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科学家研制人工腮可使人在水下正常呼吸


http://www.sina.com.cn 2006年12月06日 10:47 科技日报

  沈英甲

  现在,许多科学家都致力于研究一种人工腮,供人在水下活动时呼吸用,但是理想的人工腮至今仍在科学家的追求中,不过,可以断言,随着科学技术的长足进步,理想的人工腮离问世不会太远了。

  20世纪80年代,美国北卡罗来纳州杜克大学的科学家夫妇约瑟夫和西莉亚•伯纳文图拉发现,鱼之所以能在水中呼吸,是在对pH值敏感的血红蛋白———运送氧气的血液蛋白质的帮助下做到的。当鱼鳔周围的细胞向血液中释放乳酸时,血液pH值的下降导致氧气释放进入鱼鳔,以确保提供鱼在潜入更深的水中时呼吸所需的氧气。这对夫妇意识到,可以通过模仿鱼的这个提取空气的过程创造出人工腮,实现多种用途。他们模仿鱼的血红蛋白,考虑利用可以与氧气牢固结合的合成化学物质也就是人造血红蛋白,当这种合成化学物质通过一个电极时可以释放氧气。伯纳文图拉夫妇为潜水者设计的腮由两个循环组成。在第一个循环中,人造血红蛋白从水中提取氧气。在这个循环的下一阶段,携带氧气的人造血红蛋白流过一个电极并释放出氧气,释出的氧气进入运送可呼吸空气的第二个循环。

  随着潜水者下潜,更高的压力一方面压缩可呼吸的气体,另一方面使得更多的气体溶入水中。由于氮气占空气的比例大约为80%,所以大部分损失的是氮气。为了防止肺无法适应,腮不得不向可呼吸的气体中泵入更多的氧气。氧气的比例因此而得到增加,这会导致一个问题:在9米深的水下,纯氧会变得有毒。这个问题很难避免,双循环的腮可减少氮气的损失却不能解决这个问题。即使能完全阻止通过人工腮损失氮,潜水者仍会通过他们的皮肤损失氮。

  因此,在潜入较深的水下时,如果想从水中获得所需的氧气,潜水者将不得不携带氮气以避免纯氧所造成的伤害。

  以色列发明家阿隆•博德纳开发出一种新技术,与涉及膜的人工腮无关,他准备利用一种工业过程分离液体中的空气。这一方法的基础是:如果降低液体的压力,例如利用离心泵,溶解在水中的气体将会变成气泡溢出。博德纳说,他的电池驱动设备几乎能够将溶解在水中的气体全部提取出来。如果是海水,它提取出的气体中将包含34%的氧气。重要的是,由于博纳德的设备可以从水中同时提取氮气和氧气,氮气损失将不再是困扰科学家的难题。

  目前,科学家正就上述问题研究破解困局的办法,在新原理和新技术层出不穷的今天,形形色色的人工腮都在科学家的构思之中,人在水下像鱼那样正常呼吸,应当不是过于遥远的前景。

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