第一節 氫氣潛水醫學研究

氫氣的生物安全性非常高，其主要的依據有3個，一是氫氣潛水醫學研究的證據；二是氫氣是一種內源性氣體；三是關於生物安全性的研究。關於氫氣的生物學作用的研究可追溯到200多年前。早在1789年，著名化學家拉瓦錫和塞奎因曾經將氫作為呼吸介質進行動物實驗研究，拉瓦錫等的研究發現氫氣對動物機體是非常安全的。1937年後，隨著法國等國際潛水醫學機構相繼開展了氫氣潛水的醫學研究，一直到後來開展氫氣潛水的人體試驗，都證明了氫氣是一種對人體非常安全的呼吸氣體。大腸埃希菌(大腸桿菌)是可以產生氫氣的，正常人體的大腸內總會存在一定水平的氫氣。從這個角度考慮，氫氣是人體內的一種正常內部環境氣體，這是其具有安全性的重要佐證之一。隨著氫氣生物學研究的不斷增加，關於氫氣的臨床研究也逐漸增多。到目前為止，沒有任何證據表明其對人體存在危害性。歐盟和美國政府出版的關於氫氣生物安全性資料顯示，普通壓力下氫氣對人體沒有任何急性或慢性毒性。儘管這樣，任何對人體可以產生生物學效應的物質都存在破壞內環境穩態，危害機體的可能。雖然氫氣的安全性非常高，但我們仍無法斷言氫氣對人體沒有任何副作用。

第一節  氫氣潛水醫學研究

法國著名化學家拉瓦錫是最早命名了氫，也是最早研究氫氣生理作用的科學家。由於氫氣和氧氣化合可以產生水，拉瓦錫用拉丁文Hydro為詞根，命名氫氣為Hydrogen，意思為成水元素。日文和朝鮮語中氫氣用“水素”的直譯來表示，所以市場上“水素水”的本意就是氫氣水。我國化學界給它定名為氫，一方面是由於它的單質是氣體，故從“氣”字偏旁；另一方面因為它最輕，取“輕”的諧音。

早在1789年，拉瓦錫和塞奎因就曾經將氫作為呼吸介質進行動物實驗研究。實驗中，拉瓦錫等把豚鼠放入鐘形玻璃容器內，使容器中維持生命的氮和氧保持一定量，然後添加氫。豚鼠在容器內呼吸氫、氮、氧三元混合氣，歷時8~10小時，未發現氫給豚鼠帶來任何不利影響。

1937年，英國Case和小Haldane把氫作為潛水呼吸氣進行人體實驗研究。他們把人暴露於1.1MPa壓力下，呼吸氫、氧混合氣5分鐘，未發現明顯的生理變化；1941年前蘇聯Lazarev等把小鼠暴露在9.1MPa壓力下呼吸氫、氮、氧混合氣，停留3分鐘，然後經過約1小時減壓，獲得成功。這些早期研究初步證明，人和動物呼吸氫、氧混合氣是安全的。

在美國等開展氦氧潛水實驗的早期階段，由於當時許多國家很難獲得足夠的氦，潛水員曾嘗試其他包括氫混合氣的潛水研究，其中最著名的例子是瑞典海軍潛水技術工程師Arne Zetterstrom(圖3-1)進行的氫、氧混合氣潛水實驗。

氫、氧混合氣具有爆炸性，但在氧體積分數低於4%時不會發生爆炸。常壓下，4%的氣體積分數無法維持生命，但在30m水下，氧分壓可以升高到16kPa。1944年，Zetterstrom發明了安全配制氫、氧混合氣的方法，可將空氣轉換成低於4%氧的氫、氧混合氣，並能避免發生爆炸。利用這種方法，他配制了氫氧混合氣，並應用到潛水中。在30m水下，Zetterstrom先用含氧4%的氮氧混合氣代替空氣，然後用同比例的氫氧混合氣代替氮氧混合氣，採用這種技術，他成功下潛到110m。在這個深度，他變得異常興奮(出現高壓氫氣的麻醉作用)，而且發生了明顯的語音改變，甚至無法與水面進行電話通訊。

