3.8億年前，魚開始爬上陸地，經歷了漫長的自然選擇后，它們中將會有一支在錯綜復雜的迷宮中演化為人，人類毫無疑問是地球黃金時代的王者，地球上已不存在我們的行跡所不曾到達的島嶼，但是，獨特的生理構造決定了我們只適合在氣態環境中生存，我們喪失了像魚一樣在液體中呼吸的能力，相比入駐深海，現在的我們似乎更喜歡殖民太空，然而看起來有些不同尋常的是，渴望在液體中呼吸的愿望，并不僅僅關乎海洋，它同樣能幫助我們飛升太空。

先驅者們

人類的呼吸是一個非常簡單的擴散過程，空氣中的氧氣被肺部吸收進血液，代謝產生的二氧化碳再從肺部運出到空氣中，滿足了這一吸一呼，整個呼吸過程就完成了。相比于空氣，水中的溶解氧實在少得可憐，按最低限度算，我們每秒至少需要吸入45升水才能提取到0.05克維持正常生命的氧氣，人的肺又不是高壓水泵，自然無法做到這般的“暴風吸入”，但很快有人想到，如果我們使用溶氧量很高的液體，吸一口就能滿足供氧需求，是不是意味著我們就能夠在液體中呼吸了呢？

為了驗證這一點，1962年，科學家將小白鼠困在溶解了大量氧氣的生理鹽水中，盡管排出液體比排出氣體要費力得多，小白鼠還是成功吸收到了氧氣，可呼出二氧化碳時遇到了困難：生理鹽水并沒有良好的溶解二氧化碳的性質，呼吸產生的二氧化碳在肺部越積越多，可憐的杰瑞只活了幾分鐘就死于呼吸性酸中毒；4年后，科學家們又發現了一種全氟化碳有機液體（后文我們稱其為PFC），這種液體不僅溶氧量驚人，二氧化碳溶解量更是比生理鹽水要高得多，這一次，泡在里面的小杰瑞活了20個小時。

在下層的PFC液體中呼吸的小杰瑞，上層水里的小魚還不知道發生了什么。圖源：Researchgate

盡管條件看起來不太成熟，1969年，美國海軍還是開展了液體呼吸的人體實驗，肺活量優異的潛水員Francis J.Falejcyk，成為了歷史上第一個同時呼吸含氧鹽水和PFC的人，但實驗并未完全成功，當時的科技沒有辦法排出他肺部的全部積水，他隨后因肺部殘余液體而引發肺炎。

考慮到液體呼吸可能的水下戰術運用前景，1977年，杜克大學向美國海軍提交了《人類液體呼吸的可行性》報告，后者隨即在1980年展開了測試演習，海豹突擊隊首次在PFC中嘗試了液體呼吸，整個過程頗為吃力，以至于多名潛水者“吸”斷了肋骨。

時至今日，液體呼吸技術很難說得上有多么長足的發展，雖然部分液體通氣技術在醫療上成功運用，改善了部分肺功能異常患者的呼吸狀況，我們也還離真正的海中生活還有一段距離，眼下來說，我們需要比PFC更輕、黏度更小的液體，來使吸入和排開液體變得容易。但若我們停留在現今科技之海的表面上，就很可能因短視而感受不到那伏于千里的暗流涌動，現在，讓我們更進一步，不局限于先驅們已實現的科技水平，而是用超前的思維去想象未來，我們會發現，僅僅是泡在液體里，從深海到太空的藍圖也會向我們徐徐展開。

波濤之下

在全球氣候變暖的當下，南北極冰川融化，海平面逐年升高，沿海城市面臨著淹沒和臺風侵襲的危險，填海造陸并非長久之計。但若能反退為進，直接生活在海里，就可一勞永逸地解決海水淹沒問題。這種想法絕非故作譏諷，在水下生活是解決環境崩潰問題的合乎邏輯的解決方案，人類只要能生活在海平面下50m處，就能多出來一整個南極洲的陸地面積。而且海下環境并沒有神話中流傳的那么危險：沒有火災，地震威力受限，風暴和海嘯也難以作用到水下。

