21条狗、85只山羊的暗黑遭遇，让人类学会了安全潜水

　　来源：SME科技故事

　　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

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　　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