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即使被它淹没也不会窒息,这是什么神奇液体?

新浪科技综合2020-05-04 14:32:210

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来源:中科院物理所

撰文 | Mirror

最没存在感的空气,总是在我们游泳呛水的时候提醒我们它有多重要——如果无法及时浮出水面呼吸空气,就会有窒息的危险。这是所有哺乳动物的致命弱点,即使是水生哺乳动物也做不到在水下呼吸,必须时不时浮出水面猛吸几口。

为什么鱼能自由地在水里呼吸,我们就不能?

谁说我们不能,《水形物语》里的艾丽莎,还有《风平浪静的明天》里的小伙伴们都表示不服。

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科幻作品《深渊》和《三体》中也描写了让潜水者或宇航员在特殊液体中呼吸的技术。

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尽管这些都是故事创作者的脑洞设想,但也并非毫无根据的天马行空。首先让我们分析一下,为什么我们在一般情况下无法在水中呼吸?

原因很简单:一、我们不是鱼(咸鱼也不行);二、我们不是人鱼(雾)。

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言归正传,我们和鱼类在呼吸上的区别主要有这两方面:需氧量的不同和呼吸器官的不同。

哺乳动物属于恒温动物,需要不断消耗能量维持体温,而鱼类等用鳃呼吸的动物都是变温动物,对氧气的需求比我们小。空气中含有大约21%的氧气,而等体积水中的氧气含量仅为它的1/20。

哺乳动物肺部参与交换气体的是一个个葡萄粒般的小肺泡,它们输送氧气的方式很佛系——让氧气自由扩散透过薄膜,因为气体会自发从高浓度一侧流向低浓度一侧。

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然而氧气在水中的浓度很低,靠被动扩散可太慢了。另外,水的粘度(空气的100多倍)和密度(空气的700多倍)都比空气大得多,容易滞留在肺部,无法及时排出。

话说回来,既然空气中的氧气比水里多得多,为什么鱼类在空气中还会窒息呢?

在鱼类的呼吸器官——鳃上你可以看到一条条细密的鳃丝。当鱼儿在水中游动时,鳃丝舒展开来,与水流充分接触,滤出其中的氧气。但在空气中,干燥的鳃丝会粘连在一起,这就好比我们的气管壁都贴到了一起,自然会呼吸困难。

救救孩子

既然水不行,其他液体可能吗?

你可能会想到羊水,但宝宝并不是从羊水中获得氧气的,而是通过脐带和胎盘从母亲血液中获得的。

那干脆就在全是氧的液氧中呼吸,岂不美哉?且不说氧浓度超过40%时,就可能引起中毒,光是让氧气维持液态就需要-183℃以下的低温,足够把你变成人体冰柜。

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绝大多数液体在常温常压下对氧气的溶解能力都很弱,而且光携带氧气还不够,这种液体还需要能溶解呼吸产生的二氧化碳,把它们送出去,才算是实现呼吸循环。我们熟悉的硅油就有如此难得的特性,然而,科学家发现硅油吸入肺部对人体有害,只能排除。

好在我们还有另一个选择——氟碳化合物(PFCs)。它是碳氢化合物中的氢原子被氟、氟氯、氟溴或氟碘取代后形成的一类有机惰性化合物。

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氟碳化合物常温下溶解氧气的能力可达血液的3倍(35~70mL/100mL),溶解二氧化碳更不在话下(122~255 mL/100mL)。而且它的化学结构非常稳定,不容易发生反应,是无色、无味、无毒的“三无产品”。

不过这东西一开始并不是为了让人体验液体呼吸的新鲜感而合成出来的。它的背景还很“硬核”——诞生于上世纪40年代美国研制原子弹的曼哈顿计划。当时科学家试图找出一种惰性物质来冷却核反应堆中的六氟化铀,后者极为活泼,跟谁都能擦出“花火”。后来,科学家找到了“老实安分”的氟碳化合物,并发明了大规模制取氟碳化合物的技术。

所以,听起来无可挑剔的氟碳化合物究竟能不能让人顺利呼吸呢?

