人類能在液體中呼吸嗎？

空氣是我們須臾離不開的東西。在正常情況下，一個(gè)人每分鐘差不多要呼吸15～20次。

空氣是氣體。那么，你有沒有想過，人能不能呼吸液體呢？呼吸液體也是科幻故事里反復(fù)描繪的一種特技，最有名的是1989年上映的好萊塢深海動(dòng)作片《深淵》。但我們真的能做到嗎？

事實(shí)上，我們不僅可以做到，而且已經(jīng)做到了，剩下的只是如何改進(jìn)的問題。

在闡明如何做到的之前，我們先來了解一下，為什么我們不能在水或牛奶中呼吸。你也許會(huì)說，它們都是液體呀！沒錯(cuò)，這些液體跟氣體在物理性質(zhì)上差異很大，但這不是問題的關(guān)鍵。

對(duì)于呼吸，水和牛奶最主要的缺陷是含氧量不足。我們的肺通過從空氣中提取氧氣來運(yùn)作。我們每吸入的一口氣中，就含有差不多21%的氧氣?？墒茄鯕馐且环N難溶的氣體，我們根本無(wú)法從大多數(shù)液體中提取足夠的氧氣，以供身體代謝之需。所以，這才是我們不能在水中呼吸的關(guān)鍵。

然而，有些液體可以像海綿一樣吸收氧氣，所以不難想見，這些液體是可能被用于呼吸的。雖然一般人難以想象，所謂的液體呼吸，其實(shí)就是用液體代替空氣，從鼻孔中吸入液體，流經(jīng)肺，然后又被我們的鼻孔呼出的意思。你或許會(huì)問，這樣一來，我們會(huì)不會(huì)嗆著呢？水流進(jìn)肺部，因?yàn)闊o(wú)法為肺提供氧氣，所以會(huì)嗆著;但這種液體里含有大量肺所需要的氧氣，所以不會(huì)被肺排斥。

對(duì)可呼吸液體的研究可追溯到1900年代，但到了1940年代，才真正進(jìn)入了高速發(fā)展階段。那個(gè)時(shí)候，美國(guó)正在實(shí)施研制原子彈的“曼哈頓工程”?？茖W(xué)家在尋找防輻射物質(zhì)的時(shí)候，偶然發(fā)現(xiàn)了一類全氟化合物。這類化合物僅由碳和氟組成，不活潑、無(wú)色無(wú)味，對(duì)人體沒有明顯的不良影響。更重要的是，它們極易溶解氣體，能夠比血液溶解更多的氧氣和二氧化碳。

這讓科學(xué)家想知道動(dòng)物是否能呼吸全氟化合物。在最早的一項(xiàng)研究中，他們將小鼠和貓浸泡在全氟化合物中，發(fā)現(xiàn)它們?cè)跀?shù)周內(nèi)呼吸依然正常。然而，試驗(yàn)之后，這些動(dòng)物的肺部遭受了不同程度的損傷——但不是由全氟化合物本身引起的，而是由溶解在其中沒得到及時(shí)清除的二氧化碳引起的。正如在我們的血液里，二氧化碳要是沒有及時(shí)清除，也會(huì)引起肺損傷。

隨后的研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)問題可以通過用呼吸機(jī)過濾液體中的二氧化碳來解決。用呼吸機(jī)還有一個(gè)莫大的好處，就是讓液體呼吸起來更省力。眾所周知，氣體的黏性是很小的，所以我們呼吸起來不費(fèi)吹灰之力。而液體的黏性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體，我們要把大口的液體吸進(jìn)肺，然后又呼出鼻孔，可想而知，每一口呼吸都是相當(dāng)費(fèi)力的。使用呼吸機(jī)，把液體從鼻孔壓進(jìn)去，流經(jīng)肺部，再?gòu)谋强壮槌鰜?，外加一個(gè)動(dòng)力，以自動(dòng)循環(huán)的方式呼吸，那就省力多了。

從早期的動(dòng)物試驗(yàn)中吸取教訓(xùn)，1989年，美國(guó)天普大學(xué)醫(yī)學(xué)院的醫(yī)生想知道，液體呼吸是否可以幫助患有嚴(yán)重呼吸困難的早產(chǎn)兒，因?yàn)樗衅渌委煼椒ǘ际×?。他們給3個(gè)嬰兒的肺部部分填充了全氟化合物之后，注意到嬰兒的情況有所改善。然而，這3個(gè)嬰兒最終還是都死了。

7年后，另一個(gè)小組利用改進(jìn)的液體呼吸技術(shù)，在13個(gè)患有嚴(yán)重呼吸困難的早產(chǎn)嬰兒身上嘗試全氟化合物液體呼吸。這些嬰兒也是預(yù)計(jì)將無(wú)法存活的。他們發(fā)現(xiàn)，液體呼吸使大多數(shù)嬰兒的情況得到改善。這可能是通過減少新生兒肺部的表面張力來實(shí)現(xiàn)的。更簡(jiǎn)單地說，早產(chǎn)兒的肺部還沒有為呼吸氣體做好準(zhǔn)備，而全氟化合物液體為子宮內(nèi)的羊水和外界空氣提供了一座過渡的橋梁。這次試驗(yàn)之后，有8個(gè)嬰兒存活了下來。

