潜水是一门科学 之 氧气(三)低氧分压

(本文仅代表作者本人观点,并不代表其观点能够保护读者在潜水时的安全。读者在具体计划、执行潜水过程中,应该严格依照自身所接受教育和训练标准,任何参照本文或作者相关观点采取的行动而导致的风险和损失,应由读者自行承担。)

普通的休闲水肺潜水通常并不会遇到低氧分压的问题。二氧化碳耐受力较高的自由潜水员在闭气潜水时可能会发生低氧昏迷的情况,不过我主要想说的,还是在大深度技术潜水和密闭循环呼吸器(CCR)潜水中的低氧分压问题。大深度混合气体潜水的课程,通常会区分为两个级别:normoxic(正常氧含量气体)和hypoxic(低氧气体)。这个hypoxic气体的界定,通常是划在氧分压0.16以下。比如说,我们要进行一次75米深度的潜水,为了避免CNS氧中毒,最大氧分压不能超过1.3,那么我们在底部采用的呼吸气体中氧气占比不能超过1.3/8.5 = 15%。按照潜水界目前的广泛划分,这算是低氧气体。高中物理学得比较好的同学算一算就要发问了:

只要海拔超过2500米左右,由于大气压力下降,氧分压就已经低至0.15了,怎么没见谁低氧昏迷呢?还有人无氧登珠峰呢,那氧分压才0.07,怎么活下来的?

 

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我的神奇T2教练Mario对这个问题也有神奇的回应:我们以前啊,会让学生在教室里吸着0.15的气做俯卧撑。所以,你觉得呢?

 

几乎所有潜水相关的氧气研究,都集中在高氧分压毒性上。就像我们对气体麻醉效应的了解基本来自医学麻醉研究一样,我们对低氧效应的了解来自于其它各个可能遇到低氧情况的行业:空军、航天科研、工业界的封闭空间工作环境。研究结论散落于NASA, ANSI, NIOSH历年的各种标准和文献之中,幸好有一位远在美国的好奇宝宝已经帮我们完成了这个整理工作,下面的表格列出了在不同的低氧分压下,人体的通常反应。

 

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前面提到的这几个文件中最好看的是NASA的Bioastronautics Data Book,关于宇航员生理研究的方方面面,强烈建议去NASA网站下来看着玩儿~地址:http://hdl.handle.net/2060/19730006364。

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(表格来自Neil McManus 2009, Oxygen: Health Effects and Regulatory Limits.Part I: Physiological and Toxicological Effects of Oxygen Deficiency andEnrichment)

从表格中可以看到,如果处在一个封闭的环境里,随着氧分压的下降,自0.16(相当于海拔大约2400米高度的氧分压)以下,情绪、思想、判断力都会开始受到不同程度的损伤,但并不会立即昏迷。到0.12(相当于海拔大约4300米高度的氧分压)之下会开始出现较为严重的症状,包括呼吸困难、恶心、呕吐、抽搐、失去知觉……到0.10(相当于海拔5500米到6000米之间的氧分压)以下,就会有死亡事件的发生。

 

网络上有一个著名的短片,叫做“黑桃4”(Four of spades)。出名是因为它实在太好笑了,而好笑是因为主角实在太蠢了。然而这蠢并不是天生的,当氧分压下降的时候,每个人都会变蠢,判断力会低到可怕。更可怕的是,当事人本身并不会察觉这一点,从而导致更加严重的后果。

 

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2005年8月14日早晨,Helios Airways 522号航班,一架波音737,载着115名乘客和6名机组成员,从马耳他起飞,前往希腊。爬升过3670米(机外氧分压0.14左右)后,飞机上包括海拔高度的各种警报开始陆续作响。机长与Helios任务中心取得联系,说“起飞设置警报”和“制冷装置警报”响起。早晨进行飞机检修的技师大概是想起了自己没有把机舱加压系统放回“自动”,要求机长确认加压系统状况,有30年飞行经验的机长却置之不理,一直不停询问制冷系统的断路器在哪里,和前面一直不停说“黑桃4”那位如出一辙。

