氢气在体内的运动规律

当人呼吸了惰性气体后，气体首先在肺内扩散到血液中，然后经过血液循环被运输到身体各个部位，在这一过程中，气体在身体各部位的浓度发生有规律的变化，首先血液中发生变化，然后是脑，最后是其他组织。而在停止呼吸后，体内的氢气会按照浓度梯度沿着相反的方向释放到体外。当呼吸氢气的时候，体内氢气的浓度变化呈现的规律和潜水过程中呼吸高压混合气的规律几乎一样，这里借助潜水医学关于惰性气体在体内运行规律的描述来深入了解呼吸氢气后体内氢气浓度的变化规律。通过饮用氢气水或注射氢气溶液的情况除在吸收氢气的过程不同外，在体内的分布也基本符合这一规律。由于氢气具有非常强的扩散能力，当身体内氢气浓度增加时，部分氢气可以经过皮肤释放。

第一节  氢气是一种生理性惰性气体

潜水医学中经常述及的惰性气体与化学中所指的惰性气体有不同的概念和内涵。化学中的惰性气体是指原子最外电子层饱和的那些分子，主要包括氦族气体，有氦、氖、氩、氪、氙和氡，这些气体的化学性质十分稳定，一般情况下难以参加化学反应，因此被称为惰性气体。而潜水医学-生理学中所说的惰性气体，是指仅以物理溶解状态存在于机体内部，保持原有性质、与机体内的物质不发生化学反应，不参与机体的新陈代谢，只按体内外该气体的分压差梯度自由扩散的一些气体，也称为“中性气体”。按照定义，潜水医学中把氦、氮和氢气都作为惰性气体（表4.1）。不过根据氢气分子生物学的研究结果，氢气在生物体内不一定不与其他任何物质发生反应。那么这种可以与其他物质发生反应的气体是否仍算惰性气体。解决这个问题的有效手段只能是重新修改潜水医学中关于惰性气体的定义。从这个角度上讲，关于氢气生物学效应的研究至少可以引起人类对潜水呼吸气体的重新认识，对潜水医学的研究也具有非常重要的促进作用。

医学-生理学中最常用的惰性气体是氮气。但氮气的最外电子层并不饱和，在化学上不属于惰性气体；氢气化学性质比较活泼，但已被证明可以在潜水中用作惰性气体。氦气是经常被应用为深潜水时的惰性气体。可见，潜水医学-生理学中的惰性气体，既包括了化学中的一些惰性气体，也包括了化学中一些非惰性气体，甚至化学性质活泼的气体，所以应当理解为“生理学惰性气体”。

惰性气体对机体的生存并非无用或可有可无，相反是维持生命不可缺少的重要气体介质成分。为维持生命必需的氧化-磷酸化能量代谢过程，吸入气中必须含有一定比例的氧气，但若氧分压过高或吸纯氧，将会对机体造成损害甚至死亡，因为过量氧气对机体存在毒性作用。通常，我们呼吸的空气中，含有21%的氧。这种浓度与压力的氧是维持人体生存最适当的，称其为常氧。而常氧的维持，正是因为空气中含有78％的氮，它起了“氧气的稀释剂”作用。潜水-高气压作业时，除了浅深度、短时程的某些特定形式可以吸用纯氧外，都须根据具体情况利用惰性气体，即用惰性气体与氧的混合气作为高气压下机体的呼吸介质。虽然空气也是氮和氧的混合气，但一般所说的混合气体，是指以人工方法按特定比例将惰性气体与氧混合而配制成的气体。较常用的混合气有氮氧、氦氧和氢氧混合气等多种类型。

吸入气中的氧气，在溶解入体内后，发生化学结合并不断地被消耗。当人体呼吸新的不同于空气成分的混合气体时，惰性气体溶解入体内逐渐累积，达到溶解气体的张力与环境中该气体的分压相平衡的状态，即为“饱和”。若此时使环境气压回降（减压）或环境总气压虽不降低，但该种惰性气体的浓度降低（被别种气体所替代），则先前已溶解于体内的惰性气体的张力高于环境中该气体的分压，这种状态为“过饱和”。此时，组织中气体将从溶解状态向环境扩散成自由气体，即“脱饱和”，直至内外平衡。

表4.1  各种惰性气体的常用物理参数^*

    *21℃条件下测定值；STP：标准状况(温度、压力)

