划重点：氢气安全性的人体研究证据
长期的研究表明，氢气对人体是非常安全的，即使呼吸几十个大气压的氢气，虽然会有一定麻醉作用，但这个麻醉作用比氮气小许多，不会对身体造成毒性效应，氢气的生物安全性比氮气高，更比氧气高许多倍。因此使用氢气改善疾病是一种非常让人放心的手段。
氢(hydrogen)是一种化学元素，在元素周期表中位于第一位，元素符号是H，是自然界最小的原子。氢通常的单质形态是氢气，氢是无色无味无臭，极易燃烧的双原子气体，氢是最轻的气体，氢的导热能力特别强，氢和氧化合形成水。
氦氧潜水可以有效解决空气潜水的氮麻醉问题，使潜水在深度上取得突破。但是，随着潜水深度增加，气体密度增大，呼吸阻力对潜水员仍然会产生影响，特别是氦几乎没有麻醉作用，大深度潜水时容易产生HPNS，而且获得氦较困难，价格昂贵，这些因素均限制了氦氧潜水的广泛应用。因此，迫切需要寻找新的气体代替氦作为大深度潜水用呼吸气体。实际上，在混合气潜水研究的早期阶段，因为制备氦的障碍，氢几乎与氦同时被用于潜水和高气压作业的研究。
以人工配制氢氧混合气(hydrox)或氢氦氧三元混合气(hydreliox)作为呼吸气体的潜水，一般称为氢氧潜水。与氦氧潜水一样，氢氧潜水也属于混合气潜水。氢氧潜水是现代深潜水技术发展的热点之一。氢氧潜水包括氢氧混合气常规潜水和氢氧混合气饱和潜水，其中，氢氧混合气饱和潜水是目前的主要发展方向。
使用氢氧混合气，需要特殊的装备和装具。与呼吸氦氧混合气一样，氢氧混合气也可以解决氮麻醉问题，使潜水深度大大增加，特别是氢仍有一定的麻醉作用，可有效缓解HPNS，显示了比氦氧混合气更大的优越性。但同时也带来一些空气和氦氧混合气潜水所没有遇到的困难，如爆炸、配气和污染等问题，针对这些新问题人们进行了多年的研究和探索，已找到了一些行之有效的解决方法、步骤和措施。
一、氢的发现
在化学元素的发现历史上，很难确定氢是谁发现的，因为曾经有不少人从事过制取氢的实验。德国医生兼科学家帕拉塞斯在16世纪上半叶发现了氢，但他只知道这是一种可燃气体。Boyle也曾经研究过氢，但他没能把这种气体收集起来。最先把它收集起来，并仔细加以研究其性质的应是卡文迪许。
1766年，卡文迪许把一篇名为《论人工空气》的研究报告提交给英国皇家学会。在这一论文中，所论及的除碳酸气外，讲的就是氢。卡文迪许用铁和锌等与盐酸及稀硫酸反应的方法制取氢，并将氢用汞槽法收集起来。他发现，用一定量的某种金属与足量的各种酸作用，所产生的氢量总是固定不变的，与酸的种类和浓度无关。他还发现，氢与空气混合点燃会发生爆炸。所以卡文迪许称这种气体为“可燃空气”。并指出，这种气体比普通空气轻11倍，不溶于水或碱溶液。
1781年，英国化学家普利斯特里在做有关“可燃空气”的实验时，发现它和空气混合爆炸后有液体产生。他把这一情况告诉了卡文迪许。卡文迪许用多种不同比例的氢和空气的混合物进行实验，证实了普利斯特里的发现，并断定所生成的液体是水。卡文迪许指出，如果把氢和氧放在一个玻璃球里，再通上电，就生成水。当氧被发现后，卡文迪许用纯氧代替空气重复以前的实验，不仅证明氢与氧化合成水，而且定量地确认大约2体积氢与1体积氧恰好化合成水(该结果发表于1784年)。由于卡文迪许是燃素学说的虔诚信徒，所以他认为，金属中含有燃素，当金属在酸中溶解的时候，金属所含的燃素释放出来，形成了这种“可燃空气”。
后来，法国科学家拉瓦锡重复了卡文迪许的实验，明确提出正确的结论，水不是一个元素而是氢和氧的化合物，并于1787年将这种气体命名为氢，意思是“成水元素”并确认它是一种元素。这个发现彻底把燃素学说送进历史坟墓，可以这么说，氢气和氧气是现代化学的催生婆。
在地球表面的空气中，几乎不含氢。但在离地面20~25 km的高空，大气中可能只有氦和氢。
