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图片:pixabay

作者|镜报

空气，这个没有存在感的东西，总是在我们游泳窒息的时候提醒我们它是多么的重要——如果不能及时浮出水面呼吸空气，我们就有窒息的危险。这是所有哺乳动物的致命弱点。即使是水生哺乳动物也不能在水下呼吸，所以它们不得不不时浮出水面，吸几口。

为什么鱼不能在水里自由呼吸而我们不能？

谁说我们不能？《水浒传》中的艾莉莎和《风平浪静的明天》中的朋友们都不满意。

水的故事剧照

摘自《风平浪静的明天》

科幻作品《深渊》、《三体》也描述了让潜水员或宇航员在特殊液体中呼吸的技术。

深渊剧照

虽然这些都是故事创作者的脑洞，但也不是空穴来风空。首先我们来分析一下为什么正常情况下不能在水中呼吸。

原因很简单:第一，我们不是鱼(甚至是咸鱼)；第二，我们不是美人鱼(雾)。

反正我们和鱼在呼吸作用上主要有两个区别:需氧量的区别和呼吸器官的区别。

哺乳动物属于温血动物，需要不断消耗能量来维持体温，而鱼类等通过鳃呼吸的动物是变温动物，对氧气的需求量比我们小。空气体中含有约21%的氧气，而同体积的水中氧气含量只有它的1/20。

哺乳动物的肺是像葡萄粒一样的小肺泡，参与气体交换。他们输送氧气的方式是佛教式的——让氧气自由扩散通过膜，因为气体会自发地从高浓度侧流向低浓度侧。

肺泡和毛细血管之间氧气和二氧化碳交换示意图

但是水中氧气浓度很低，被动扩散太慢。另外，水的粘度(100多倍空气)和密度(700多倍空气)都比空气大得多，容易滞留在肺部，不能及时排出。

话说回来，既然空气体中的氧气比水中多得多，为什么鱼还是会在空气体中窒息而死？

在鱼的呼吸器官鳃上，你可以看到纤细的鳃丝。当鱼在水中游泳时，它的鳃会伸出来，与水流充分接触，过滤掉氧气。但是在空空气中，干燥的鳃丝会粘在一起，就像我们的气管壁粘在一起一样，自然呼吸困难。

救救孩子。

既然水不行，那其他液体有可能吗？

你可能会想到羊水，但宝宝并不是从羊水中获取氧气，而是通过脐带和胎盘从母亲的血液中获取氧气。

只是吸入充满氧气的液态氧不是很美吗？更不用说当氧气浓度超过40%时，可能会引起中毒。光是保持液氧就需要-183℃以下的低温，这足以把你变成一个人体冰柜。

液氧需要在高压低温环境下储存。

大多数液体在常温常压下溶氧能力较弱，单独携氧是不够的。这种液体还需要能够溶解呼吸产生的二氧化碳，然后把它们送出去，实现呼吸循环。我们熟悉的硅油就有这样难得的特点。但科学家发现吸入肺部的硅油对人体有害，只能排除。

幸运的是，我们还有另一个选择——碳氟化合物(PFCs)。它是用氟、氟氯、氟溴或氟碘取代碳氢化合物中的氢原子而形成的一种有机惰性化合物。

最简单的碳氟化合物是四氟化碳(全氟化碳)|来源:维基百科

氟碳化合物在常温下的溶氧能力可以达到血液的3倍(35~70mL/100mL)，更不用说二氧化碳了(122~255 mL/100mL)。而且它的化学结构非常稳定，不容易发生反应。它是一种无色、无味、无毒的“三无产品”。

但一开始并不是为了让人们体验液体呼吸的新鲜而合成的。它的背景还是“硬核”——诞生于上世纪40年代的美国曼哈顿计划。当时，科学家试图找到一种惰性物质来冷却核反应堆中的六氟化铀，这种物质非常活跃，任何人都可能着火。后来，科学家发现了“诚实”的氟碳化合物，并发明了大规模生产氟碳化合物的技术。

那么，听起来无懈可击的氟碳化合物能让人呼吸顺畅吗？

别担心，我们要在实验动物身上测试后再应用到人体上。

1966年，科学家克拉克和戈兰在《自然》杂志上发表了第一个碳氟化合物呼吸的动物实验结果。他们将老鼠浸入溶有氧气的碳氟化合物液体中。因为氟碳的密度是水的两倍，老鼠会浮到水面，所以要固定。结果，老鼠在氟碳液体中成功存活了20个小时。