飞机爬升到5500米(机外氧分压0.10-0.11)时,机舱内的氧气面罩自动脱落——敲出这句话的时候,我有种在做机舱安全广播的错觉。此时,飞机已经与控制台完全失去联系,自动驾驶一路爬升到万米高空,离开马耳他进入了希腊领空,并飞越了预期目的地雅典机场。由于一直得不到飞机的回应,希腊空军派出两架F-16,成功地“拦截”了客机。

出现在战斗机飞行员眼前的,是一飞机“熟睡“的人。唯一清醒的是一名及时拿到了氧气瓶的空乘,但是他并没有波音737的飞行经验。他向F-16挥了挥手,进入驾驶舱,然而左引擎随后即因燃油耗尽起火,飞机在10分钟后撞山坠毁,无一幸存。

具体详情可以欣赏纪录片《空中浩劫》第四季第10集—太阳神航空522号。

 

红牛说,要写一下潜水低氧和高反的差别。前面说到,在水下,或者是陆地上的封闭环境中,如果氧分压降到等同于海拔4300米左右,就会开始严重的低氧反应;而去4300米左右的高海拔地区,并不会有这么严重的后果。珠峰顶上氧分压不到0.07,是潜水时遇到会昏迷死亡的水平,却仍然有人可以无氧攀登。虽然我不登山,但我想这两者的区别其实也算是常识吧:潜水(或飞行等情况)是瞬时低氧造成的机体反应,而登山的氧含量逐渐下降,机体会有一段适应的时间。事实上,如果你把一个呼吸正常氧分压气体的人直接扔到珠峰顶上,三分钟之内他一定会昏迷。

(图片来源已经很难找到了,如果侵权请联系我删除。另外:并不是只有你们技术潜水员才用双瓶的!)

(图片来源已经很难找到了,如果侵权请联系我删除。另外:并不是只有你们技术潜水员才用双瓶的!)

人体对高海拔低氧的适应(high altitude acclimatization),分为几个不同的阶段:

首先,在几分钟到几小时之间,肺泡气体交换就开始增加,通俗地说,就是呼吸加速。这形成了一种“过呼吸”,带来的后果之一是血液中二氧化碳分压下降,从而进一步提高氧分压。(神奇的是,即使在海平面逐步降低氧分压,也不会提高气体交换,原因么,至今也不知……)

但是,二氧化碳含量的下降也会造成血液pH值向碱性方向移动,影响到血红蛋白和氧气的亲和曲线,造成氧气释放困难,反而降低组织中的氧分压。在24-36小时后,2,3-diphosphoglycerate(2,3二磷酸甘油酯)含量的升高,能够抵消这种效果,将亲和曲线向右移动,从而使这条曲线最有效率的部分(也就是每单位氧分压变化可以最大程度改变结合-释放的能力)处于当前氧分压下。

与过呼吸开始的同时,血液也开始浓缩,总体积降低,从而快速地提高血红蛋白浓度和运送氧气的效率。几小时后,erythropoietin(促红细胞生成素,EPO)分泌,骨髓造血功能得到提升,红细胞产量在数天内增加,并可持续数周。

通过这个适应过程,人体可以在更低的氧分压下有效地运送和使用氧气,从而提高对低氧的耐受力。至于那些常年居住在高原上的民族,高原适应性(adaptation)相对更为复杂,就不再赘述了。

当然,潜水不可能像登山那样有一个缓慢适应的过程。无论是大深度潜水时错误地在浅水区呼吸低氧分压气体(比如12/65或者更低),还是循环呼吸潜水中氧气供应故障或急速上升导致呼吸气体内氧分压下降(从0.5降到0.1只需很短时间),都是急速、接近瞬时的变化,短时间内就会引起严重的后果。

对于需要使用低氧分压气体的开放系统潜水,解决办法是计算出其低氧区间(hypoxic zone,即氧分压低于0.16的区间),在此区域内使用旅行气下潜和进行air break;尤其要克服休闲潜水员常有的在水面状况不佳时用主二级头呼吸的习惯,不然还没下水就昏迷淹死了也真的不太好。对于CCR潜水员来说,只能一再强调随时关注氧分压的重要性,尤其是在上升的过程中。

