氢分子医学分享 http://blog.sciencenet.cn/u/孙学军 对氢气生物学效应感兴趣者。可合作研究:sunxjk@hotmail.com 微信 hydrogen_thinker

博文

氢气用于潜水的研究历史

已有 6496 次阅读 2011-3-14 12:33 |个人分类:潜水医学|系统分类:科普集锦| 历史, style, 潜水

    续接上篇《氢气生物学安全性》补充资料

    法国著名化学家拉瓦锡是最早命名氢,也是最早研究氢的生理作用的科学家。早在1789年,拉瓦锡和塞奎因曾经将氢作为呼吸介质进行动物实验研究。实验中,拉瓦锡等把豚鼠放入钟形玻璃容器内,使容器中维持生命的氮和氧保持一定量,然后添加氢,豚鼠在容器内呼吸氢氮氧三元混合气,历时8-10 h,未发现氢给机体带来任何不利影响。

    1937年,英国Case和小Haldane把氢作为潜水呼吸气进行人体实验研究。他们把人暴露于1.1 MPa压力下,呼吸氢氧混合气5 min,未发现明显的生理变化;1941年前苏联Lazarev等把小鼠加压到9.1 MPa(相当900米海底),呼吸氢氮氧混合气,停留3 min,尔后经过约1 h的减压,获得成功。这些早期研究初步证明,人和动物呼吸氢氧是安全的。

    在美国等开展氦氧潜水实验的早期阶段,由于当时许多国家很难获得足够的氦,潜水员曾尝试其他包括氢混合气的潜水研究,其中最著名的例子是瑞典工程师Arne Zetterstrom进行的氢氧混合气潜水实验。氢氧混合气具有爆炸性,但在氧浓度低于4%时爆炸不会发生。常压下,4%的氧浓度无法维持生命,但在30 m水下,即使4%的浓度氧分压也可以升高到16 kPa,就可以维持机体氧气的需要1944年,Zetterstrom发明了安全配制氢氧混合气的方法,可将空气转换成低于4%氧的氢氧混合气并能避免发生爆炸。利用这种方法,他配制了氢氧混合气,并应用到潜水中。在30 m深度,Zetterstrom先用含氧4%的氮氧混合气代替空气,然后用同比例的氢氧混合气代替氮氧混合气,采用这种技术,他成功下潜到110 m。在这个深度,他变得异常兴奋,而且发生了明显的语音改变,甚至无法与水面进行电话通讯。

        194587,为了证明氢氧潜水技术在援救潜艇上能发挥重要作用,Zetterstrom成功进行了161 m的现场氢氧潜水。由于无现成的氢氧潜水减压表,Zetterstrom根据自己的计算把第一停留站确定为50 m。不幸地是,由于错误理解他来自水下的指令,水面支持人员未让他在50 m停留,而是直接将他拉到水面,因为无法及时更换高分压氧的呼吸气,导致发生缺氧和严重的减压病,Zetterstrom为此献出了生命。尽管他死亡的直接原因不是呼吸氢氧,但这次事故直接导致此后多年氢氧潜水研究被中断。

        1960年起,美、英、法、苏和瑞典等国再次相继开展氢氧潜水有关的动物实验。尤其是20世纪60年代末至70年代初,氢取代氦作为深海潜水用呼吸气体再次受到广泛重视。这期间的氢氧潜水研究,动物实验达到约1 000 m深度,暴露时间达到24 h。人体实验深度也达到60 m深度,暴露时间10 ~ 20 min70年代,Edel等进行氢氧模拟潜水实验,除研究氢氧对机体的影响外,还包括氢氧潜水的安全操作程序、减压方案和呼吸气体转换技术等问题。这个阶段最大的收获是发现氢能有效预防高压神经综合症(HPNS这个东东以后再介绍)

     随着海洋开发的不断推进,人们需要更大深度的潜水作业,推动了氢氧潜水研究的深入。在世界范围内,法国在氢氧潜水研究中一直居于领先地位。80年代初,法国COMEX公司开始实施以氢为主体的深海混合气HYDRA(水螅,含氢的意思)潜水计划,包括动物、人体模拟和现场实验,由安全性、医学生理学和潜水设备研制等三部分组成。先后进行了HYDRA IIIVII模拟实验,从75     90 m氢氧常规潜水到520 m氢氧饱和潜水,其中,HYDRA V首次用氢进行4.6 MPa饱和潜水,潜水员完成了机械连接、水下切割和操作等潜水作业任务。

