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潜水是一门科学 之 氮气

潜水是一门科学 之 氮气

除了专栏第一篇提到的GF问题之外,我最常被问到的一个问题,就是氮气为什么会醉。或者说,为什么气体在脂肪里溶解度越高,麻醉性就越强。这张表格,在上一篇氦气的文章中也出现过:

潜水是一门科学 之 氮气

首先要说明的一件事是,脂溶性与麻醉性之间的关系,只是麻醉医学中所观察到的一个现象。1899年和1901年,Meyer和Overton各自独立发表了论文,发现如果把各种物质的脂溶性(此处以在橄榄油中的溶解度代表)与麻醉性(此处以所需最低浓度代表,所需浓度越高,麻醉性越低)画成一张图,结果大致如下:

潜水是一门科学 之 氮气

从图上看来,相关性非常强,那麻醉简直一定是由脂溶引起的吧?

在这个“大数据统计分析”满天飞的时代,请谨记“统计学骗术一百招”中的第一条:用相关性推出因果关系。

百度前不久曾经根据搜索记录的相关性得出一个结论:常去低端足疗店的人,比去高端的人更少去医院。所以,去低端足疗店更能增进身体健康,医疗保险费也应该相应降低,你说是不是?

——这特么都哪儿跟哪儿啊?

所以,“脂溶性高导致麻醉性高”这件事,并不是一个确定的结论。我们并不知道,上面这张图背后的原理究竟是什么。

潜水领域的科研总的来说,因为用处并不那么大,能够获得的资金支持也少,军方和商业潜水公司的研究局限于他们自己最感兴趣的方向,也更注重实用性,对于机理的研究相对较少。所幸,麻醉在医学上有着广泛而重要的用途,因此关于麻醉机理的学术研究还是相当丰富的。

你猜,他们的结论是什么?

答案是,仍然没有结论。

不过,有一些被比较广泛接受的,有一定实验数据支持的假说存在。某有博士学位的英国技术潜水教练在理论课上经常提到“脂溶性”,“神经传导”,“髓鞘”,“麻醉”……遇上认真的学生,我的微信就会开始狂闪:豆腐豆腐,为什么脂肪里的溶解度越高,就越会影响神经系统?

这里的第一个误解,在于“脂溶性”的“脂”字。它指的并不是“脂肪”,而是“脂类”。脂类是人体内的一大类分子,所有的细胞膜——包括神经细胞的膜,都是由两层脂类分子构成的。脂类分子一头亲水,一头疏水,简单地说就是一头喜欢水分子,一头不喜欢水分子。于是在水含量高达60%的人体内,两层脂类分子自动按如下方式排列:喜欢水分子那头靠外,不喜欢水分子那头靠里。

潜水是一门科学 之 氮气

目前最流行的假说是,脂溶性高的物质,更容易进入细胞膜内部。气体分子进入神经细胞膜之后,会导致细胞膜的结构改变,从而影响神经信号的传导,造成反应迟缓等麻醉效应。(对神经传导没兴趣的同学,看到这里就可以点击退出了。)

为什么细胞膜结构改变会影响神经信号传导?因为神经信号的传递,是通过“动作电位”,也就是细胞膜内外电位差的改变来实现的。在静止状态,神经细胞膜内外电位差为-70mV,而动作电位最高点电位差则为+50mV——这些数据确确实实都是由电生理学家们通过不断的实验和测量获得的。

潜水是一门科学 之 氮气

这种电位差变化的产生、保持和传递,需要细胞膜上一些叫做“离子通道”的蛋白质不断将带正电的钾、钠等离子运进运出;还需要神经细胞外面一层叫做髓鞘的东西,将这些离子局限在细胞膜外面很小的范围,不至于陷入人体的汪洋大海之中。有一种疾病叫做MLS,就是因为神经髓鞘的破坏,导致神经信号传递无法正常进行,病人会逐渐失去身体各部位的功能,想想真是蛮惨的。

潜水是一门科学 之 氮气

之前主流的理论认为,气体分子进入细胞膜,导致膜体积扩大,离子通道受到挤压,失去正常开关的功能,从而损失神经传导能力,造成反应迟缓等麻醉效应。然而最新的研究提出,气体分子可能并不是简单地进入细胞膜造成形态改变,很有可能是直接与离子通道蛋白质结合产生相互作用,影响它们的功能。

总之,还是没有结论。

即使你有耐心看到这篇最后,多半也已经云里雾里。但是没关系,你只要记住一件事:氮到底为什么醉?这世上迄今只有假说,没有结论。

“说了半天你们什么都不知道,还好意思叫科学?”

我想,这是大众对于科学最大的误解。它的核心并不是知识,而是一种科学的态度。我们只是在用能够想出来的办法,去试图寻找各种现象背后的原理(也就是知识),知之为知之,不知为不知。就算是我们所寻求到的知识,如果出现了新的现象或证据,也同样可以被推翻或修正。可以证伪,就是科学与宗教最大的差别。

潜水是一门科学,因为这里面有太多有趣的现象可以研究。也许我们现在还不懂,但将来可能会懂。即使并不能完全理解,也可以寻求其中的规律,然后在实践中去验证。这个不断探究的过程,真是人世间最有趣的事情,新鲜感和刺激感源源不断。

所以,不要再问我为什么不辞职去开潜店——我是真心爱科学啊。

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