有没有一种液体可以使哺乳动物在里面呼吸？

源济

有没有一种液体可以使哺乳动物在里面呼吸？

作者 / 呆罗

题主提到的这种情况在医学研究中被称作「液体呼吸」（Liquid breathing）或「液体通气」（Liquid ventilation），即一种令原本正常呼吸空气的生物体在某种富氧液体中完成机体气体交换过程（吸收氧气排出二氧化碳）的特殊呼吸形式。实现这一过程需要富氧液体具备一系列特殊的性质，例如对与呼吸相关气体（O₂ 与 CO₂）的较大溶解度，合适的液体密度、粘度、蒸汽压与脂质溶解度，并且必需对生物体呈惰性无毒。

研究发现，一部分氟碳化合物（Perfluorocarbon，简称 PFC；下文均用简称）可以满足上述的要求。在体温条件 37 ℃ 及一个大气压的条件下，由于较弱的分子间相互作用，此类化合物对于 O₂ 和 CO₂ 的溶解度可分别高达 33–66 mL / 100 mL PFC 及 140–166 mL / 100 mL PFC，这超越了正常血液能够携带的 O₂ 和 CO₂ 量；

这些化合物的密度要明显大于水（1 g/mL）及正常人类血液（1.05-1.06 g/mL）的密度，达到 1.58–2.0 g/mL，与水混合时会发生显著的分层现象且位于下层；

一项同时展现了 PFC 供氧能力以及与水密度差异的实验。密度较低的水层位于上层，其中的金鱼无法穿过界线进入密度较大且黏稠的 PFC 下层；位于下层的小白鼠肺部则被 PFC 充满，神奇地在液体中自由「呼吸」

效果更加显著的分层实验：水层中的螃蟹「漂浮」在 PFC 层上

不同氟碳化合物的黏度与蒸汽压变化相当大。其黏度值从 0.8 到 8 cP（厘泊，黏度单位）不等，作为对比，水在 37 ℃ 时的年度约为 0.7 cP，过高的液体黏度会使氟碳化合物在有机体中的吸入与排出过程变得困难；这些化合物的蒸汽压值变化则更为明显，范围可大至 0.2 - 400 mmHg。这两项物理性质上的巨大差异也使在不同医学应用中选用合适的 PFC 变得至关重要。

目前主要有三种氟碳化合物被应用于生物医学研究中，它们分别是：

• FC-75，分子式 C₈F₁₆O。主要在电子工业生产中作为惰性冷却剂使用。
• 全氟溴烷（Perflubron 或 perfluorooctyl bromide），分子式为 C₈BrF₁₇。此物质同时也是一种应用于核磁共振 / CT / 超声波成像中的造影剂，作此用途时使用商品名「Imagent」。
• 全氟萘烷（Perfluorodecalin），分子式为 C₁₀BrF₁₈。该物质在生物与临床医学研究中引发了研究者们最大的兴趣，已被用于增强细胞培养过程中的氧气输送，并且是两种「人工血液」产品「Fluosol」（上世纪 80 年代由 Green Cross 公司开发）与「Perftoran」（俄罗斯开发）中的主要成分之一。

三种氟碳化合物的结构式与 IUPAC 命名

补充：人工血液（Artificial blood），或称「血液替代品」（Blood substitute），是基于缓解与解决用血紧张、血源污染（HIV、丙肝等传染病）、免疫抑制（血型不匹配）以及某些宗教因素（例如，根据教规「耶和华见证会」信徒就不可输血）而开发的生物制品，目前主要包括基于血红蛋白的氧气载体（Haemoglobin-based oxygen carriers，HBOC）和基于 PFC 的氧气载体（Perfluorocarbon-based oxygen carriers，PFBOC）两大类型（另外，现已有基于干细胞生产人工血液这一新研发途径）。人工血液目前依然存在较多问题，因此尚未有得到医疗界广泛接受的产品。

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液体呼吸被认为具有多种潜在用途，主要包括应用于医疗、潜水和未来的太空旅行中。

目前液体呼吸在医疗层面最有前景的一个应用方向是儿科领域中对早产儿的救治，早在上世纪 90 年代，联盟制药（Alliance Pharma）就开发了基于 PFC 的呼吸液用于正压机械通气（Mechanical ventilation），帮助有支气管肺发育不良等疾病的早产儿缓解病症。

应用于肺功能不全早产儿的液体通气治疗方法示意图

因为液体呼吸需要使液体灌注填充肺部并直接与肺泡接触，也有专家认为包含药物纳米晶体的 PFC 悬浮液可成为一种肺部给药新途径。

在 1996 年，Mike Darwin 博士和 Steven B. Harris 博士还曾提出，利用冷却后的 PFC 对遭遇严重心脏外伤或颅脑损伤的病患执行液体呼吸，藉此在术中快速快速降低病人体温，起到降低人体基础代谢、保护组织器官的作用。实验已证实此方案可令大型动物达到 0.5 ℃/min 的高效体温冷却速度。不过出于种种原因，此方案尚未有应用于人体的临床试验报道。