当机体呼吸新的不同成分的混合气体时，必须经过三个阶段，开始呼吸阶段、稳定阶段和停止呼吸阶段。为了方便理解，我们参考当呼吸高压空气的情况来解释惰性气体是如何在开始阶段进入机体内，在体内的分布特点，以及停止呼吸或恢复常压过程中惰性气体是如何从体内释放到体外的。这些规律是20世纪初，由Haldane等通过对空气潜水的实践经验的总结和实验动物的研究，阐述了人在潜水时作为惰性气体之一的氮气在体内的运动规律，并创立了相应的学说，形成了现代潜水医学中关于惰性气体在体内运动规律的经典理论。其后的发展改进，都以此为基础。本章着重介绍Haldane学说的基本理论，以氮为例，阐明惰性气体在加压-减压过程中的运动规律。

尽管呼吸少量氢气和呼吸高压氢气或氮气有所不同，但基本的规律是类似的。呼吸不同惰性气体的规律都是类似的，另外通过气体途径如腹腔注射和通过饮用含氢气的水，氢气会按照浓度梯度被机体迅速摄取，吸收的速度和经过呼吸的方式存在比较大的区别，但释放的方式仍存在类似性。

第二节  惰性气体的饱和

一、饱和及饱和度

在化学中，“饱和”是指溶质在溶剂中的浓度达到最大溶解极限的状态。

在本书中，“饱和”一词的使用，与化学中的概念有不同，而且除用作名词、形容词外，还用作动词，依次列举如下：

⑴ 气体溶入体液、组织，其张力与外界该气体的分压相等，即单位时间内进出溶解的分子数相等、呈现动态平衡的状态称为“饱和”。

⑵ 某种组织中溶解气体已达饱和状态，该组织称为“饱和组织”。

⑶ 环境中气体分压高于体内组织中该气体的张力时，依压差梯度扩散入体内，随着时间的推移，使体内该气体的张力逐渐升高，直至压差梯度消失，这一过程称为“饱和”。

“饱和度”，是高气压医学中用于表明饱和程度的术语。为便于将不同的饱和程度定量地表示和准确地计算并比较，把饱和状态称为完全饱和；而把未达完全饱和状态称为部分饱和。若部分饱和恰为所预期达到的完全饱和的一半，则为半饱和。

惰性气体在体内的饱和度，常用百分数表示。例如：以100％饱和表示完全饱和；50％表示半饱和等等。与此相对应，也用百分数表示饱和度的缺额，即表示尚未饱和的程度。饱和度和饱和度缺额互为消长，两者之和为1。

二、半饱和时间和假定时间单位

半饱和时间是Haldane首先提出的，它是指“填满”某类组织当时存在的惰性气体饱和度缺额的一半所需要的时间，通常用符号t_1/2表示。比如：“填满”血液或淋巴的氮气的饱和度缺额的一半需要5分钟，而“填满”中枢神经系统灰质的氮饱和度缺额的一半则需要10分钟；这5分钟就被认为是氮在血液和淋巴等组织中的半饱和时间；10分钟则为氮对中枢神经系统灰质等组织的半饱和时间。

以半饱和时间作为惰性气体饱和的计时单位，称为“假定时间单位”，假定时间单位(n)就等于实际时间(T)除以半饱和时间：

 n = T/t_1/2

例如：人体在压缩空气中实际暴露40分钟，就血液和淋巴(t_1/2=5)而言，n =40/5=8个假定时间单位；而对中枢神经系统灰质(t_1/2=10)而言，n =40/10=4个假定时间单位。

三、饱和过程

㈠ 通过呼吸-循环系统完成饱和过程

机体进入高气压环境以后，呼吸不同成分的气体情况与此类似，呼吸气中的超过血液中相应张力的氮会通过肺泡迅速扩散入血液，然后由动脉血液带到全身组织。由于肺泡壁的面积和全身毛细胞血管的面积都非常大，它们的管壁都非常薄，因此，在肺和全身组织中进行的气体交换可以说在瞬间即可完成。饱和过程的主要时间就花在气体在血液中的运输上，血液在全身循环一周约18秒。血液把气体传递给组织后，回流的静脉血重新与肺泡接触，此时呼吸气和血液之间的氮气的压差梯度已比前一次循环有所减小，由肺泡向血液以及由血液向组织扩散的惰性气体也比前一次有所减少。如此周而复始，随着时间的推移，组织内惰性气体张力与外界该气体的分压达到平衡，肺泡气、动脉血、组织、静脉血各环节之间惰性气体的压差梯度都消失。

