圖源:bioninja
缺少表面活性物質(左)時,小肺泡中的氣體會流向大肺泡,有表面活性物質的正常肺泡(右)則能保持平衡 | 圖源:bioninja

  而一些急性肺損傷患者和肺部發育不全的早產兒的肺泡上往往缺少這種液體,氟碳化合物此時就能作為替代的表面活性劑,起到穩定肺泡的作用。

  從動物實驗中吸取教訓後,1989年,氟碳化合物呼吸技術終於首次應用於醫療。坦普爾大學醫學院的醫生當時正在治療三個患有嚴重呼吸窘迫綜合徵的早產兒,他們嚐試了各種現有可行方案都失敗了。

  考慮到胎兒出生之前都處於液體環境中,醫生們決定抱著最後一線希望,給瀕死的嬰兒們使用液體通氣技術。寶寶們的肺部被部分灌入了氟碳化合物,隨後他們的身體狀況有了一定好轉,然而最終還是沒能把他們從死神那裡拉回來。

給患有呼吸窘迫綜合徵的早產兒使用液體通氣技術
給患有呼吸窘迫綜合徵的早產兒使用液體通氣技術

  但醫生們從中看到了一絲曙光,他們繼續不懈地改進氟碳化合物呼吸技術。7年之後,另一組醫務人員將改良後的液體呼吸技術應用於同樣因嚴重呼吸窘迫綜合徵而徘徊在死亡邊緣的13個早產兒身上。和預期的一樣,大部分嬰兒的呼吸狀況得到了改善。4個月後,其中8名嬰兒仍然活著。

  除了新生兒,這項技術也成功地幫助了一些患有嚴重肺部疾病的成年人。不過目前液體通氣技術的實際應用僅限於“部分液體通氣”(PLV),也就是說,氟碳化合物並沒有大範圍填充肺部,更多的是作為一種降低肺泡表面張力的表面活性劑來輔助呼吸,病人的主要呼吸介質依然是空氣。

  而真正意義上的液體呼吸,也就是 “全液體通氣”(TLV)技術會將氟碳化合物充盈肺部,用液體來交換氣體,這項技術已經在一些大型哺乳動物,比如患有急性呼吸窘迫綜合徵的羊身上已經取得進展,但能維持的時間還相當有限,需要把控的條件更複雜。

  氟碳化合物不僅被用於改善呼吸,由於它對人體相對友好,不會被人體吸收,因此還能作為給藥載體。又因為它不透射線,也被用作CT掃瞄成像的造影劑。氟碳化合物還是一種很好的冷卻劑,能夠實現器官組織的快速冷卻,以延緩急性損傷的發生,減輕後遺症。由於出色的冷卻和絕緣性能,它已經在工業領域大顯身手。

《深淵》劇照
《深淵》劇照

  至於開頭提到的科幻小說情節,液體通氣技術的確有潛力應用於深潛呼吸設備,預防潛水病,或用於航天領域,幫助宇航員應對飛船加速時的超重狀態。但目前氟碳化合物的效果並不那麼理想,還需要我們找出人體更適應的液體介質,並開發出更先進的流體循環設備。

  如果能無拘無束地在液體中呼吸,你想怎麼用呢?

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