第一節 氫氣是一種生理學惰性氣體

當人呼吸了惰性氣體後，氣體首先在肺內擴散到血液中，然後經過血液循環被運輸到身體各個部位。在這一過程中，氣體在身體各部位的濃度發生有規律的變化，首先在血液中發生變化，然後是腦，最後是其他組織。而在停止呼吸後，體內的氫氣會按照濃度梯度沿著相反的方向釋放到體外。當呼吸氫氣的時候，體內氫氣的濃度變化呈現的規律和潛水過程中呼吸高壓混合氣的規律幾乎一樣。這裡借助潛水醫學關於惰性氣體在體內運行規律的描述來深入了解呼吸氫氣後體內氫氣濃度的變化規律。通過飲用氫氣水或注射氫氣溶液的情況，除在吸收氫氣的過程方面不同外，在體內的分布也基本符合這一規律。由於氫氣具有非常強的擴散能力，當身體內氫氣濃度增加時，部分氫氣可以經過皮膚釋放。

第一節  氫氣是一種生理學惰性氣體

潛水醫學中經常述及的惰性氣體與化學中所指的惰性氣體有不同的概念和內涵。化學中的惰性氣體是指原子最外電子層飽和的那些分子，主要包括氦族氣體，有氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)，這些氣體的化學性質十分穩定，一般情況下難以參加化學反應，因此被稱為惰性氣體。而潛水醫學-生理學中所說的惰性氣體，是指僅以物理溶解狀態存在於機體內部，保持原有性質，與機體內的物質不發生化學反應，不參與機體的新陳代謝，只按體內外該氣體的分壓差梯度自由擴散的一些氣體，也稱為“中性氣體”。按照定義，潛水醫學中把氦、氮和氫氣都作為惰性氣體(表4-1)。不過根據氫氣分子生物學的研究結果，氫氣在生物體內不一定不與其他任何物質發生反應。那麼這種可以與其他物質發生反應的氣體是否仍算惰性氣體。解決這個問題的有效手段只能是重新修改潛水醫學中關於惰性氣體的定義。從這個角度上講，關於氫氣生物學效應的研究至少可以引起人類對潛水呼吸氣體的重新認識，對潛水醫學的研究也具有非常重要的促進作用。

表4-1 各種惰性氣體的常用物理參數

*21℃條件下測定值；STP：標準狀況(溫度、壓力)

醫學-生理學中最常用的惰性氣體是氮氣。但氮氣的最外電子層並不飽和，在化學上不屬於惰性氣體；氫氣化學性質比較活潑，但已被証明可以在潛水中用作惰性氣體。氦氣是經常被應用為深潛水時的惰性氣體。可見，潛水醫學-生理學中的時惰性氣體，既包括了化學中的一些惰性氣體，也包括了化學中的一些非惰性氣體，甚至化學性質活潑的氣體，所以應當理解為“生理學惰性氣體”。

惰性氣體對機體的生存並非無用或可有可無，相反是維持生命不可缺少的重要氣體介質成分。為維持生命必需的氧化-磷酸化能量代謝過程，吸入氣中必須含有一定比例的氧氣，但若氧分壓過高或吸純氧，將會對機體造成損害甚至死亡，因為過量氧氣對機體存在毒性作用。通常，我們呼吸的空氣中，含有21%的氧。這種體積分數與壓力的氧是維持人體生存最適當的，稱其為常氧。而常氧的維持，正是因為空氣中含有78%的氮，它起了“氧氣的稀釋劑”作用。潛水-高氣壓作業時，除了淺深度，短時程的某些特定形式可以吸用純氧外，都須根據具體情況利用惰性氣體，即用惰性氣體與氧的混合氣作為高氣壓下機體的呼吸介質。雖然空氣也是氮和氧的混合氣，但一般所說的混合氣體，是指以人工方法按特定比例將惰性氣體與氧混合而配制成的氣體。較常用的混合氣有氮氧、氦氧和氫氧混合氣等多種類型。

吸入氣中的氧氣，在溶解入體內後，發生化學結合並不斷地被消耗。當人體呼吸新的不同於空氣成分的混合氣體時，惰性氣體溶解入體內逐漸累積，達到溶解氣體的張力與環境中該氣體的分壓相平衡的狀態，即為“飽合”。若此時使環境氣壓回降(減壓)或環境總氣壓雖不降低，但該種惰性氣體的濃度降低(被別種氣體所替代)，則先前已溶解於體內的惰性氣體的張力高於環境中該氣體的分壓，這種狀態為“過飽和”。此時，組織中氣體將從溶解狀態向環境擴散成自由氣體，即“脫飽和”，直至內外平衡。

當機體呼吸新的不同成分的混合氣體時，必須經過3個階段，即開始呼吸階段、穩定階段和停止呼吸階段。為了方便理解，我們參考當呼吸高壓空氣的情況來解釋惰性氣體是如何在開始階段進入機體內，在體內的分布特點，以及停止呼吸或恢復常壓過程中惰性氣體是如何從體內釋放到體外的。這些規律是20世紀初，由Haldane等通過對空氣潛水的實踐經驗的總結和實驗動物的研究，闡述了人在潛水時作為惰性氣體之一的氮氣在體內的運行規律，並創立了相應的學說，形成了現代潛水醫學中關於惰性氣體在體內運行規律的經典理論。其後的發展改進，都以此為基礎。本章著重介紹Haldane學說的基本理論，以氮為例，闡明惰性氣體在加壓－減壓過程中的運行規律。

儘管呼吸少量氫氣和呼吸高壓氫氣或氮氣有所不同，但基本的規律是類似的。通過氣體途徑如腹腔注射和通過飲用含氫氣的水，氫氣會按照濃度梯度被機體迅速攝取，吸收的速度和經過呼吸的方式存在比較大的區別，但釋放的方式仍存在類似性。