“歷史將重演，人類將再次被迫進入海洋謀生。”

——海洋生物學家Alistair Hardy

一種海洋城市構想，圖源：AI生成

并非所有用肺呼吸的動物都不習水性，海獅和海豹就可以將自己的肺部縮成一團來潛入深海，但人類的肺并沒有那么好的伸縮性，深水壓力下肺這一空腔結構壓縮過大，就會大面積破裂致人窒息，抗壓能力限制了人類對海洋的探索，徒手潛水最深的世界紀錄是新西蘭人威廉·特盧布里奇保持的，2010年，在不借助水肺、腳蹼等任何輔助裝備的情況下，他僅用一口氣下潛至大西洋海底116m，116m深處的水壓會壓迫肺部空氣中的氮氣進入脂肪成份和神經組織中，產生如“麻醉”般的氮醉效果，而被壓縮的肺在上浮時會過度膨脹導致空氣栓塞。

要克服深水壓力，一種做法是在潛水服里灌入可供呼吸的富氧液體，將人浸泡在液體中來提高抗壓能力。要理解這種做法，我們只需要想象一個浸入海里的氣球，假如氣球內部充氣，那么它在淺水區就會被水壓擠爆；但假如氣球內部裝滿水，那么即便是放在地球最深處的馬里亞納海溝，氣球在形狀上也看不出什么變化，究其原因是：水具有不可壓縮性，馬里亞納海溝里的水，密度也只比地表水高了5%，因此完全浸沒在液體中的人，深水環境下，靜水壓力均勻地作用到人體的組織結構和體表上，使得體內和體表的壓強同步增大，內外壓差平衡，肺部就會變得難以壓縮，從而抵住很高的載荷，這時，人就具備了深海動物那樣的超級抗壓能力。

充滿神秘感的煙花水母，身體由透明的軟體構成，可抵抗千米深度的水壓，圖源：wiki

蒼穹之上

我們腳下的這顆藍色星球，是我們在太陽系唯一的母親，然而，即便把太陽系中除太陽以外的所有物質加起來，它們的全部質量也不及太陽的1%，像太陽這樣的恒星，在銀河系里至少還有1000億顆，其數量等于在地球上生活過的人類總數。光線環繞地球一周只需要0.133秒，但抵達已知宇宙的邊緣卻需要460億年，未知事物、未解問題和未盡事業的廣闊深邃，遠遠超過了我們的實踐所能達到的理解力。長期以來，未來學家一直接受這樣一種觀點：人類的生存將取決于在外太空生存的能力。

“人類的未來只能二選一:要么一飛沖天,變得多行星化;要么自我限制在母星地球上,直至大滅絕發生。”——SpaceX創始人Elon Musk

想象中的多星際殖民，圖源：AI生成

要進行太空探索尤其是任意距離的快速抵達，免不了要談到高G加速度，以《三體》中恒星級戰艦的“前進四”推進來說：在120G加速下，0.5秒后你的速度就會遠超地球上的任何賽車；7秒后你會和東風-41型洲際戰略核導彈的速度比肩；14秒內你能達到擺脫太陽引力束縛的逃逸速度。

但正如人體的空腔結構不能承受深水壓力一樣，它也不能承受很高的加速載荷，普通人能夠承受2-4G的加速載荷，受過訓練的飛行員能達到8-9G，歷史上有過人體的極限加速度承受實驗，1954年空軍飛行員約翰?斯塔普，坐上特制的火箭，5s內加速到接近音速，并承受了高達46.2G的加速載荷，盡管這一加速載荷只維持了一瞬間，約翰?斯塔普還是折斷了多處肋骨、爆裂了全身多處血管并脫落了視網膜，他被直接送往醫院，事后，當人們問起他對這次實驗的看法時，這位雙目失明的仁兄說：這次實驗他最大的收獲是一支盲杖和一條導盲犬。這般的從容瀟灑來自斯塔普內心對死亡的毫不畏懼，要知道就在實驗開始前，他還拒絕了別人遞給他的一個甜甜圈，理由是：胃里有食物會影響解剖。

