21条狗,85只羊..它们的遭遇,让人类学会安全潜水



减压病,几乎潜水活动的头号敌人。除了让潜水员痛不欲生,它的发生率还很高,稍不留神就会中招。


减压病让一名男子(Alejandro Ramos Martinez)肿得像个气球



在20世纪之前,减压病除了无药可医外,更难以预防,潜水员经常被发现全身脏器“冒着气泡”死亡。但幸好,我们现在已有减压理论的知识装备,做足功课后就能很大程度地避免减压症的发生了。

不过,你有没有想过,这些知识怎么得来?

如果没有21条狗命、85只山羊和无数只小动物牺牲,我们可能很难掌握真相。它们代替人类深潜海底,用自己的身体给科学家带来了最宝贵的数据。


一只患减压病的山羊,可以看出其左腿已无法弯曲伸直


深海最可怕的是什么?不是缺氧和寒冷,而是能压扁一切的巨大压强。

众所周知,越海洋深处去,海水压强就越大,大概每下降10米高度,就相当于增加1个标准大气压。当下落到4000米的海底时,压力就差不多相当于被压在14辆装满水泥的大卡车底下。所以,光靠想象人类在深海承受的压力,就让人毛骨悚然了。


不同深度人类肺部大小的变化

不过,实际情况很可能没想象中可怕。理论上只要调整好体内外空腔平衡,人是可以做到不被压扁的。而这很大程度上是因为人体本身就是由水组成的。当人体与周围海水保持着一样的压强,周围的水压便不能像液压机一样将人压得粉身碎骨了。你看,这不是还有各种鱼类能在深海里吃好活好(当然,它们的身体也有许多适应深海的生理特性)。

但是,这并不代表着人类就能逃脱深海压强的摆弄。其实,最恐怖的事并非发生在下潜时,反而是从深海上浮至海面的过程中,你将会经历最痛不欲生的减压。







空气主要由78%的氮气,21%的氧气和1%的稀有气体组成。而在下潜过程中,随着压强的不断增大,这些气体分子也会不断被压缩,而人体吸入的气体分子数量也比水面多得多。

因为人体会不断地消耗氧气,在高压下吸入的多余氧分子问题并不大,它们能轻易被吸收一般不会在体内积累。而呼吸作用产生的二氧化碳,也比较容易被排出。



但唯独占比最大的氮气最阴魂不散。这也是减压症发生的根本原因。在下潜的压力下,人体内过多的氮气会变成一个个极小气泡,并在血液和组织内随意游走。当上浮过快、压力骤减时,这些来不及排出体外的氮气,便会瞬间膨胀、破裂。






这就像突然被打开瓶盖的苏打水,“呲”的一声,我们的身体就充满了气泡。这是真正意义上的“浑身冒泡”。

下潜时,我们的血液、大脑、关节、心肝脾肺肾等各个器官组织以不同速率溶解的气体,现在则再次以不同速率释出。而这些气泡造成的空腔,将会堵塞人体的血管,造成细胞缺氧、损伤,引起疼痛和各种炎症反应。



减压病人关节处的气泡会让人无法弯曲伸直肢体,所以减压病也被称为“bends”

人类从很早之前,就已经知道减压病的存在了,只要与潜水相伴的职业基本上都离不开减压病。例如在几千年前,采珠、采海绵等原始的屏气潜水作业,就造成了无数人患上减压病。

到1873年,安德鲁·史密斯(Andrew Smith)则首次使用“沉箱病”(caisson disease)一词描述了减压病。

沉箱的结构示意图,其本质就是一个无底的防水容器。水会被从沉箱中泵出,再通入压缩空气防止进水,提供了干燥的工作环境。图源:维基百科

当时,许多巨大的压缩空气箱被用于建造河上的桥墩和桥台。这种沉箱确实能更高效且更低成本地完成建筑,但也付出了巨大的“隐藏成本”。在高压环境下长时间作业,建筑工人很快会病倒,出现头痛,关节肌肉剧烈疼痛、无法伸直等各种症状,严重致死。

而在布鲁克林大桥的建筑过程中,就发生110例减压病,其中3人惨死,这数量已经超过所雇工人的六分之一。



布鲁克林的建筑图,可以看到有沉箱的设计,图源:Fotosearch/Getty Images



然而,因为对减压病的不了解,人们只当这是一种神秘疾病。也就是说,都要迈入20世纪了,人们对减压病还是一无所知。




为了弄清楚沉箱工人和潜水员患减压病的病理学原理,人类首先牺牲了21条狗命。

1878年,法国生理学家保罗·伯特(Paul Bert),就将24只狗暴露在7-9个标准大气压下,然后再在1-4分钟之内迅速减压。结果,所有狗都患上了严重的减压病,其中的21只狗更是当场毙命。

通过给这些狗进行尸检,伯特很快得出结论。减压病是溶在血液中多余的氮气所致。而他也建议潜水员和沉箱工人以一定的速度缓慢减压,这能让溶在血液中氮气缓慢逸出,以预防减压症的发生,减少对身体的伤害。


保罗·伯特(Paul Bert,1833-1886)

但光知道这一点是没多大用处的。靠24条狗,伯特并未能提供相关的详细数据,缓慢减压到底要多慢?在多深的海底,氮气会以什么速率渗透入人体各组织,而在上浮时,这些气体又会以什么怎样的速率逸出?而且,在水下50米待20分钟和在水下100米下待10分钟,又有什么区别?这些都亟待解决的问题。

