像魚一樣在水中游

明尼蘇達大學的愛德華·卡斯勒早在1980年就制作了能夠從水中提取氧氣的人工腮。他的夢想是這一設備有一天能使他像一條魚那樣在水中呼吸。

卡斯勒并不是第一個夢想像魚那樣游的人。在1962年，水下探險先驅雅克·庫斯托就預言了水棲人類的出現(xiàn)：人類通過手術裝上腮。庫斯托說：“肺將被繞過去，水棲人類將能夠在水中的任何深度生存和呼吸任意長的時間，而不會受到任何傷害。”

當然，我們中的大多數(shù)人不會選擇求助于手術安裝人工腮。新技術的發(fā)展能夠解決困擾卡斯勒的問題、為我們創(chuàng)造一個實用的人工腮嗎？這樣的人工腮將不僅使

潛水者受益，它還有從為潛艇提供氧氣到驅動燃料電池等許多其他用處。

人工腮

制造一個粗糙的人工腮出奇地簡單。你所需要的不過是一個由膜制成的不透水的箱子，這種膜對氣體具有高度的通透性。將這個箱子充滿空氣并置于水下，你就得到了一個人工腮。溶解在水中的氧氣和二氧化碳與水面以上空氣中氧氣和二氧化碳的水平達到了平衡，因此，氧氣和二氧化碳通過膜的擴散將導致箱子里氧氣和二氧化碳的濃度接近于空氣。如果箱子里的氧氣水平下降了，水中更多的氧氣將擴散進來，與此同時多余的二氧化碳將從箱子里擴散到水中。

在1961年，也就是第一個高通透性的硅酮膜制造出來幾個月之后，通用電氣公司的沃爾特·羅布制造了一個能維持倉鼠生命的腮。不用說，人類需要比倉鼠多得多的氧氣。水中的氧氣不會有空氣中那么多——根據(jù)溫度的不同，每升海水中有4～6毫升氧氣。因此，為了得到足夠的氧氣，你要做的不僅是使膜上的水快速流動，還需要巨大的表面積能夠立刻提取出更多的氧氣。根據(jù)生理學家查爾斯·帕加內利的計算，所需的表面積最小要達到80平方米。

為了使腮實用，巨大的表面積必須壓縮至一個很小的空間內。肺泡正是利用同樣的方法使我們的肺擁有很大的表面積。

在20世紀80年代，東京的富士系統(tǒng)設備公司為潛水者開發(fā)了一系列原型腮，而最先進的名為“輔助泵3”的原型是由方形箱組成的，它必須置于潛水者的前方。它很大，但它確實有效。在2002年的一次電視轉播中，它使一名潛水者在游泳池下待了30分鐘。

尺寸并不是它的惟一問題。普通的空氣中氧氣占21%。就像卡斯勒的人工腮一樣，“輔助泵3”所能維持的氧氣濃度也只有大約16%。這樣低濃度的氧氣會削弱人清晰思考的能力，這是潛水者所不愿看到的。

這樣看來僅依靠氣體的擴散而起作用的腮還不夠好。需要有一些方法來提高氧氣的濃度。我們知道這是可能的：魚給自己的浮囊充氣，這可以確保它們浮在水中，同時從水中提取純氧。

兩循環(huán)系統(tǒng)

在20世紀80年代，北卡羅來納州杜克大學的約瑟夫和西莉亞·博納文圖拉發(fā)現(xiàn)，魚是在對pH值敏感的血紅蛋白——運送氧氣的血液蛋白質——的幫助下做到這一點的。當浮囊周圍的細胞向血液中釋放乳酸時，血液pH值的下降導致氧氣釋放進入浮囊，以確保魚在潛入更深的水中時的氧氣量。

這對夫婦認識到他們可以通過模仿魚的這個過程創(chuàng)造出人工腮，實現(xiàn)多種用途。擯棄了魚的血紅蛋白，這兩人計劃利用合成化學物質，這種物質可以與氧氣牢固地結合，而當它穿過一個電極時可以釋放氧氣。博納文圖拉夫婦為潛水者設計的腮由兩個循環(huán)組成。在第一個循環(huán)中，人工血紅蛋白將從水中提取氧氣。在這個循環(huán)的另一端，攜帶氧氣的血紅蛋白將流過一個電極并釋放氧氣，釋出的氧氣會穿過一個膜進入運送可呼吸空氣的第二個循環(huán)。