㈡ 饱和度的增长幅度按循环周次或假定时间单位数的增加呈指数关系递减

在常压下，体内的氮张力与空气中的氮分压一直处于平衡状态。一般成年男性，体内所溶解的氮量约为1000 ml。其中血液内的溶解量约39 ml，约占溶解于体内总氮量的4%。机体刚进入高气压时，饱和度缺额为1，经过全身血液循环一周（18秒），将为全身增加氮饱和度4％，余下饱和度的缺额为“1－4%”；循环第二周，则再完成剩余缺额的4％,即4%(1－4%)，缺额为(1－4%)²，依次类推，可见后一周所完成的饱和度比前一周按指数关系递减（表4.2）。如此反复进行，直到完全饱和。

表4.2  以血液循环为计时单位推算氮饱和度

如果以假定时间单位为计时单位，那么，在第一个假定时间单位内所完成的惰性气体的饱和度为50％，饱和度缺额为50％。在第二个假定时间单位内，又“填满”了第一个假定时单位所遗缺额的50％，即50％×50％＝25％，两次累计饱和度达75％，这时饱和度缺额为25％。第三个假定时间单位内，又饱和了第二个假定时间单位所遗缺额的50％，即25％×50％＝12.5％，累计饱和度达87.5％，此时饱和度缺额为12.5%。依次类推。随着假定时间单位数的增加，饱和度的累积值越来越大，遗留的缺额越来越小（图4.1）。

图4.1  惰性气体饱和度增长图解

（曲线上的圆圈，以空白表示饱和缺额所占比例，涂黑表示已饱和的比例）

理论上，需要经无数个假定时间单位，才能接近完全饱和，但一般经过6个假定时间单位，饱和度达到98％时，即作为100％饱和。不同组织的t_1/2的具体时间不同，但在此时间单位内针对饱和度缺额所完成惰性气体在组织中的饱和度的比例则相同。

经过了若干数目的假定时间单位(n)后所达到的累计饱和度(s)；可用下列公式算出：

s=1－(1－50%)ⁿ

通常，将此式简化为：s=(1－0.5ⁿ)×100%

根据此式可详细计算不同假定时间单位暴露后的氮饱和度累积值（表4.3）。

     表4.3  以假定时间单位为计时单位计算氮饱和度

* 通常用公式：S=(1－0.5ⁿ)×100%

㈢ 惰性气体在不同组织中的饱和速度不同

如果全身各组织氮溶解的各项参数都与血液相同，而且血液对各组织的灌流都十分丰沛、通畅，那么，全身的氮饱和度累积到50％，仅需5分钟左右（见表4-2）。然而，机体的各种组织成分与血液相差悬殊，氮在不同组织中的溶解系数相差甚远，而且不同组织的血液灌流状况差别也很大。因此，不同组织的半饱和时间不可能一样，即在不同组织中的饱和速度不同。

若组织中含脂肪多，则因为惰性气体在脂肪中的溶解度高于在水中，张力上升慢，故半饱和时间长（慢）；若组织的血液灌流量大，因单位时间内可以溶入的惰性气体多，溶解气体的张力上升快，故半饱和时间短（快）。有些含脂肪多的组织，血液灌流丰富，半饱和时间未必很长；另有一些组织，含脂肪不多，但血液灌流较少，半饱和时间未必很短。当然，含脂肪多又血液灌流少的组织，半饱和时间会很长（“慢组织”）；含脂肪少又血液灌流很多的组织，半饱和时间会短（“快组织”）。