先别急,在应用到人体之前,我们总得先在实验动物身上测试。

1966年,科学家克拉克和戈兰在《自然》杂志上发表了氟碳化合物呼吸的首个动物实验结果。他们将小鼠浸没在了溶有氧气的氟碳化合物液体中。由于氟碳化合物的密度是水的两倍,小鼠会浮出液面,因此需要对小鼠进行固定,结果小鼠成功地在氟碳化合物液体中存活了20小时。

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不仅“杰瑞”有过在液体中呼吸的奇妙体验,“汤姆”也曾参与到这类实验中。有的甚至能在里面呼吸好几星期——它们大概以为自己突然有了水中呼吸的超能力,也可能会开始怀疑鼠/猫生,以为自己其实是一条鱼。

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然而,不幸的是,在这个过程中,实验动物的肺部受到了侵害。这是因为氟碳化合物毕竟是一种高密度液体,粘滞度比空气大得多,扩散速度慢,如果只是浸在水中,被动交换气体,肺部的二氧化碳会逐渐积累,浓度越来越高,最终引起高碳酸血症。这就提醒科学家们,在实际应用时,需要配合辅助通气设备,用泵来循环液体,以及时清除二氧化碳。

可对人而言,为了液体呼吸的新鲜感而把一种陌生的液体灌入肺部,没有“敢死队”的勇气是做不到。那这项技术对我们又有什么意义呢?

氟碳化合物还有一个重要的特点是表面张力低。在正常肺泡的内表面有一层极薄的液体膜,主要由脂蛋白构成,它的存在降低了肺泡的表面张力,使肺泡能够维持正常大小。

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而一些急性肺损伤患者和肺部发育不全的早产儿的肺泡上往往缺少这种液体,氟碳化合物此时就能作为替代的表面活性剂,起到稳定肺泡的作用。

从动物实验中吸取教训后,1989年,氟碳化合物呼吸技术终于首次应用于医疗。坦普尔大学医学院的医生当时正在治疗三个患有严重呼吸窘迫综合征的早产儿,他们尝试了各种现有可行方案都失败了。

考虑到胎儿出生之前都处于液体环境中,医生们决定抱着最后一线希望,给濒死的婴儿们使用液体通气技术。宝宝们的肺部被部分灌入了氟碳化合物,随后他们的身体状况有了一定好转,然而最终还是没能把他们从死神那里拉回来。

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但医生们从中看到了一丝曙光,他们继续不懈地改进氟碳化合物呼吸技术。7年之后,另一组医务人员将改良后的液体呼吸技术应用于同样因严重呼吸窘迫综合征而徘徊在死亡边缘的13个早产儿身上。和预期的一样,大部分婴儿的呼吸状况得到了改善。4个月后,其中8名婴儿仍然活着。

除了新生儿,这项技术也成功地帮助了一些患有严重肺部疾病的成年人。不过目前液体通气技术的实际应用仅限于“部分液体通气”(PLV),也就是说,氟碳化合物并没有大范围填充肺部,更多的是作为一种降低肺泡表面张力的表面活性剂来辅助呼吸,病人的主要呼吸介质依然是空气。

而真正意义上的液体呼吸,也就是 “全液体通气”(TLV)技术会将氟碳化合物充盈肺部,用液体来交换气体,这项技术已经在一些大型哺乳动物,比如患有急性呼吸窘迫综合征的羊身上已经取得进展,但能维持的时间还相当有限,需要把控的条件更复杂。

氟碳化合物不仅被用于改善呼吸,由于它对人体相对友好,不会被人体吸收,因此还能作为给药载体。又因为它不透射线,也被用作CT扫描成像的造影剂。氟碳化合物还是一种很好的冷却剂,能够实现器官组织的快速冷却,以延缓急性损伤的发生,减轻后遗症。由于出色的冷却和绝缘性能,它已经在工业领域大显身手。

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至于开头提到的科幻小说情节,液体通气技术的确有潜力应用于深潜呼吸设备,预防潜水病,或用于航天领域,帮助宇航员应对飞船加速时的超重状态。但目前氟碳化合物的效果并不那么理想,还需要我们找出人体更适应的液体介质,并开发出更先进的流体循环设备。

如果能无拘无束地在液体中呼吸,你想怎么用呢?

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