此后，液體呼吸也在患有肺部疾病的危重成人身上試驗(yàn)成功。

更有甚者，在患者肺衰竭、肺部攝入氧氣的能力嚴(yán)重下降的情況，可直接將可呼吸液體灌入患者的肛門或直腸來救人一命。目前，這一療法已在豬身上試驗(yàn)成功。

科學(xué)家很早就知道，一些淡水魚可以通過腸子吸收氧氣。在哺乳動(dòng)物的直腸（肛門是直腸的最末端）中，有一層薄薄的膜，也允許某些化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入血液。因此，他們想知道，哺乳動(dòng)物是否也可以通過直腸攝入氧氣。

最近，日本科學(xué)家在豬身上測(cè)試了這個(gè)想法。他們對(duì)4頭豬進(jìn)行了麻醉，將它們放在呼吸機(jī)上。豬在麻醉狀態(tài)下，呼吸速度比正常情況下要低，因此它們的血液中含氧水平下降。隨后，他們給其中兩頭豬的肛門灌入含氧全氟化合物液體，每小時(shí)更換一次。他們發(fā)現(xiàn)，豬血液中的含氧水平明顯上升。通過手術(shù)將含氧全氟化合物液體灌入另外兩頭豬的直腸，也發(fā)生了同樣的情況。

我們知道，在這次新冠疫情中，很多重癥患者的肺部嚴(yán)重?fù)p傷，呼吸困難。如果這個(gè)新療法在人身上試驗(yàn)成功，也許能挽救不少人的生命。

一般人以為潛水員是攜帶氧氣瓶潛水的，這是一個(gè)誤解。氧氣雖然是我們必需的，但人長(zhǎng)時(shí)間呼吸純氧是會(huì)中毒的。潛水員攜帶的水下呼吸裝置，一般稱為“水肺”。水肺里裝的氣體，其實(shí)就是壓縮空氣，其中氮?dú)饧s占4/5，氧氣約占1/5。

除了醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，液體呼吸的一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域是深海潛水。在電影《深淵》中，一個(gè)情節(jié)是潛水員呼吸著隨身攜帶的液體，到深海海底去拆除即將爆炸的核彈頭。

為什么電影中的潛水員不攜帶所謂的“水肺”（一種水下呼吸裝置）潛水呢？這要從潛水員自身的危險(xiǎn)說起。

一般人以為潛水員是攜帶氧氣瓶潛水的，這是一個(gè)誤解。氧氣雖然是我們必需的，但人長(zhǎng)時(shí)間呼吸純氧是會(huì)中毒的。潛水員攜帶的水下呼吸裝置，一般稱為“水肺”。水肺里裝的氣體，其實(shí)就是壓縮空氣，其中氮?dú)饧s占4/5，氧氣約占1/5。

我們知道，當(dāng)壓強(qiáng)增大，氣體的溶解度也會(huì)增加。在水面，溶解在血液中的氮?dú)夂苌?，?duì)我們的健康沒有什么影響。但在水下，隨著下潛深度增加，壓強(qiáng)增大，溶解在我們血液中的氮?dú)庠絹碓蕉唷：蠊?，引發(fā)一種類似醉酒的中毒癥狀，叫“氮麻醉”。此外，當(dāng)潛水員返回水面時(shí)，由于壓強(qiáng)驟減，溶解在血液中的氮?dú)馕龀觯谘芾镄纬梢粋€(gè)個(gè)小氣泡，妨礙血液循環(huán)，也會(huì)帶來嚴(yán)重的后果。這叫“減壓病”。

如果下潛深度超過150米，水肺中的氮?dú)馔煤馓鎿Q。氦氣的溶解度比氮?dú)庑。梢员苊狻暗樽怼焙蜏p輕“減壓病”。但即使這樣，依然不能避免一種叫“高壓神經(jīng)綜合征”的潛水病，其癥狀包括頭暈、惡心和嘔吐，造成不可逆的腦損傷。

在這種情況下，呼吸液體也許是一種替代辦法。在肺部有液體的情況下，潛水員肺部的壓強(qiáng)更容易適應(yīng)周遭水壓的變化，更重要的是，不必吸入氮?dú)饣蚝狻?/p>

不過，目前的可呼吸液體對(duì)于潛水還不實(shí)用。為了將血液中由正常代謝所排出的二氧化碳及時(shí)清除，對(duì)于一個(gè)體重70千克的成年人來說，每分鐘大約需要吸進(jìn)又呼出5升全氟化合物液體。這在沒有呼吸機(jī)的幫助下，幾乎是辦不到的。所以，潛水員要想實(shí)現(xiàn)“自由”呼吸液體的夢(mèng)想，我們還需要發(fā)明更輕的可呼吸液體以及更便于攜帶的呼吸機(jī)器。

◎ 來源|大科技