開可樂與減壓病

侯安山

消防救援隊(duì)員從事水下搜救工作時(shí)，為爭取時(shí)間，會(huì)因來不及做“梯度減壓”而快速出水罹患減壓病。那么，什么是減壓病？其中包含了哪些物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)知識(shí)呢？

減壓病是指人體從高氣壓環(huán)境快速進(jìn)入常壓或低壓環(huán)境，致使原本溶解在體內(nèi)的氣體超過過飽和界限，在血管及組織中析出形成氣泡，引發(fā)栓塞的全身性疾病。

將身體想象成可樂等碳酸飲料更容易理解——沒打開的可樂瓶里沒有氣泡，但在打開可樂后，瓶中會(huì)產(chǎn)生氣泡。

析出的氣泡沿杯壁上升

這里要介紹一個(gè)物理學(xué)、化學(xué)的基本定律——亨利定律。1803年，英國著名學(xué)者威廉·亨利研究氣體在液體中的溶解度規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，“在一定溫度的密封容器內(nèi)，氣體的分壓與該氣體溶在溶液內(nèi)的摩爾濃度成正比”，即在溫度一定時(shí)，氣體在溶液中的溶解度與其分壓（假設(shè)從混合氣體系統(tǒng)中排除某種氣體以外的所有其他氣體，而保持系統(tǒng)體積和溫度不變，此時(shí)氣體所具有的壓強(qiáng)，稱為混合氣體中這一種氣體的分壓）成正比。

常溫常壓下，二氧化碳可溶于水，但溶解度不大。二氧化碳可與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸：

這個(gè)反應(yīng)是可逆的，即正逆反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

根據(jù)亨利定律，高壓狀態(tài)下，二氧化碳會(huì)更多地溶解在可樂中。因此，在生產(chǎn)可樂等碳酸飲料的過程中，工廠會(huì)利用高壓裝置將二氧化碳加入飲料中。瓶蓋打開后，瓶內(nèi)二氧化碳分壓迅速降低，二氧化碳的溶解度隨之降低。此時(shí)，瓶內(nèi)的碳酸處于過飽和狀態(tài)（某溶質(zhì)的量超過同溫度下該溶質(zhì)的溶解度），會(huì)分解產(chǎn)生二氧化碳。

減壓病與開可樂的過程類似。

增加的壓力（水壓）與大氣壓的總和，稱為“總壓”。水下搜救時(shí)，下潛深度越深，人體承受的總壓越大。在水下10米的深度，一個(gè)充滿氣的籃球會(huì)被壓癟，人體則可以通過口、鼻等與外界（呼吸管）相通的器官，增加體腔內(nèi)的氣體量及內(nèi)壓，調(diào)整內(nèi)壓與外壓的平衡而適應(yīng)外界壓力，不至于讓增大的外壓把身體壓癟。

根據(jù)前文所講的亨利定律，水下高壓會(huì)增加潛水人體腔內(nèi)空氣的壓力及其在血液中的溶解量。這些增量溶解的空氣，經(jīng)血液循環(huán)被送至人體各組織器官，使人體各組織器官的內(nèi)壓逐漸上升，與已增壓的體腔一起平衡外壓，使各組織器官（特別是循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)）的生理機(jī)能仍能正常運(yùn)行。

高壓狀態(tài)下增溶的大部分氧氣和二氧化碳會(huì)被血紅蛋白（紅細(xì)胞中的色素蛋白，即血紅蛋白，是人體進(jìn)行氧氣和二氧化碳代謝交換的主要載體）及血漿內(nèi)的其他成分吸收，少量以物理狀態(tài)游離于體液中；大部分氮?dú)鈩t集中溶入脂肪和神經(jīng)組織中。

如果人快速浮出水面，導(dǎo)致體外、體內(nèi)壓力急劇降低，原本溶于血液、組織液和脂肪組織中的氧和二氧化碳可轉(zhuǎn)移溶于體液內(nèi)，或通過肺組織的氣體交換功能析入肺泡腔并被呼出體外。但是，氮?dú)猓ǔ亍⒊合拢獨(dú)怆y溶于水）在體液內(nèi)溶解遲緩，來不及擴(kuò)散的氮?dú)獗銜?huì)析出氣泡，聚積于組織和血液中，阻塞血流，在血管和心室內(nèi)形成氣體栓塞，導(dǎo)致減壓病。

其實(shí)，除了潛水之外，航天員如果直接暴露在太空中（太空是一個(gè)近似真空的環(huán)境，壓強(qiáng)幾乎為0），也會(huì)出現(xiàn)減壓病。那你知道航天員是如何克服減壓病的嗎？歡迎讀者朋友在2022年4月刊的《知識(shí)就是力量》雜志中尋找答案，并給我們留言。