金鱼在上层水中游泳，老鼠在下层氟碳液体中正常呼吸|来源:AnaesthesiaUK

不仅杰瑞有过吸入液体的奇妙经历，汤姆也参与了这类实验。有些人甚至可以在里面呼吸几个星期——他们可能认为自己突然拥有了在水中呼吸的超能力，或者他们可能开始怀疑老鼠/猫是天生的，认为它们实际上是一条鱼。

怀疑苗生

然而不幸的是，在这个过程中，实验动物的肺部受到了损伤。这是因为氟碳毕竟是高密度液体，粘度远高于空气体，扩散速度较慢。如果只是浸在水中被动交换气体，肺部的二氧化碳会逐渐堆积，浓度越来越高，最终造成高碳酸血症。这提醒科学家，在实际应用中，需要配合辅助通风设备，用泵循环液体，及时排除二氧化碳。

但对于人来说，为了液体呼吸的清新而往肺里注射一种奇怪的液体，没有“敢死队”的勇气是做不到的。这项技术对我们意味着什么？

碳氟化合物的另一个重要特征是其低表面张力。正常肺泡内表面有一层很薄的液膜，主要由脂蛋白组成。它的存在降低了肺泡的表面张力，使肺泡保持正常大小。

当没有表面活性剂时(左)，小肺泡里的气体会流向大肺泡，而有表面活性剂的正常肺泡(右)可以保持平衡|来源:bioninja

但是，一些急性肺损伤患者和肺发育不全的早产儿，他们的肺泡上往往缺少这种液体，氟碳化合物可以作为替代表面活性剂来稳定肺泡。

经过动物实验学习，1989年，氟碳呼吸技术终于首次应用于医疗。天普大学医学院的医生正在治疗三名患有严重呼吸窘迫综合征的早产儿。他们尝试了所有可行的方案，但都失败了。

考虑到胎儿出生前处于液体环境，医生决定对有最后一线希望的垂死婴儿采用液体通气技术。婴儿的肺部部分填充了氟碳化合物，然后他们的身体状况有所改善。然而，最终还是没能把他们从死亡中拉回来。

液体通气技术在早产儿呼吸窘迫综合征中的应用。

但是医生看到了一线曙光，他们继续改进碳氟化合物呼吸技术。7年后，另一组医务人员将改进的液体呼吸技术应用于13名早产儿，他们也因严重的呼吸窘迫综合征而濒临死亡。正如所料，大多数婴儿的呼吸状况都有所改善。四个月后，其中八个婴儿仍然活着。

除了新生儿，这项技术还成功帮助了一些患有严重肺部疾病的成年人。然而，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，更多的是作为一种表面活性剂，降低肺泡的表面张力来辅助呼吸。患者的主要呼吸介质仍然是空气体。

真正意义上的液体呼吸，也就是“全液体通气”(TLV)技术，会用氟碳化合物填充肺部，用液体交换气体。这项技术已经在一些大型哺乳动物身上取得了进展，比如患有急性呼吸窘迫综合征的绵羊，但它能够持续的时间仍然相当有限，而且控制条件需要更加复杂。

氟碳化合物不仅用于改善呼吸，而且由于对人体相对友好，不会被人体吸收，还可以用作药物输送载体。因为它是不透射线的，所以也被用作CT扫描成像的造影剂。氟碳化合物也是一种良好的冷却剂，可以实现器官和组织的快速冷却，以延缓急性损伤的发生，减少后遗症。由于其出色的冷却和保温性能，已经在工业领域大显身手。

深渊剧照

至于开头提到的科幻小说情节，液体通气技术确实有潜力应用于深潜呼吸设备，预防潜水疾病，或者应用于航天领域，帮助宇航员应对飞船加速时的超重状态。但目前氟碳的效果并不那么理想，需要找出更适合人体的液体介质，开发更先进的流体循环设备。

如果可以在液体中自由呼吸，你想怎么用？

请让我在快乐的水里呼吸吧！

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https://shimo.im/docs/jYDYpHDXGkkYRdxc