 

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在用CCR和OC一起下水的时候,因为一言半语难以解释所有可能出现的问题,我通常会和队友说:反正,你要是看我不正常,就直接把长喉塞给我好了。Mario的评论是:对低氧就不管用,人家就算塞到你嘴边,你也会傻呆呆想不起接过来的……

 

其实这一篇接下去应该再写写氧探头;不过再下去我一定会弃坑,所以就算了。记得程程翻译过Paul 的understanding oxygen sensors,推荐大家阅读(红牛按:微信号NoZuoNoDive,《了解氧传感器(一)、(二)、(三)》)。我比较关注新的固相探头(solid-state sensors),之前Arne Sieber做基于陶瓷材料的,发过学术论文,号称也出了试用版;后来波塞冬也号称要发布他们基于近红外光的固相探头;再后来Vandagraph据说也有了固相版,不过貌似都要搭配特定的控制系统,我也还没见过一个实物。到底好不好用,可不可靠,我想,大概,一两年之内必有分晓吧。

(全文完)

 

系列文章部分参考资料:
Oxygen and the Diver, Kenneth Donald 1992
National Undersea Research ProgramTechnical Report 90-1, Chisat I, Extension and Validation of NOAA’s REPEXProcedures for Habitat Diving: A Chinese-American Collaboration, R.W. Hamilton& William Schane 1990
Tolerating Exposure to High Oxygen Levels:Repex and Other Methods, R. W. Hamilton 1989
Oxygen Toxicity Calculations, Erik C. Baker2005
NEDU 2005: Repeated Six Hour Dives with1.35 ATM Oxygen Partial Pressure
NEDU 2005: PULMONARY EFFECTS OF EIGHT HOURSUNDERWATER BREATHING 1.35 ATM OXYGEN: 100% OXYGEN OR 16% NITROGEN, 84% OXYGEN
Dive Logistics of the Turner to WakullaCave Traverse, Dawn N. Kernagis, Casey McKinlay, Todd Kincaid 2008
Tolerating Oxygen Exposure, Bill Hamilton1997A
Quantitative Method for CalculatingCumulative Pulmonary Toxicity Dose Use of the UPTD, H. Bardin & C. J.Lambersten 1970
Oxygen: Health Effects and RegulatoryLimits. Part I: Physiological and Toxicological Effects of Oxygen Deficiencyand Enrichment, Neil McManus 2009
Humans at altitude: physiology and pathophysiology.James PR Brown & Michael PW Grocott 2012
Solid-state electrolyte sensors forrebreather applications: a preliminary investigation. Sieber A, Baumann R,Fasoulas S, Krozer A 2011

 

针对本文的答疑

Q:本文提到的水面通过二级头吸气瓶里的压缩空气问题在于哪?是因为氧分压太低吗?数值是多少?那水面外界空气的氧分压不应该和气瓶中的一样吗?

 

A:是氧分压的问题。在大深度潜水,背气(背上背着的双瓶)是填充的低含氧量混合气体,是在空气中添加氦气生产出来的,并不是压缩空气。所以在水面,外界空气是正常氧含量(21%),而连接背气的调节器提供的是低含氧混合气体。之所以背气要填充低氧气含量的混合气体,是因为背气是供潜水时在最大深度安全使用的,如果你读过该系列文章的第一篇CNS,就会知道,氧分压不能超过1.3。比如我们要去100米的地方,那最大深度的压力是11ATA,氧分压=环境压力*氧气含量,也就是1.3=11*氧气含量,大致就知道氧气含量12%才是安全的。可是在水面一个大气压,12%的氧气含量,氧分压只有0.12,这个氧分压下,看过本文就知道会导致昏迷。所以大深度潜水要养成水面不要吸背气的习惯。题外话,之所以要添加氦气,是因为氮气的麻醉性,具体的你可以在公众号回复“氮气”和“氦气”了解相关知识。

 

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文末

最后编辑于:2016/11/29作者: Denovo

2009年开始潜水,现为GUE技术+洞穴潜水员,TDI进阶沉船潜水员,IANTD循环呼吸器混合气体潜水员,PADI开放水域潜水教练。

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