减压理论 – Part I

就潜水的所有面向来说，减压理论可能是最不容易的一块。它可以是难懂又充满术语的科学及复杂的理论，常常会让读者认为需要花更多的时间来钻研让自己能多些理解！然而更糟糕的是，科学家们对于减压理论了解的仍然非常有限。对我们一般人来说，这并不是一件好的消息。

在休闲潜水员圈子里一个常见的误解是减压理论是一个被充分了解的程序。虽然在我们的理解中套用在30米深度限制内的非减压潜水下对大多数人来说运作顺畅（减压病的发生大约是每10万次潜水中大约会发生10~20次），减压病仍有可能会在保守潜水限制下发生。超过休闲潜水的限制那么你基本上将成为减压潜水研究的实验品。

呼吸

在开始介绍融氮与排氮之前，首先我们最好先了解为什么我们需要在水下呼吸？答案很简单，因为事实是我们在陆地上需要呼吸。但是，为什么我们需要呼吸？当我们在呼吸的时候到底发生了什么事呢？

让我们先把潜水放到一旁，在陆地上，我们所呼吸的空气中含有大约21%的氧(O2)及79%的氮(N2)。事实上以体积来说是20.55%的氧及78.08%的氮，然后剩下不到1%的部分包括氬、氖、氦、氪、氢、氙气，和二氧化碳。然而，因为这些存在在大气中的气体是如此之少，所以我们将他们忽略不计，并且将他们都视为氮气，他们都被认为是“惰性气体”，意味着他们在我们体内（陆地上）在化学与生物学上都不会与我们的身体产生作用。

呼吸是一种自主的程序，但是我们可以在一定的程度上控制它。当我们需要呼吸时，透过胸部肋骨上升与外张以及横隔膜上肌肉的收缩使得胸腔底部向下移这减少了费中的空气压力，因此空气透过呼吸道进入肺泡进行气体交换。当我们吐气时则是相反的状况，这会让空气被挤出肺部。

在吸入时，空气进入肺中与那些已经在肺中的气体混合。这意味着肺中的空气在比例上与在大气中会有些许不同。空气一旦进入肺中，空气随即被传输到血管，然后透过动脉，将氧气供应到身体的细胞，然后氧气将被使用来产生能量。而作为这个过程的副产品，二氧化碳(CO2)因此产生，并且透过静脉流回肺部。在空气中氮气充斥及围绕着身体。因为它是(大部份情况下)惰性气体，它只是透过循环系统绕了一圈再透过肺部随着二氧化碳一起排出。在水面上，氮气进入身体的量维持不变。对于那些从来没有从事过潜水活动的人，整件事差不多就此告一段落了。但是作为潜水员，当我们潜入水中而环境压力增加时，这个流程就变得更加的复杂了。

道尔顿定律与气体交换

我们在水深的地方呼吸的气体有着同深度的环境压力，不然的话，我们的肺将无法呼吸。所以在30米的气体在肺中的压力是水面的4倍，所以我们的调节器会提供4大气压力的气体给我们（4倍的密度：4倍的空气消耗率）。随着深度变化的造成气体的压力会随着深度而增加，所以每个个别气体的压力也会跟着改变 – 称之为分压。这个现象被名叫约翰.道尔顿的人发现，并以此命名为道尔顿定律，是在阐述分压的状态是：

“混合气体的总压力，将等同于每个个别气体所佔相同体积所产生的压力总和”

简单来说，分压是混合气体的气体压力。每个个别的压力加总会得到总压力。所以空气在30米（4个大气压力），氮气分压为 4 x 0.79 = 3.16。氧气的分压为 4 x 0.21 = 0.84。将这两个答案加总就会得到4个大气压力。但是，如果环境压力越高，分压也会越高。这是有关联性的，因为这是我们用来追踪在潜水时气体在我们身体移动时到底发生了什么事。我们也经常使用毫米水银柱（mmHg）。另外一个重要的气体定律是亨利定律。但是当我们开始介绍亨利定律前，让我们再一次更详细的来看整个呼吸过程。

当空气进入到我们的肺部，从气管向下移动并到达两根支气管并个别进入到肺。因为空气进入到更深处的肺支气管并分支为更小的分支，称之为细支气管，然后再继续分化并越来越小。这样增加了进行气体交换所需要的表面积。在这些分支的末端是数以百万计的气囊，称之为肺泡。肺泡组织含有一层扁平的皮膜细胞，外侧富含微血管，让空气得以从肺透过肺泡的皮膜与血液间转换。令人难以置信的是，一般人的肺中含有约6亿个肺泡，如果你将它们摊平展开，它们将能够覆盖满100平方米的表面积！肺泡的厚度比1000根人类细小的头髮还要小，并且每一个都围绕着来自肺动脉携带血液的微血管。这是一个多令人惊讶的事实啊！而真正令人吃惊的是，肺泡壁与周围的微血管只是由一个扁平细胞所组成。这意味着它们与来自肺部的空气只有一个非常小的距离，这增加了气体的交换速度，并且使呼吸作用非常高效率的在一个正常健康的身体中进行。它需要大约1秒的时间透过肺部微血管到移动到血液，在此时它几乎是100%氧饱和状态，而在同时氧(O2)代谢过程中产生的二氧化碳(CO2)被转移到肺部并且呼出。

亨利定律，扩散与灌流

还记得我们的身体在海平面所含有的氮气(N2)吗？它大部份溶解在我们的血液与其他组织中，类似于把糖放入一杯茶中。相同的流程，但是却不是甜的。透过血液中的血红蛋白与氧气进行化学结合，当我们潜水时，它也溶于我们血液中的血浆中。氮气(N2)的溶解量是由亨利定律所决定的。由J.威廉 亨利 在1800年所发现的，亨利定律指出：

