泡在液体里呼吸，从深海到太空

3.8亿年前，鱼开始爬上陆地，经历了漫长的自然选择后，它们中将会有一支在错综复杂的迷宫中演化为人，人类毫无疑问是地球黄金时代的王者，地球上已不存在我们的行迹所不曾到达的岛屿，但是，独特的生理构造决定了我们只适合在气态环境中生存，我们丧失了像鱼一样在液体中呼吸的能力，相比入驻深海，现在的我们似乎更喜欢殖民太空，然而看起来有些不同寻常的是，渴望在液体中呼吸的愿望，并不仅仅关乎海洋，它同样能帮助我们飞升太空。

先驱者们

人类的呼吸是一个非常简单的扩散过程，空气中的氧气被肺部吸收进血液，代谢产生的二氧化碳再从肺部运出到空气中，满足了这一吸一呼，整个呼吸过程就完成了。相比于空气，水中的溶解氧实在少得可怜，按最低限度算，我们每秒至少需要吸入45升水才能提取到0.05克维持正常生命的氧气，人的肺又不是高压水泵，自然无法做到这般的“暴风吸入”，但很快有人想到，如果我们使用溶氧量很高的液体，吸一口就能满足供氧需求，是不是意味着我们就能够在液体中呼吸了呢？

为了验证这一点，1962年，科学家将小白鼠困在溶解了大量氧气的生理盐水中，尽管排出液体比排出气体要费力得多，小白鼠还是成功吸收到了氧气，可呼出二氧化碳时遇到了困难：生理盐水并没有良好的溶解二氧化碳的性质，呼吸产生的二氧化碳在肺部越积越多，可怜的杰瑞只活了几分钟就死于呼吸性酸中毒；4年后，科学家们又发现了一种全氟化碳有机液体（后文我们称其为PFC），这种液体不仅溶氧量惊人，二氧化碳溶解量更是比生理盐水要高得多，这一次，泡在里面的小杰瑞活了20个小时。

在下层的PFC液体中呼吸的小杰瑞，上层水里的小鱼还不知道发生了什么。图源：Researchgate

尽管条件看起来不太成熟，1969年，美国海军还是开展了液体呼吸的人体实验，肺活量优异的潜水员Francis J.Falejcyk，成为了历史上第一个同时呼吸含氧盐水和PFC的人，但实验并未完全成功，当时的科技没有办法排出他肺部的全部积水，他随后因肺部残余液体而引发肺炎。

考虑到液体呼吸可能的水下战术运用前景，1977年，杜克大学向美国海军提交了《人类液体呼吸的可行性》报告，后者随即在1980年展开了测试演习，海豹突击队首次在PFC中尝试了液体呼吸，整个过程颇为吃力，以至于多名潜水者“吸”断了肋骨。

时至今日，液体呼吸技术很难说得上有多么长足的发展，虽然部分液体通气技术在医疗上成功运用，改善了部分肺功能异常患者的呼吸状况，我们也还离真正的海中生活还有一段距离，眼下来说，我们需要比PFC更轻、黏度更小的液体，来使吸入和排开液体变得容易。但若我们停留在现今科技之海的表面上，就很可能因短视而感受不到那伏于千里的暗流涌动，现在，让我们更进一步，不局限于先驱们已实现的科技水平，而是用超前的思维去想象未来，我们会发现，仅仅是泡在液体里，从深海到太空的蓝图也会向我们徐徐展开。

波涛之下

在全球气候变暖的当下，南北极冰川融化，海平面逐年升高，沿海城市面临着淹没和台风侵袭的危险，填海造陆并非长久之计。但若能反退为进，直接生活在海里，就可一劳永逸地解决海水淹没问题。这种想法绝非故作讥讽，在水下生活是解决环境崩溃问题的合乎逻辑的解决方案，人类只要能生活在海平面下50m处，就能多出来一整个南极洲的陆地面积。而且海下环境并没有神话中流传的那么危险：没有火灾，地震威力受限，风暴和海啸也难以作用到水下。

“历史将重演，人类将再次被迫进入海洋谋生。”