但是這一計劃從未走出試驗階段。卡斯勒和帕加內利并不認為兩循環(huán)系統(tǒng)是人工腮的發(fā)展方向。

前面說到低濃度氧氣會對人體造成傷害，但高度濃度氧危害更大。隨著潛水者下潛，更高的壓力一方面壓縮可呼吸的氣體，另一方面使得更多的氣體溶入水中。由于氮氣占空氣的比例大約為80%，所以大部分損失的是氮氣。為了阻止肺崩潰，腮將不得不向可呼吸的氣體中泵入更多的氧氣。氧氣的比例因此而得到了增加，這會導致一個問題：在9米深的水下，純氧會變得有毒。因此，具有諷刺意味的是，在你潛入較深的水下時，如果你想從水中獲得所需要的氧氣，你將不得不攜帶惰性氮以避免氧氣所造成的傷害。

再呼吸系統(tǒng)

來看看以色列發(fā)明者阿隆·博德納的成果吧。他開發(fā)出一種創(chuàng)新的方法，利用一種工業(yè)過程分離液體中的空氣。這一方法的基礎是：如果你降低液體的壓力，例如利用離心泵，溶解在水中的氣體將會變成氣泡溢出。博德納聲稱他的電池驅動的設備幾乎能夠將溶解在水中的氣體全部提取出來。如果是海水，它提取出的氣體中將包含34%的氧氣。至關重要的是，由于博德納的設備可從水中同時提取氮氣和氧氣，氮氣損失將不再是個問題。

但是這種方法也有問題。為了提供足夠一名潛水員在水面呼吸的空氣的量，這套系統(tǒng)一分鐘將處理超過1000升水。下潛10米，壓力會增加一倍，因此你需要提取兩倍的空氣才能達到與在水面上時相同的量。下潛得越深，需要提取的空氣就越多。惟一能使這一系統(tǒng)實用化的方法是使其提取的部分空氣實現(xiàn)再呼吸。

再呼吸系統(tǒng)的另一個限制因素不是攜帶氧氣，而是清除二氧化碳。濾毒罐（包含二氧化碳吸附物，可清除二氧化碳）只能維持幾個小時。它不能被再次使用，要替換它也很昂貴。博德納的方法確實解決了利用膜的腮所帶來的一些大問題，但它也犧牲了腮的巨大優(yōu)勢：腮在清除二氧化碳方面更勝一籌。

可預見的未來

人工腮在可預見的未來最可能的用處是為驅動水下機器的燃料電池提供氧氣。原型已經(jīng)開發(fā)了出來。

未來，人工腮也許可以用于為潛艇供氧或為水下棲息地提供用于呼吸的氧氣。博德納將此作為他所開發(fā)的設備最有可能的用武之地。

事實上，長時間潛水的主要理由是避免得減壓疾病。減壓疾病是由與利用膜的腮導致的氮損失完全相同的現(xiàn)象引發(fā)的：給氣體加壓，更多的氣體將溶解在血液或者水里。過快地浮出水面可能在人體組織中形成潛在的致命氣泡。在關節(jié)中，它會導致極度的疼痛并破壞軟骨。在血液中，它可堵塞大腦的毛細血管。潛水者沉在水下的時間越長，他浮出水面就越得緩慢。

因此，人工腮的發(fā)明者們也許在試圖解決一個錯誤的問題。潛水者所需要的并不是為了能在水下待更長的時間而從水中獲得空氣的方法，而是一種避免減壓疾病的方法。

有一種方法：用攜帶氧氣的液體替換惰性氣體。呼吸液體——在電影《深淵》中名噪一時——將改變潛水。我們能夠潛入非常深的地方并以你喜歡的速度浮出水面。盡管醫(yī)學試驗證明它是安全的，它卻不像電影中所建議的那樣簡單。人類的肺不能將某種密度的液體以足夠快的速度吸入和排出，因而也就不能產(chǎn)生足夠的氧氣，因此你需要管子從喉部伸下去以使液體循環(huán)。

安阿伯密歇根大學的外科醫(yī)生羅納德·赫希爾正在開發(fā)可處理各種肺部疾病的技術。赫希爾認為呼吸液體也許極度不舒服。盡管如此，他認為有一天潛水者會適應液體呼吸。當潛水員呼吸液體變得十分熟練時，也許人工腮將可以提供氧氣。

【責任編輯】龐云