“在恒定温度下，被测气体溶解在溶液中的溶解度与此溶液达成平衡的气体分压成正比”

白话一点说，这代表当分压增加时一定量的气体将会溶解在液体中。所以，当我们潜入水中，在我们肺部的气体分压增加，更多的气体会溶入血液中。然而，不同的种类的气体会有不同的溶解度，不同的身体组织也会有所不同。这就是为何减压理论非常复杂的另一个原因。

但是，如何让气体进入我们的身体组织多到超过血液呢？在TDI减压程序课程中这是一个常见的问题。答案是扩散与灌流。扩散是流体（气体或液体）透过原子的不规则运动，从高浓度阶梯移动到低浓度阶梯。一个经典的比喻是在装满水的容器中滴入一些墨水（如上图）。你可以看到随着时间墨水慢慢向外移动，墨水在容器中被均匀的分佈，直到整缸水变成淡蓝色。粗口一点的比喻是，有人搭乘电梯时放屁 – 同样的流程，这很难在开放空间解释，或是在你妈妈面前展示（无图）。

气体融入血液的量取决于道尔顿定律与亨利定律的相互作用。以氮气(N2)来说，身体在海平面时以达到饱和状态，所以在总量没有改变的情况下，些微的融入作用发生在肺部、血液与身体组织。唯一有显着交换的是氧气(O2)，它被输送到身体各个组织以及发生代谢作用，而二氧化碳(CO2)则被带回肺部并排出体外。作为脱氧血返回到肺中，分压比在肺泡中为低（因为一些氧气已被身体所使用），所以氧气扩散到血液中。同样的，二氧化碳从身体组织中扩散出来（作为代谢作用的副产品）并且进入血液，并且回到肺部。气体的交换速率是由菲克定律所描述的，但是现在我们没有需要谈论到这一块。在本质上，肺结合血液的运作来确保从空气移动到血液的氧浓度阶梯，而二氧化碳则是从血液排放到空气中。正如我们在下潜过程中(我们现在先忽略氦气)，当我们增加扩散阶梯时 – 我们的肺处在环境压力下（当我们所处的深度）氮气进入身体，所以每个个别气体的分压处在较高的位置。

值得注意的是分压增加后不会推挤气体进入身体组织就像是对轮胎充气那般。他是像分子般的沿着浓度梯间进行随意行动。这意味着一个特定气体的扩散率是不依赖于在身体组织中的其他气体。所以一种气体的移动与另一气体的压力阶梯完全不受影响。这解释了氧气如何穿过肺泡膜并进入到血液，而二氧化碳的行进方向却是相反的。它们在相反的方向运动却彼此完全不受干扰（对氮气与氦气的等压反扩散不一定是对的，但是这我们会在别的 章里讨论）。

气体很好的透过扩散进出身体组织，但是这是发生在非常小的距离时。那么，对身体来说要如何进行这样的气体交换呢？你可能已经猜到了，灌流。这个词汇是从法 动词“perfuser”来的，它意味者“通过或倾倒“，基本上，它是指血液的流动，或是血流的速率。换作比较恶心的比喻，它是靠着扩散作用来收集你的垃圾。你只需要走到门口把垃圾倒出来，其他的，就交给扩散作用来收集垃圾了。你可以产生任何你想要的垃圾并且将它留在门口但是如果他们没有来把它收走，那么唯一可能发生的是你的门口开始散发令人感到恶心的气味和阻塞了门口的街道。然而，如果他们过来并且定期把垃圾清走那么就不会有垃圾的累积以及气味清新的街道。

同样的，血液围着身体四处移动，从肺部携带气体（捡起你的垃圾）并且将它们运送到越来越小的微血管，直到这些微血管只有一个细胞那么大，这使得氧气能够输送到组织（恶心的比喻是送到了垃圾掩埋场）。在潜水时，氮气融入血液也能同样的透过微血管组织有效的扩散到身体组织，因为组织是由丰富且充满气体的血液源源不绝的供应。不同的身体组织在血液供给气体时有着不同的扩散率。大脑、血液、心脏及肌肉都得到了充足的供应，而骨骼、脂肪与软骨的供给甚少。针对特定组织，如果氮气在血液中的气体张力（高局部压力的结果）高于在组织中的气体张力，那么氮气将会扩散到组织 – 这是气体排放的过程。这将会在下潜即停留在底部的时候发生。在上升时，组织张力会高过血液张力，这代表着扩散作用会发生在反方向，将氮气带回肺部，因为肺部比组织有者更低的氮分压。

减压理论，因为它涉及到透过实际潜水来进行真实实验，这全都是关于如何量化这种双向气体的交换，来确保我们在一定的限度下不会超出组织张力限制。我们要如何控制这些极限，直接影响到我们的滞底时间限制、最大深度以及上升速率。如果是技术潜水的话这会变得更加的复杂，特别是当我们开始从事更深、更久或是两者皆有，使用不同的气体例如氦氮氧或氦氧混合气作为滞底气体，或是高氧混合气来增加扩散速率，或是除了溶解在我们身体组织的气体外，尝试控制在我们身体中游离的寂静泡泡大小与数目。

本篇 章是将场景设定为下一篇，我们将会谈到吸气与排气过程并进一步讨论饱和、过饱和、临界过饱和即M值、半时间以及惰性气体阶梯 – 这些感觉很酷炫的术语，敬请期待！

参考书目及建议阅读：

Powell, M. (2008). Deco for divers, published by Aquapress. Available on Amazon.

Edmonds, C. McKenzie, B, Thomas, R. Pennefather, J. (2013), Diving medicine for scuba divers, 5th edition.

Vorosmarti, J, & Vann, R. Physics, physiology and medicine of diving.

原 出处：

整理自：DGBlue diving club