目前开展的心脏移植手术中，就需要通过冷却体外循环的血液来令患者降温，达到降低代谢速率、降低组织损害的目的，为移植手术争取时间

在潜水领域，尽管目前已得到广泛应用的特殊混合呼吸气体，如氧氦氮混合气（Trimix）和氦氮混合气（Heliox）可有效减低潜水员罹患减压病（Decompression sickness，DCS；由于过快的压力变化，导致人体组织与血液中在较高压力条件下饱和的气体快速释放造成，包括一系列危险的症状：氮麻醉、氧中毒、空气栓塞、肺爆裂、肺塌陷、关节疼痛、瘫痪，乃至死亡）的风险，但这种保障不是绝对的，并且这些混合气各自也存在一定的固有缺陷，存储这些呼吸气体的刚性容器（气瓶）在潜水活动中同样显得笨重且体积庞大。

笨重的气瓶与不甚灵活的潜水装

危险的减压病与气体栓塞

有学者认为，使用基于 PFC 的液体呼吸代替传统的气瓶可以有效解决这一问题。这不仅可以减少甚至直接消除潜水员在减压舱中缓慢减压的需要，同时因为呼吸液是液体，因此可用柔性容器而非传统的刚性容器进行携带（即用软袋代替笨重的压缩钢瓶），大大提高人员潜水活动时的灵活程度。

不过 PFC 的高黏度特性为这项实际应用带来了很大的障碍，因为难以确保在没有机械通气辅助的情况下让「呼吸」PFC 液体的潜水员获得足够的通气量以避免「酸中毒」（体内积累的 CO₂ 无法及时带出导致血液 pH 迅速上升的危险情况）。推算潜水员需要按 5 L/min 的流通速率（按密度是水的 1.5 倍计算，约相当于每分钟让接近 3 瓶 1.25L 装可乐的液体流过肺部）来「呼吸」PFC 液体才可满足人体静息代谢的需求，这非常困难或者可以说不大可能，而且显然这已经完全不考虑潜水员的舒适度了。

有关液体呼吸的一项具有科幻色彩的应用愿景是将其使用在未来的太空旅行中。

由于液体难被压缩的特性，可使力均匀地分布于浸没在密度与组织相同的液体中的人体的身体周围，保护人体免受极端加速度的影响（>10G）。理论上，如果令宇航员的肺部完全由密度类似于水的呼吸液填充并整体浸没填充此液体的「缓冲舱室」中，甚至可将加速度保护范围扩展到 20G 之上。

作为对比，「阿波罗」任务中土星五号运载火箭达到的最大加速度未超过 4G

一般加速度达到 5G 即可令普通人丧失知觉，经过高 G 训练的现代飞行员通常可在短时间内承受高达 9G 加速度，但若不快速降低则可能引发永久残疾甚至死亡

该设想早在 1975 年由 Joe Haldeman 所著的经典科幻小说《永远的战争》（The Forever War，1976 年雨果奖得主）中被提及。小说中液体呼吸与浸没缓冲是星际战争中一项至关重要的技术，其可允许太空战机驾驶员以高达 50G 的加速度执行超机动战斗。

大刘所著的《三体》系列小说中提及的「深海加速液」也是此技术的一项应用设想，书中描述进入「深海状态」的乘客可安全搭乘在全推进功率状态下具备 120G 恐怖加速度的飞船。

《三体》原著中对「深海加速液」与「深海状态」的描述片段

另一个与液体呼吸相关的非常知名的科幻作品例子出自庵野秀明执导的动画作品《新世纪福音战士》（Neon Genesis Evangelion，EVA）。片中主角们驾驶被称作「EVA」的生物基础机甲时需要待在名为「插入栓」的驾驶舱容器内，舱中后续会充满名为「LCL」的虚构橙色液体，其密度、透明性和粘度均接近空气，可直接向驾驶员供氧并缓冲机甲活动带来的一切震荡，同时令驾驶员与构成机甲基础的生物体间完成「精神同步」进行操纵。

插入栓与其中的橙色「LCL」填充液

尽管这些设想听起来都非常美妙，不过还是需要泼一些冷水。基于现有的研究，估计极难找到一种密度合适的液体呼吸介质（PFC 密度已达水的 1.5-2 倍）；并且人体的不同组织间本身就存在密度差异，即使成功应用液体呼吸和浸没缓冲技术，依然会存在一个加速度的保护上限（否则可能导致组织解体和骨肉剥离），无限提高加速度是不可能的。