——海洋生物学家Alistair Hardy

一种海洋城市构想，图源：AI生成

并非所有用肺呼吸的动物都不习水性，海狮和海豹就可以将自己的肺部缩成一团来潜入深海，但人类的肺并没有那么好的伸缩性，深水压力下肺这一空腔结构压缩过大，就会大面积破裂致人窒息，抗压能力限制了人类对海洋的探索，徒手潜水最深的世界纪录是新西兰人威廉·特卢布里奇保持的，2010年，在不借助水肺、脚蹼等任何辅助装备的情况下，他仅用一口气下潜至大西洋海底116m，116m深处的水压会压迫肺部空气中的氮气进入脂肪成份和神经组织中，产生如“麻醉”般的氮醉效果，而被压缩的肺在上浮时会过度膨胀导致空气栓塞。

要克服深水压力，一种做法是在潜水服里灌入可供呼吸的富氧液体，将人浸泡在液体中来提高抗压能力。要理解这种做法，我们只需要想象一个浸入海里的气球，假如气球内部充气，那么它在浅水区就会被水压挤爆；但假如气球内部装满水，那么即便是放在地球最深处的马里亚纳海沟，气球在形状上也看不出什么变化，究其原因是：水具有不可压缩性，马里亚纳海沟里的水，密度也只比地表水高了5%，因此完全浸没在液体中的人，深水环境下，静水压力均匀地作用到人体的组织结构和体表上，使得体内和体表的压强同步增大，内外压差平衡，肺部就会变得难以压缩，从而抵住很高的载荷，这时，人就具备了深海动物那样的超级抗压能力。

充满神秘感的烟花水母，身体由透明的软体构成，可抵抗千米深度的水压，图源：wiki

苍穹之上

我们脚下的这颗蓝色星球，是我们在太阳系唯一的母亲，然而，即便把太阳系中除太阳以外的所有物质加起来，它们的全部质量也不及太阳的1%，像太阳这样的恒星，在银河系里至少还有1000亿颗，其数量等于在地球上生活过的人类总数。光线环绕地球一周只需要0.133秒，但抵达已知宇宙的边缘却需要460亿年，未知事物、未解问题和未尽事业的广阔深邃，远远超过了我们的实践所能达到的理解力。长期以来，未来学家一直接受这样一种观点：人类的生存将取决于在外太空生存的能力。

“人类的未来只能二选一:要么一飞冲天,变得多行星化;要么自我限制在母星地球上,直至大灭绝发生。”——SpaceX创始人Elon Musk

想象中的多星际殖民，图源：AI生成

要进行太空探索尤其是任意距离的快速抵达，免不了要谈到高G加速度，以《三体》中恒星级战舰的“前进四”推进来说：在120G加速下，0.5秒后你的速度就会远超地球上的任何赛车；7秒后你会和东风-41型洲际战略核导弹的速度比肩；14秒内你能达到摆脱太阳引力束缚的逃逸速度。

但正如人体的空腔结构不能承受深水压力一样，它也不能承受很高的加速载荷，普通人能够承受2-4G的加速载荷，受过训练的飞行员能达到8-9G，历史上有过人体的极限加速度承受实验，1954年空军飞行员约翰•斯塔普，坐上特制的火箭，5s内加速到接近音速，并承受了高达46.2G的加速载荷，尽管这一加速载荷只维持了一瞬间，约翰•斯塔普还是折断了多处肋骨、爆裂了全身多处血管并脱落了视网膜，他被直接送往医院，事后，当人们问起他对这次实验的看法时，这位双目失明的仁兄说：这次实验他最大的收获是一支盲杖和一条导盲犬。这般的从容潇洒来自斯塔普内心对死亡的毫不畏惧，要知道就在实验开始前，他还拒绝了别人递给他的一个甜甜圈，理由是：胃里有食物会影响解剖。

正如泡在液体里来对抗深水压力一样，用它来对抗加速载荷是一个比较自然的想法，液体具有良好的传压性能，对完全浸没在液体中的人，加速载荷的作用是内外均一的，人体组织结构上不存在局部受力压差，全身上下有着极其均匀的压强梯度，使得过载带来的影响被大幅度减弱了。使用液体浸泡来实现高G加速的想法在一些科幻作品里也有提及，最广为中国读者熟知的是刘慈欣《三体》里舰组进入的深海状态：