        19836月,法国COMEX公司开始执行HYDRA计划。1983年由潜水员兼公司总裁Deulaze领导,在位于马赛附近海域进行了91 mHYDRA III潜水实验,呼吸混合气组成是氢95%5%,未发现氢麻醉作用,体热散失效应类似于氦,呼吸阻力低于氦。198311月又进行了300 m HYDRA IV人体模拟实验,受试者6(2名医生,3名职业潜水员,1名工程师),呼吸氢氦氧三元混合气,比例分别为74:24:2。心理学检查发现,视觉反应时间、计算能力、记忆力等效应均小于80 m空气潜水,且小于98:2,深度为240 m的氢氧潜水。呼吸98:2氢氧混合气时,180 m深度开始出现麻醉,与氮麻醉情况不同,氢麻醉的主要表现为幻觉,麻醉程度也低于氮麻醉。氢氧潜水时心率变化小于氦氧潜水。氢潜水人体模拟实验后,血、尿、神经系统和呼吸功能方面等指标均未发现异常。同时进行了动物氢氧潜水实验,40只小鼠在600 m深度暴露40 h,减至常压后,心、肝和肺等组织学检查未发现异常改变。

        19855月,Deulaze等实施了HYDRA V实验,受试者分为2 组,每组3人,暴露深度为450 m,这次实验不仅研究了氢的生理作用,还测试了潜水员水下作业能力,同时实验还系统研究了混合气中各种气体比例的问题。结果发现,氢氦氧最佳比例为54:45:1,并发现作业过程中呼吸顺畅,未出现加压性关节痛。

     这些系列实验研究进一步证实,氢对机体无损伤作用,同时确立了氢混合气的最佳安全配制比例标准。

        198611月,Fructus等实施了520 m HYDRA VI模拟潜水实施,8名潜水员参加,在水温为4 的模拟舱内进行了25次模拟作业。实验重点对BOS型头盔式潜水呼吸器等潜水装具进行了测试。

        19882月,COMEX公司在地中海进行了HYDRA VIII现场氢氧混合气饱和潜水实验。6名潜水员参加。221开始加压,28日到达520 m深度,此后5~6 d6名潜水员分别在520 m海底进行了多次潜水作业实验。

        19899月,COMEX公司又进行了HYDRA IX 300 m停留14 d氢氧饱和潜水模拟实验。实验目的包括: ⑴使用氢氧的最小和最大深度限度;⑵长期(49 d)高压氢环境暴露对人体生理功能的影响,⑶长期在压力舱内(73 d)幽禁、隔绝对人的精神行为的影响。完成潜水医学、神经生理、心理、通气和心血管功能、生化、热和体液平衡、减压程序和潜水专家系统等。

        20世纪90年代,COMEX公司又相继进行了680 m饱和巡潜701 m(HYDRA X)750 m (HYDRA XI)人体模拟氢氧饱和潜水实验,750 m是目前人类高压暴露的最大深度记录。目前COMEX已经实施了HYDRA XII实验,深度为210 m,潜水员在此深度下进行28次潜水,其中4次为氦氧潜水,4次为氢氦氧潜水。实验时,在船上饱和舱内,潜水员呼吸氦氧混合气,在海底作业时呼吸氢氧混合气。实验探讨了现有设备用于氢氧潜水时的可行性和水下呼吸气体转换时闭式呼吸系统(由氦混合气转换为氢混合气)的情况。每次潜水持续2~6 h,呼吸氢氧混合气时,潜水员思维分析能力和作业能力均正常。实验结果证明,在中或大深度潜水中氢是一种最佳呼吸介质,“舱内用氦—舱外用氢”(在船上饱和舱内,潜水员呼吸标准的氦混合气;在海底作业时,他们呼吸氢混合气)的新颖潜水技术是完全可行的。采用这项新技术,原来所有能实施氦氧混合气大深度潜水作业系统只需简单改装,即可使用氢作为呼吸介质。

     在HYDRA计划中,Gardette还用110只小鼠进行了实验,实验采用氢氦氧混合气,在2 000 m条件下连续暴露12 d(含加减压时间),获得成功。发现用氢氧对小鼠加压时,加压到1 800 m时出现HPNS,而使用氢氦氧混合气时小鼠状态良好。

     近年来,氢氧潜水逐渐引起许多国家的密切关注。美国海军研究了高压氢对人体的生理作用,认为氢对机体无害,同时还认为氢不仅能够有效减少高压呼吸阻力,也可以减轻HPNS。美国科学家还开展了一项与氢氧潜水有关的特殊实验课题:氢氧潜水的生物学减压方法。产甲烷细菌是一种能把CO2和氢转变成甲烷和水的细菌,能够迅速降低体内的氢分压,应用这个原理加快氢氧潜水减压,据Kayar (1998)报道,用大鼠进行实验发现,在动物肠道注入甲烷细菌能有效缩短减压时间,而且能降低减压病的发病率。更为重要的是,进一步研究发现,这种细菌属于正常肠道细菌,正常情况就能在一定程度缩短减压时间。如果在将来潜水作业中设法实现这种技术,可能进一步缩短潜水减压时间,这可能是将来潜水医学研究中的一个重要方向。



http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-422233.html

上一篇:氢气的生物安全性
下一篇:氢气生物学效应的细胞学研究方法

6 许培扬 金小伟 郭桅 张南希 刘让华 zhangling

发表评论 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-4-21 01:44

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部