四、理论组织

Haldane根据氮气在体内不同组织中的半饱和时间的不同，对组织进行分类，称这样分类的组织为理论组织。

根据半饱和时间的长短，Haldane将全身组织分为以下五类（Ⅰ～Ⅴ）理论组织：

Ⅰ类组织：t_1/2=5分钟，又称5分钟组织，包括血液、淋巴等。

Ⅱ类组织：t_1/2=10 分钟，又称10 分钟组织，包括腺体、中枢神经系统的灰质等。

Ⅲ类组织：t_1/2=20分钟，又称20 分钟组织，包括肌肉等。

Ⅳ类组织：t_1/2=40分钟，又称40 分钟组织，包括脂肪、神经系统的白质等。

Ⅴ类组织：t_1/2=75分钟，又称75分钟组织，包括肌腱、韧带等。

五类理论组织的半饱和时间虽各不相同，但只要假定时间单位数相同，所达到的饱和度就相等。经过各自的6个假定时间单位后，五类理论组织的饱和度均可达到98％。还可以根据各类理论组织的半饱和时间来推算它们各自“完全饱和”所需的时间(t_s)。其计算公式为：t_s=t_1/2×6

按此公式计算，五类理论组织达到“完全饱和”所需的时间依次为：5×6=30分钟；10×6=60分钟；20×6=120 分钟；40×6=240分钟；75×6=450分钟。可见，半饱和时间愈长的组织，达到“完全饱和”所需的时间也愈长。但机体暴露于压缩空气下450分钟后，氮气在各类理论组织中都已“完全饱和”。

从以上的论述中，我们可以掌握两个重要信息。首先，当人体呼吸一定浓度（如２％）的氢气后，人体内的氢气浓度是逐渐增加的；其次，不同的组织增加的速度是不一样的。根据理论组织的规律，血液中的浓度首先增加，然后是脑组织，而某些慢组织增加的速度则非常缓慢。血液中可以在３０分钟达到最大饱和浓度，继续呼吸氢气在血液中的浓度也不会继续增加，但脑组织则需要６０分钟才可以达到同样的最大饱和浓度，其他组织需要更长时间。

第三节  惰性气体的脱饱和

就机体的整体而言，机体在高气压下暴露后返回常压和回到常压后一段时间内，在高气压下已溶入体内的惰性气体张力高于外界该气体的分压，从而按照压差梯度向体外扩散直至平衡，称为惰性气体的脱饱和。呼吸氢气结束或其他方式给氢气后，体内氢气的分压超过外界呼吸气体的氢气分压，体内的氢气也会按照类似的方式通过循环和呼吸释放到体外。由于氢气具有非常大的扩散能力，氢气通过皮肤释放的比例也不容忽视。

Haldane认为，惰性气体脱饱和与饱和的不同，仅在于扩散的方向相反，即脱饱和时血液输送溶解气体，不是从肺脏到组织，而是从组织到肺脏。但实际上除了方向相反以外，脱饱和的时间要比饱和时间长得多，其原因主要有两点：⑴脱饱和时气体是从液相向气相扩散，因而受到液体对气体分子的束缚作用，如果液体中含胶体蛋白之类的物质这种束缚作用就更为明显；⑵脱饱和时为了保证安全还要受过饱和安全系数的控制。至于惰性气体借压差梯度而运动的规律，则与饱和相同，即：

㈠ 脱饱和过程也通过呼吸-循环系统的机能活动而完成。以其他途径的脱饱和也可忽略不计。影响脱饱和的许多因素，都是直接或间接地影响了呼吸-循环活动才改变脱饱和的速度。

㈡ 饱和快的组织，脱饱和也快；饱和慢的组织，脱饱和也慢。习惯上称前者为快组织；称后者为慢组织。

㈢ 完成50％的脱饱和，需要1个假定时间单位；完成98%脱饱和（“完全脱饱和”），需要6个假定时间单位。总之，在较低气压下停留时间愈久，脱饱和愈彻底（图4.2）。

㈣ 脱饱和的程度也依假定时间单位的先后次序，后一单位比前一单位按指数关系递减。

利用惰性气体的饱和脱饱和规律可以解释氢气的体内变化规律和特点。例如，由于人体血液循环比小动物要慢的多，因此在同样剂量情况下，人体内氢气血液中浓度上升的速度要低于小动物，当血液和组织中氢气浓度达到最高值，停止呼吸或注射等给氢气后，氢气浓度的下降速度也比较缓慢。在氢气浓度上升和降低的过程都符合指数变化惰性气体饱和和脱饱和规律。

图4.2  惰性气体脱饱和过程图解

（曲线上的圆圈中，涂黑的表示待脱饱和的程度，空白表示已脱饱和的程度）

参考文献

1.      陶恒沂. 孙学军: 潜水医学. 上海科学技术出版社. 2010年.