圖3-1：瑞典海軍著名氧氣潛水研究專家Arne Zetterstrom(1917-1945)

1945年8月7日，為了證明氫氧混合氣潛水技術在援救潛艇方面可以發揮重要作用，在瑞典海軍最大的潛艇援救艦Belos上，Zetterstrom成功實現了16m的現場氫氧混合氣潛水。由於當時缺乏氫氧混合氣潛水減壓方案，本來Zetterstrom根據自己的計算把第一停留站確定為50m。非常不幸的是，由於水面輔助人員錯誤理解來自水下Zetterstrom的指令，未讓他在50m停留，而是直接將他拉到水面。因為無法及時更換高分壓氧的呼吸氣，導致發生極端嚴重的缺氧和減壓病，Zetterstrom因這一錯誤而獻出了自己的寶貴的生命。

1960年，潛水醫學，特別是飽和潛水技術的發展，促使美、英、法、蘇和瑞典等國再次開展氫氧混合氣潛水有關的動物實驗。尤其是20世紀60年代末至70年代初，由於氫氣制備技術的提高帶來了更大的價格優勢，氫取代氦作為深海潛水用呼吸氣體再次受到廣泛重視。這期間的氫氧混合氣潛水研究。動物實驗達到約1000m深度，呼吸氫氣的暴露時間達到24小時。人體實驗深度也達到60m，暴露時間10~20分鐘。20世紀70年代，Edel等進行氫氧混合氣模擬潛水實驗，除研究氫氧混合氣對機體的影響外，還包括氫氧混合氣潛水的安全操作程序，減壓方案和呼吸氣體轉換技術等問題。這個階段最大的收獲是發現氫能有效預防高壓神經綜合症，這是呼吸氫氣的最重要優勢之一。使用氦氣潛水深度超過300m將面臨比較嚴重的高壓神經綜合症。高壓神經綜合症是人類增大潛水深度所面臨的最大障礙之一。

隨著海洋開發的不斷推進，人們需要更大深度的潛水作業，推動了氫氧混合氣潛水研究的深入。在世界範圍內，法國在氫氧混合氣潛水研究中一直居於領先地位。法國COMEX公司是國際潛水醫學和潛水技術研究歷史上曾經占有絕對領先的地位。20世紀80年代初，該公司開始實施以氫為主體的深海混合氣HYDRA(水螅，含氫的意思)潛水計劃，包括動物、人體模擬和現場實驗，由安全性，醫學生理學和潛水設備研制等三部分組成。先後進行了HYDRA Ⅲ~Ⅶ模擬實驗，從75~90 m氫氧混合氣常規潛水到520 m氫氧混合氣飽和潛水，其中，HYDRA Ⅴ首次用氫進行450 m飽和潛水，潛水員完成了機械連接、水下切割和操作潛水作業任務。

1983年6月，法國COMEX公司開始執行HYDRA計劃。1983年由潛水員兼公司總裁Deulaze領導，在位於馬賽附近海域進行了91 m的HYDRA Ⅲ潛水實驗，呼吸混和氣組成是95%的氫和5%的氧，未發現氫麻醉作用，體熱散失效應類似於氦，呼吸阻力低於氦。1983年11月又進行了300 m HYDRA Ⅳ人體模擬實驗，受試者6人，呼吸氫氦氧三元混合氣，比例分別為74:24:2。心理學檢查發現，視覺反應時間、計算能力、記憶力等效應均小於80 m空氣潛水，且比例小於98:2，深度為240m的氫氧混合氣潛水。呼吸比例為98:2氫氧混合氣時，180m深度開始出現麻醉。與氮麻醉情況不同。氫麻醉的主要表現為幻覺，麻醉程度也低於氮麻醉。氫氧混合氣潛水時心率變化小於氦氧混合氣潛水。氫潛水人體模擬實驗後，血、尿、神經系統和呼吸功能方面等指標均未發現異常。同時進行了動物氫氧混合氣潛水實驗，40隻小鼠在600m深度暴露40小時，減至常壓後，心、肝和肺等組織學檢查未發現異常改變。