“当处于最高推进功率时，飞船的加速将达到120G，所产生的超重是正常状态下人体承受极限的十多倍，这时就要进入深海状态，即在舱室中注满一种叫“深海加速液”的液体。这种液体含氧量十分丰富，经过训练的人员能够在液体中直接进行呼吸，在呼吸过程中，液体充满肺部，再依次充满各个脏器。

——《三体2：黑暗森林》

要成功实现这种深海状态，加速液除了满足安全呼吸要求之外，还要和人体的平均密度完全相同才行：如果人体密度小于液体，就会在加速时被推到后方的舱壁上，反之则会被推到前方的舱壁上，而舱壁给人体提供的力并不是均匀压强的静水压力，所以一旦贴到舱壁上，就很可能像《三体》里没有进入深海模式就直接加速的舰组人员一样，因局部压差而在舱壁上被压成薄片。

进入深海状态时的加速度并不能无限大，因为过高的加速度会使“差速离心”现象变得明显，差速离心是指在不同强度的离心力下，不同密度的物质会按离心力的大小级别分离，而人体肌肉、脂肪、血液和骨骼就存在巨大的密度差异，过高的加速度下，人体组织间的连接不足以约束其组成分子分离时，密度大的骨骼将逆向沉底，而密度小的脂肪会正向上浮。人体作为碳基生物的构造限制了加速载荷的进一步提高，要克服这点限制，或许就需要像加来道雄在《宇宙大作战》里想象的那样：用某种力场将人体的所有分子都固定住，这样无论多高的加速度都不会导致组织分层，人类千百年来对极致加速的渴求便能够最终实现。

差速离心示意，逐渐提高离心力来分离不同大小的细胞器，图源：wiki

后继者们

人类从铁器时代进入蒸汽时代用了一千年，而从蒸汽时代到电气时代仅用了一百年，在飞驰的科学的尘雾中，我们看到的是：人类文明的发展速度远远超过了人类身体的进化速度。现今的人们已不满足长久以来被环境自然选择，他们学会了填海造陆、固沙屯田，改造环境来适应自身，或许在不久远的未来，凭借泡在液体里呼吸，人类能真正摆脱肉体的局限，成为可五洋捉鳖、九天揽月的“三栖动物”。为了这一天的到来，后继者们仍然还有很长的一段路要走。

参考文献：

[1]Shaffer, Thomas H., Marla R. Wolfson, and Leland C. Clark Jr. "Liquid ventilation." (1999).

[2]Clark Jr, Leland C., and Frank Gollan. "Survival of mammals breathing organic liquids equilibrated with oxygen at atmospheric pressure." Science 152.3730 (1966): 1755-1756.

[3]陈锐勇,金海,李梦醒,杨峰,顾靖华.液体呼吸技术在援潜救生中的应用前景[J].海军医学杂志,2022,43(12):1320-1324

[4]Hirschl, Ronald B., et al. "Prospective, randomized, controlled pilot study of partial liquid ventilation in adult acute respiratory distress syndrome." American journal of respiratory and critical care medicine 165.6 (2002): 781-787.

[5]徐明毅,杜晚明.发展海洋城市的挑战与构想[J].海洋科学前沿,2020,7(3):59-67

[6]Rozwadowski H M. “Bringing Humanity Full Circle Back into the Sea” Homo aquaticus, Evolution, and the Ocean[J]. Environmental Humanities, 2022, 14(1): 1-28.

[7]https://www.todayifoundout.com/index.php/2021/08/can-humans-breathe-liquid-like-in-the-abyss/

[8]https://www.bbc.com/future/article/20130930-can-we-build-underwater-cities

作者：李文杰中国科学院大学长春光机所科普志愿者协会成员

审核：孙轶飞河北医科大学医学教育史研究室主任

文章由科普中国-创作培育计划出品，转载请注明来源。