正如泡在液體里來對抗深水壓力一樣，用它來對抗加速載荷是一個比較自然的想法，液體具有良好的傳壓性能，對完全浸沒在液體中的人，加速載荷的作用是內外均一的，人體組織結構上不存在局部受力壓差，全身上下有著極其均勻的壓強梯度，使得過載帶來的影響被大幅度減弱了。使用液體浸泡來實現高G加速的想法在一些科幻作品里也有提及，最廣為中國讀者熟知的是劉慈欣《三體》里艦組進入的深海狀態：

“當處于最高推進功率時，飛船的加速將達到120G，所產生的超重是正常狀態下人體承受極限的十多倍，這時就要進入深海狀態，即在艙室中注滿一種叫“深海加速液”的液體。這種液體含氧量十分豐富，經過訓練的人員能夠在液體中直接進行呼吸，在呼吸過程中，液體充滿肺部，再依次充滿各個臟器。

——《三體2：黑暗森林》

要成功實現這種深海狀態，加速液除了滿足安全呼吸要求之外，還要和人體的平均密度完全相同才行：如果人體密度小于液體，就會在加速時被推到后方的艙壁上，反之則會被推到前方的艙壁上，而艙壁給人體提供的力并不是均勻壓強的靜水壓力，所以一旦貼到艙壁上，就很可能像《三體》里沒有進入深海模式就直接加速的艦組人員一樣，因局部壓差而在艙壁上被壓成薄片。

進入深海狀態時的加速度并不能無限大，因為過高的加速度會使“差速離心”現象變得明顯，差速離心是指在不同強度的離心力下，不同密度的物質會按離心力的大小級別分離，而人體肌肉、脂肪、血液和骨骼就存在巨大的密度差異，過高的加速度下，人體組織間的連接不足以約束其組成分子分離時，密度大的骨骼將逆向沉底，而密度小的脂肪會正向上浮。人體作為碳基生物的構造限制了加速載荷的進一步提高，要克服這點限制，或許就需要像加來道雄在《宇宙大作戰》里想象的那樣：用某種力場將人體的所有分子都固定住，這樣無論多高的加速度都不會導致組織分層，人類千百年來對極致加速的渴求便能夠最終實現。

差速離心示意，逐漸提高離心力來分離不同大小的細胞器，圖源：wiki

后繼者們

人類從鐵器時代進入蒸汽時代用了一千年，而從蒸汽時代到電氣時代僅用了一百年，在飛馳的科學的塵霧中，我們看到的是：人類文明的發展速度遠遠超過了人類身體的進化速度。現今的人們已不滿足長久以來被環境自然選擇，他們學會了填海造陸、固沙屯田，改造環境來適應自身，或許在不久遠的未來，憑借泡在液體里呼吸，人類能真正擺脫肉體的局限，成為可五洋捉鱉、九天攬月的“三棲動物”。為了這一天的到來，后繼者們仍然還有很長的一段路要走。

參考文獻：

[1]Shaffer, Thomas H., Marla R. Wolfson, and Leland C. Clark Jr. "Liquid ventilation." (1999).

[2]Clark Jr, Leland C., and Frank Gollan. "Survival of mammals breathing organic liquids equilibrated with oxygen at atmospheric pressure." Science 152.3730 (1966): 1755-1756.

[3]陳銳勇,金海,李夢醒,楊峰,顧靖華.液體呼吸技術在援潛救生中的應用前景[J].海軍醫學雜志,2022,43(12):1320-1324

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[6]Rozwadowski H M. “Bringing Humanity Full Circle Back into the Sea” Homo aquaticus, Evolution, and the Ocean[J]. Environmental Humanities, 2022, 14(1): 1-28.

[7]https://www.todayifoundout.com/index.php/2021/08/can-humans-breathe-liquid-like-in-the-abyss/

[8]https://www.bbc.com/future/article/20130930-can-we-build-underwater-cities

作者：李文杰中國科學院大學長春光機所科普志愿者協會成員

審核：孫軼飛河北醫科大學醫學教育史研究室主任

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來源: 星空計劃

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