1985年5月，Deulaze等實施了HYDRA Ⅴ實驗，受試者分為2組，每組3人，暴露深度為450m，這次實驗不僅研究了氫的生理作用，還測試了潛水員水下作業能力，同時實驗還系統研究了混合氣中各種氣體比例的問題。結果發現，氫、氦、氧最佳比例為54:45:1，並發現作業過程中呼吸順暢，未出現加壓性關節痛。

這些系列實驗研究進一步證實，氫對機體無損傷作用，同時確立了氫混合氣的最佳安全配制比例標準。

1986年11月，Fructus等實施了520 m HYDRA Ⅵ模擬潛水實施，8名潛水員參加，在水溫為4℃的模擬艙內進行了25次模擬作業。1988年2月，COMEX公司在地中海進行了HYDRA Ⅷ現場氫氧混合氣飽和潛水實驗，6名潛水員參加；2月21日開始加壓，28日到達520m深度，此後5~6天，6名潛水員分別在520m海底進行了多次潛水作業實驗。1989年9月，COMEX公司又進行了HYDRA Ⅸ 300m停留14天氫氧混合氣飽和潛水模擬實驗，實驗項目包括使用氫氧混合氣的最小和最大深度限度、長期(49天)高壓氫環境暴露對人體生理功能的影響、長期(73天)在壓力艙內幽禁隔絕對人的精神行為的影響等。通過此次實驗完成了潛水醫學、神經生理、心理、通氣和心血管功能、生化、熱和體液平衡、減壓程序和潛水專家系統等研究。

20世紀90年代，COMEX公司又相繼進行了680 m飽和巡潛701 m(HYDRA Ⅹ)和750 m(HYDRA XI)人體模擬氫氧混合氣飽和潛水實驗，750 m是目前人類高壓暴露的最大深度記錄。目前COMEX已經實施了HYDRA XII實驗，深度為210 m，潛水員在此深度進行28次潛水，其中4次為氦氧混合氣潛水，4次為氫氦氧混合氣潛水。實驗時，在船上飽和艙內，潛水員呼吸氦氧混合氣，在海底作業時呼吸氫氧混合氣。實驗探討了現有設備用於氫氧混合氣潛水時的可行性和水下呼吸氣體轉換時閉式呼吸系統(由氦混合氣轉換為氫混合氣)的情況。每次潛水持續2~6小時，呼吸氫氧混合氣時，潛水員思維分析能力和作業能力均正常。

在HYDRA計劃中，Gardette用110隻小鼠進行了動物實驗。實驗採用氫氦氧混合氣，在2000 m條件下連續暴露12天。最終實驗獲得成功。他們發現，用氫氧混合氣對小鼠加壓時，加壓到1800 m時就會出現明顯高壓神經綜合症，而使用氫氦氧混合氣時小鼠狀態良好。這一研究結果說明氫氣對高壓神經綜合症有很好的緩解作用。

近年來，氫氧混合氣潛水逐漸引起更多國家的密切關注。美國海軍研究了高壓氧對人體的生理作用，確認氫對機體無任何危害，同時還認為氫不僅能夠有效降低高壓環境下的呼吸阻力，還可以減輕高壓神經綜合症。美國科學家還開展了一項與氫氧混合氣潛水有關的特殊實驗課題。氫氧混合氣潛水的生物學減壓方法。產甲烷細菌具有把二氧化碳和氫轉變成甲烷和水的能力，能夠迅速降低體內的氫分壓，應用這個原理加快氫氧混合氣潛水減壓。1998年據Kayar報導，用大鼠進行實驗發現，在動物腸道注入甲烷細菌能有效縮短減壓時間，而且能降低減壓病的發病率。更為重要的是，進一步研究發現，這種細菌屬於正常腸道細菌，正常情況就能在一定程度縮短減壓時間。如果在將來潛水作業中設法實現這種技術，可能會進一步縮短潛水減壓時間。這可能是將來潛水醫學研究中的一個重要方向。