当时,最常见的建议是以每20分钟降低一个大气压的方式让潜水员上浮。但实际应用效果也很差,几乎无法避免减压症的发生。

而潜水员,也只能在减压症发生时,再次被送回海里或在高压舱内呼吸压缩空气治疗。如果有预防方法,潜水员就不用遭受这些额外的折磨了。



1920年,约翰·霍尔丹在牛津的实验室内(John Scott Haldane)

迈入20世纪,苏格兰生理学家约翰·霍尔丹(John Scott Haldane)就带着85头山羊,登上了研究减压症的历史舞台。

在这之前,霍尔丹已小有成就了,因矿井有害气体和呼吸研究而闻名。所以在1905年,英国皇家海军的人就找到了霍尔丹,希望他研究减压病并找出预防的方法。

而与皇家海军的合作试潜中,霍尔丹就惊喜地发现,在33英尺(10米)以上的深度,无论潜水员停留多久、上升多快都不会发生减压病。这个深度的压强,则刚好约为两个标准大气压,是水面气压的两倍。

根据这一现象,霍尔丹也提出了一个大胆的猜想:如果潜水员在两个标准大气压的环境,迅速上浮至一个标准大气压的环境而没有产生任何不良反应。那么无论在什么深度,上浮速度有多快,人类都能承受气压的对半下降。







按照这个思路,如果潜水员下潜到300英尺(约91.4米)的海中,周围的压强大概为148帕斯卡。

那么,潜水员就可以立即上浮至74帕斯卡的深度,也即134英尺(约40.8米)。在这一深度停留一段时间,让人体内的氮气逸出后再继续上浮至51英尺(约15.5米)的深度,在那里压强则为37帕斯卡,刚好是74帕斯卡的一半。

之后的步骤,也是一直以此类推,直到潜水员安全浮出水面。而霍尔丹也把这叫阶段式减压(staged decompression),如果潜水员这样上浮,便能预防减压症。






当然,只有假说还不够,还需要验证。起初,霍尔丹的设想是用兔子、老鼠、鸡等来做实验动物。但是,想从这些小动物身上发现症状,其实并不容易。毕竟体型较小的动物,气体交换的速度也更迅速。

此外,霍尔丹也想过用灵长类、猪和狗等哺乳类动物,但不是太难获得(猪)、脾气太过暴躁(狒狒)就是呼吸速率与人类相去甚远(狗)。


减压实验所用的猪和山羊



唯独山羊的呼吸速率,与人类最为接近的,刚好是成年男性的1.7倍,而性格也相对温和。

于是,85只山羊,便逐批地送进高压舱,接受残酷的减压实验。在压强急剧变化的环境下,这些山羊会和人类一样表现出呼吸短促困难、关节无法弯曲等症状。

尽管部分山羊后期可以慢慢恢复,但情况严重的,还是会造成永久性伤害甚至休克死亡。


老年的霍尔丹钻进高压舱,拿自己的身体做实验

不过,霍尔丹并非对这些实验动物没有同情心。其实在矿井中养金丝雀以检测甲烷和一氧化碳浓度的做法,也是霍尔丹发明的。如果金丝雀出现不良反应就表示甲烷和一氧化碳浓度过高了。

但霍尔丹并没有打算放弃牺牲金丝雀的性命。他反而是在雀笼底下巧妙地设计一个氧气舱。金丝雀晕倒后,便会落入氧气舱内,舱门关闭后它便有了生的机会。


美国矿工与金丝雀,在过去一百年时间内金丝雀都以哨兵的身份挽救了无数矿工的生命



在这次减压实验中,他也尽最大的努力减缓山羊的痛苦。例如,在实验设计时他会最大限度地让山羊不会被杀死。如果实验过后山羊确实表现得极度痛苦,它们也会被安排安乐死。另外,那些幸存下来的山羊,则会“光荣退伍”再找个好人家收养,安享晚年。

毫无疑问,那组采用了阶段式减压的山羊是最幸运的。它们不但没有出现任何不良的反应,日后更能衣食无忧。



电影《Licence To Kill (1989)》中描述了瞬间减压的夸张死法

而在动物实验过后,霍尔丹便马不停蹄地安排了真人测试。但无论是在高压舱模拟还是真正的下海实操,采用了阶段式减压的都没有出现减压病。

为了证明即便是没有受过潜水训练的人,也能根据减压停留法预防减压病,霍尔丹甚至不惜让自己13岁的孩子潜入海底。而这个小霍尔丹便是知名的遗传学家约翰·霍尔丹(J.B.S Haldane)。著名小说《美丽新世界》的灵感,便来自于小霍尔丹的构想。

霍尔丹的减压表1



到1908年,霍尔丹就发布了一份划时代的潜水表格,这成了所有潜水员的蓝皮书。在这之后,这份潜水表也被不断地发展和优化了,指导着潜水工作。

就是这么个小小理论,到现在仍在拯救着全球数百万人的性命。可以说,所有潜水员的安全与健康,基本都建立在了霍尔丹的研究上。当然,那24条狗、85只山羊和无数被扔进减压舱的小动物也功不可没。


Haldane's decompression model.Wikipedia

JOSEPH A. WILLIAMS.The Dark Story of How Scientists Used Goats to Solve the Bends.2018.10.09.History

Butler WP.Caisson disease during the construction of the Eads and Brooklyn Bridges: A review.Undersea Hyperb Med.2004,31(4):445-59.

Chandrasekhar Krishnamurti.Historical Aspects of Hyperbaric Physiology and Medicine.IntechOpen.2019

Michael A. Lang and Alf O. Brubakk. Future of Diving: 100 Years of Haldane and Beyond is co-sponsored.Smithsonian Institution.2009

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