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(fā)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
在20世紀(jì)之前，減壓病除了無藥可醫(yī)外，更難以預(yù)防，潛水員經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)全身臟器“冒著氣泡”死亡。但幸好，我們現(xiàn)在已有減壓理論的知識裝備，做足功課后就能很大程度地避免減壓癥的發(fā)生了。
不過，你有沒有想過，這些知識怎么得來？
如果沒有21條狗命、85只山羊和無數(shù)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(xué)家?guī)砹俗顚氋F的數(shù)據(jù)。
一只患減壓病的山羊，可以看出其左腿已無法彎曲伸直
深海最可怕的是什么？不是缺氧和寒冷，而是能壓扁一切的巨大壓強。
眾所周知，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(dāng)于增加1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。當(dāng)下落到4000米的海底時，壓力就差不多相當(dāng)于被壓在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
不過，實際情況很可能沒想象中可怕。理論上只要調(diào)整好體內(nèi)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為人體本身就是由水組成的。當(dāng)人體與周圍海水保持著一樣的壓強，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(dāng)然，它們的身體也有許多適應(yīng)深海的生理特性）。
但是，這并不代表著人類就能逃脫深海壓強的擺弄。其實，最恐怖的事并非發(fā)生在下潛時，反而是從深海上浮至海面的過程中，你將會經(jīng)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，隨著壓強的不斷增大，這些氣體分子也會不斷被壓縮，而人體吸入的氣體分子數(shù)量也比水面多得多。
因為人體會不斷地消耗氧氣，在高壓下吸入的多余氧分子問題并不大，它們能輕易被吸收一般不會在體內(nèi)積累。而呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳，也比較容易被排出。
但唯獨占比最大的氮氣最陰魂不散。這也是減壓癥發(fā)生的根本原因。在下潛的壓力下，人體內(nèi)過多的氮氣會變成一個個極小氣泡，并在血液和組織內(nèi)隨意游走。當(dāng)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(guān)節(jié)、心肝脾肺腎等各個器官組織以不同速率溶解的氣體，現(xiàn)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(xì)胞缺氧、損傷，引起疼痛和各種炎癥反應(yīng)。
減壓病人關(guān)節(jié)處的氣泡會讓人無法彎曲伸直肢體，所以減壓病也被稱為“bends”
人類從很早之前，就已經(jīng)知道減壓病的存在了，只要與潛水相伴的職業(yè)基本上都離不開減壓病。例如在幾千年前，采珠、采海綿等原始的屏氣潛水作業(yè)，就造成了無數(shù)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(jié)構(gòu)示意圖，其本質(zhì)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，提供了干燥的工作環(huán)境。圖源：維基百科
當(dāng)時，許多巨大的壓縮空氣箱被用于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筑，但也付出了巨大的“隱藏成本”。在高壓環(huán)境下長時間作業(yè)，建筑工人很快會病倒，出現(xiàn)頭痛，關(guān)節(jié)肌肉劇烈疼痛、無法伸直等各種癥狀，嚴(yán)重致死。
而在布魯克林大橋的建筑過程中，就發(fā)生110例減壓病，其中3人慘死，這數(shù)量已經(jīng)超過所雇工人的六分之一。
布魯克林的建筑圖，可以看到有沉箱的設(shè)計，圖源：Fotosearch/Getty Images
然而，因為對減壓病的不了解，人們只當(dāng)這是一種神秘疾病。也就是說，都要邁入20世紀(jì)了，人們對減壓病還是一無所知。
為了弄清楚沉箱工人和潛水員患減壓病的病理學(xué)原理，人類首先犧牲了21條狗命。
1878年，法國生理學(xué)家保羅·伯特（Paul Bert），就將24只狗暴露在7-9個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，然后再在1-4分鐘之內(nèi)迅速減壓。結(jié)果，所有狗都患上了嚴(yán)重的減壓病，其中的21只狗更是當(dāng)場斃命。
通過給這些狗進行尸檢，伯特很快得出結(jié)論。減壓病是溶在血液中多余的氮氣所致。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(yù)防減壓癥的發(fā)生，減少對身體的傷害。
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，伯特并未能提供相關(guān)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，緩慢減壓到底要多慢？在多深的海底，氮氣會以什么速率滲透入人體各組織，而在上浮時，這些氣體又會以什么怎樣的速率逸出？而且，在水下50米待20分鐘和在水下100米下待10分鐘，又有什么區(qū)別？這些都亟待解決的問題。