由於存在許多技術障礙，目前氫氣潛水仍停留在研究階段。但研究所取得的重要進展，特別是氫氣的潛水醫學生理學知識仍十分寶貴。

一、高壓氫氣無任何毒性作用

目前研究結果非常明確，在任何壓力範圍，氫對機體均無毒性作用。自1789年拉瓦錫開始研究氫對機體作用以來，迄今為止，幾乎所有氫氧混合氣潛水研究的課程均涉及這一問題。儘管早期曾有人稱為高壓氫氣對機體可能有毒性作用，但後來大量的研究結果證實這種觀點是錯誤的。特別是瑞典、法國等成功進行的系列人體氫氧混合氣潛水實驗，如1988-1989年間，法國進行人體氫氧混合氣潛水的時間就長達7200小時，進一步說明人體呼吸氫和氫氧混合氣潛水是安全的。既然呼吸高壓氫氣都是無毒性作用，那麼小劑量的氫氣就更加安全。

二、高壓氫氣有一定麻醉作用

生理性惰性氣體往往在高壓下有一定麻醉作用，其中最著名的就是氮氣的麻醉作用。只要將空氣的壓力提高4倍，許多人就可以表現出氮氣的麻醉作用，而提高到10倍，大部分人會表現非常嚴重的麻醉作用。這也正是使用空氣潛水不能超過60 m的重要原因。動物實驗提示，高壓氫氣也具有一定的麻醉性，能在一定程度上預防高壓神經綜合症，這恰好是氦氣潛水難以克服的問題，也是氫在大深度潛水中的優越性之一。氫的麻醉性居於氮和氦之間，氮、氫和氦的相對麻醉性是4.3:2.3:1。氫的麻醉效應約為氮的54%，但高於氦和氖。人們正是利用氫的這一特性，來逆轉高壓對機體所致的過度興奮作用。最近，在這方面的動物和人體的研究證明，氫對高壓神經綜合症有一定預防作用，人呼吸4.6 MPa(46 atm)的氫不會出現高壓神經綜合症症狀，工作能力不會受到明顯影響。

高壓氫氣麻醉主要表現為致幻作用。氫氣的致幻作用對潛水員的認知能力影響較大，當人體暴露在1.9 MPa高壓氫環境下就可出現這種效應。1974年，Edel首次進行了氫麻醉的研究，4名受試者均潛水1次，在0.7 MPa條件下分別呼吸氮氣、氦氧和氫氧混合氣120分鐘。智力和操作技巧試驗結果表明，氮氧混合氣對操作能力影響最明顯，氦氧和氫氧混合氣對操作能力影響不明顯。在1984年的HYDRA實驗中，Carioz等曾進行過人體氫麻醉進行研究，結果表明，呼吸2.45 MPa的氫對人的操作技巧和視覺反應時間均無明顯影響。人體研究還發現，人體氫麻醉敏感性存在明顯的個體差異。

三、氫氣擴散速度快

由於氫氣的擴散速度比空氣快，所以氫氣易於通過狹小孔隙，有利於中耳鼓室等含氣腔室內外調壓。氫氣的擴散能力快也給氫氣發揮生物學效應提供了重要保證。氫氣可以進入人體的任何部位，可以進入到細胞的任何部位，例如細胞核和線粒體。這是許多藥物所不具備的重要優勢。