當(dāng)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(yīng)用效果也很差，幾乎無法避免減壓癥的發(fā)生。
而潛水員，也只能在減壓癥發(fā)生時，再次被送回海里或在高壓艙內(nèi)呼吸壓縮空氣治療。如果有預(yù)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(nèi)（John Scott Haldane）
邁入20世紀(jì)，蘇格蘭生理學(xué)家約翰·霍爾丹（John Scott Haldane）就帶著85頭山羊，登上了研究減壓癥的歷史舞臺。
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，希望他研究減壓病并找出預(yù)防的方法。
而與皇家海軍的合作試潛中，霍爾丹就驚喜地發(fā)現(xiàn)，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(fā)生減壓病。這個深度的壓強，則剛好約為兩個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，是水面氣壓的兩倍。
根據(jù)這一現(xiàn)象，霍爾丹也提出了一個大膽的猜想：如果潛水員在兩個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境，迅速上浮至一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境而沒有產(chǎn)生任何不良反應(yīng)。那么無論在什么深度，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，周圍的壓強大概為148帕斯卡。
那么，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(nèi)的氮氣逸出后再繼續(xù)上浮至51英尺（約15.5米）的深度，在那里壓強則為37帕斯卡，剛好是74帕斯卡的一半。
之后的步驟，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(yù)防減壓癥。
當(dāng)然，只有假說還不夠，還需要驗證。起初，霍爾丹的設(shè)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(fā)現(xiàn)癥狀，其實并不容易。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(yuǎn)（狗）。
減壓實驗所用的豬和山羊
唯獨山羊的呼吸速率，與人類最為接近的，剛好是成年男性的1.7倍，而性格也相對溫和。
于是，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(huán)境下，這些山羊會和人類一樣表現(xiàn)出呼吸短促困難、關(guān)節(jié)無法彎曲等癥狀。
盡管部分山羊后期可以慢慢恢復(fù)，但情況嚴(yán)重的，還是會造成永久性傷害甚至休克死亡。
老年的霍爾丹鉆進高壓艙，拿自己的身體做實驗
不過，霍爾丹并非對這些實驗動物沒有同情心。其實在礦井中養(yǎng)金絲雀以檢測甲烷和一氧化碳濃度的做法，也是霍爾丹發(fā)明的。如果金絲雀出現(xiàn)不良反應(yīng)就表示甲烷和一氧化碳濃度過高了。
但霍爾丹并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(shè)計一個氧氣艙。金絲雀暈倒后，便會落入氧氣艙內(nèi)，艙門關(guān)閉后它便有了生的機會。
美國礦工與金絲雀，在過去一百年時間內(nèi)金絲雀都以哨兵的身份挽救了無數(shù)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(shè)計時他會最大限度地讓山羊不會被殺死。如果實驗過后山羊確實表現(xiàn)得極度痛苦，它們也會被安排安樂死。另外，那些幸存下來的山羊，則會“光榮退伍”再找個好人家收養(yǎng)，安享晚年。
毫無疑問，那組采用了階段式減壓的山羊是最幸運的。它們不但沒有出現(xiàn)任何不良的反應(yīng)，日后更能衣食無憂。
電影《Licence To Kill （1989）》中描述了瞬間減壓的夸張死法
而在動物實驗過后，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，采用了階段式減壓的都沒有出現(xiàn)減壓病。
為了證明即便是沒有受過潛水訓(xùn)練的人，也能根據(jù)減壓停留法預(yù)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(xué)家約翰·霍爾丹（J.B.S Haldane）。著名小說《美麗新世界》的靈感，便來自于小霍爾丹的構(gòu)想。
霍爾丹的減壓表1
到1908年，霍爾丹就發(fā)布了一份劃時代的潛水表格，這成了所有潛水員的藍(lán)皮書。在這之后，這份潛水表也被不斷地發(fā)展和優(yōu)化了，指導(dǎo)著潛水工作。
就是這么個小小理論，到現(xiàn)在仍在拯救著全球數(shù)百萬人的性命?？梢哉f，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(dāng)然，那24條狗、85只山羊和無數(shù)被扔進減壓艙的小動物也功不可沒。
Haldane‘s decompression model.Wikipedia
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