四、氫氣環境下的身體散熱快

氫氣的熱容量和導熱系數均比氮和氦大。因此，呼吸氫氧混合氣時，更容易從肺部喪失較多熱量，這是限制氫用於潛水的主要因素。實驗表明，在310 m深度氫氧環境中體熱散失非常快，即便從事重體力勞動，身體代謝產熱增加也無法抵消體熱散失。所以，氫氧混合氣潛水需外部加熱。氫氧環境中。艙室溫度維持在34℃較為適宜。另外，呼吸氣體應適當加熱才能使潛水員感覺舒適。但關於最適宜溫度存在不同觀點。Smith等實驗發現，1.1~10.1 MPa下，呼吸氫氧混合氣時的呼吸散熱和對流散熱比氦氧混合氣分別高出38%和32%，他們提出，氫氧混合氣潛水的舒適溫度範圍應在31.1~31.6℃。

五、呼吸氫氣對語音的影響

目前對氦語音的研究比較多，而關於氫語音的報導不多。在高壓氧環境中，人的語音發生明顯變化，如音調變高、帶有鼻音、語音清晰度明顯降低和難以被聽懂等。早期瑞典海軍潛水技術工程師Arne Zetterstrom進行的氫氧混合氣潛水實驗中，曾遇到語音改變的問題，而且顯著影響與水面的語音交流，他後來發生意外死亡就與語音改變影響交流有間接聯繫。

六、高壓氫氣對呼吸系統的作用

氫氣是密度最小的氣體，呼吸氫氧混合氣時阻力小，因此可減輕呼吸功，減少潛水員體力消耗，有利於提高作業效率，Dougherzy發現，呼吸純氧最大通氣量相當於呼吸氦氧混合氣的40%，其他呼吸指標均發生明顯改變，這主要是由於氧的相對密度較高所致，因此推測呼吸氫氧混合氣通氣量應該更大。但Giry進行4.6MPa氫氦氧混合氣模擬潛水實驗中，發現通氣功能並沒有明顯改善，反而有一定的程度的降低，可能是高壓氫氣對呼吸中樞的麻醉作用所致。Dahlback發現1.3MPa條件下，呼吸98%氫氣和2%氧氣的功能性肺阻抗比呼吸98%氦氣和2%氧氣降低35%，這樣可減輕呼吸肌負荷，提高大深度潛水員的工作能力。另外，1.3MPa條件下呼吸氫氧混合氣時，肺活量輕度增加，但Giry的實驗未發現同樣的結果。

七、高壓氫氣對循環系統的作用

Gennser等在細胞水平上研究了靜水壓、氫、氮和氦對大鼠心房率的作用，結果表明，15 MPa靜水壓使游離大鼠心房自發性頻率減少30.6%±7.2%，若灌流高壓氫(氫分壓：4.9、9.0和14 MPa)飽和溶液，大鼠心房自發性頻率隨著氫分壓增加而增加。有學者還發現，在減輕心動過緩方面，氮為氫的2倍，而氫為氦的5倍。5 MPa氮和9 MPa氫逆轉心動過緩的作用相同。HYDRA Ⅴ實驗表明，氫能對抗靜水壓的作用。Giry認為，呼吸高壓氫氧混合氣時，心血管功能出現的變化可能是氫抑制副交感神經系統興奮性的結果。

潛水醫學所研究的氫氣生物學效應是將動物和人體暴露在非常高的壓力條件下。由於氣體的作用和氣體在體液中的溶解濃度有關係，而溶解濃度和氣體的分壓有關，潛水醫學關於高壓氫氣的生物學效應都是高壓氫氣的效應，這不同於我們目前關於氫氣生物學效應的概念。但通過了解潛水醫學的相關內容，我們可以非常明確地知道，即使在非常高的氫氣壓力條件下，氫氣對人體都是十分安全的，那麼在壓力遠低於潛水呼吸條件下的小劑量氫氣的生物安全性就更加明確。