二、氢的一般特性
(一)氢是无色无味无臭的双原子气体
(二)氢的化学性质活泼
氢的化学性质活泼，极易与氧发生化合反应生成水，容易发生燃烧和爆炸。不过，氢和氧混合时，如果将氧浓度控制在4%以下，氢不会燃烧，更不会发生爆炸。
(三)氢的分子量(1×2=2)非常小
氢的分子量为氮 (14×2=28)的1/14，为氦 (2×2=4)的1/2。
(四)氢的密度(0.0695)小
氢的密度为氮(0.967)的1/14，氦(0.138)的1/2。
(五)氢的溶解度
氢在水中的溶解度(0.017)比氮(0.01275)大;氢在油中的溶解度(0.036)比氮(0.06683)小，为氮的1/2。因此，氢的脂水溶比(2.1)也比氮(5.2)小，仅为氮脂水溶比的2/5。氢的麻醉作用比氦强，比氮弱，故氢与氦混合作为呼吸气体，有减轻HPNS的作用。
(六)氢的扩散速度快
为氮的3.74倍，氦(0.138)的1.411倍。
(七)氢的比热大、导热性能好
氢的热导系数为45.9 ×10-5 cal/sec/cm/℃(空气的热导系数为6.42 cal/sec/cm/℃，氦的热导系数为36.9 cal/sec/cm/℃)，在相同的压力下，氢的比热是氮的13.6倍，氦的2.72倍。因此，氢的吸热和导热性能都比较强。
(八)氢的传音速度快
在标准状态下，空气的传音速度是331 m/s，氦的传音速度是972 m/s，而氢的传音速度是1286 m/s。因此，氢氧潜水时，潜水员的语音改变也比较明显。
三、氢氧潜水的生理学研究
(一)无任何毒性作用
目前已经明确，在任何压力范围，氢对机体均无毒性作用。自1789年拉瓦锡开始研究氢对机体作用以来，迄今为止，几乎所有氢氧潜水研究的课题均涉及这一问题，尽管早期曾有人认为，高压氢对机体有毒性作用，但后来大量的研究结果证实这种观点是错误的。特别是瑞典、法国等成功进行的系列人体氢氧潜水实验，如1988 ~ 1989年间，法国进行人体氢氧潜水的时间就达7 200 h，进一步说明，人体呼吸氢和氢氧潜水是安全的。
(二)高压氢气有麻醉作用
动物实验提示，高压氢具有一定麻醉性，能在一定程度上对抗HPNS，这也是氢在大深度潜水中的优越性之一。氢的麻醉性居于氮氦之间，氮、氢和氦的相对麻醉性是4.3:2.3:1。氢的麻醉效应约为氮的54%，但高于氦和氖，人们正是利用氢的这一特性，来逆转高压对机体所致的过度兴奋作用。最近，在这方面的动物和人体的研究证明，氢对HPNS有一定对抗作用，人呼吸4.6 MPa的氢不会出现震颤、运动障碍、肌阵挛、眩晕等HPNS症状，工作能力受影响不明显。
氢麻醉主要表现为致幻作用，氢致幻作用对潜水员的认知能力影响较大，当人体暴露在1.9 MPa高压氢环境下就可出现这种效应。1974年，Edel首次进行了氢麻醉的研究，4名受试者均潜水1次，在0.7 MPa条件下分别呼吸氮氧、氦氧和氢氧混合气120 min。智力和操作技巧试验结果表明，氮氧对操作能力影响最明显，氦氧和氢氧对操作能力影响不明显。在Hydra IV、Hydra A和Hydra V实验中，Carioz (1984)等曾进行过人体氢麻醉研究，结果表明，呼吸2.45 MPa的氢对人的操作技巧和视觉反应时间均无明显影响。人体研究还发现，人体氢麻醉敏感性存在明显个体差异。
(三)在溶液中扩散速度快
由于氢的扩散速度比空气快，所以氢易于通过狭小孔隙，有利于中耳鼓室等含气腔室内外调压。
(四)有良好的热传递性
氢的热容量和导热系数均比氮和氦大。因此，呼吸氢氧混合气时，更容易从肺部丧失较多热量，这是限制氢用于潜水的主要因素。实验表明，在310 m深度氢氧环境中体热散失非常快，即便从事重体力劳动，身体代谢产热增加也无法抵消体热散失。所以，氢氧潜水需外部加热。氢氧环境中，舱室温度维持在34℃较为适宜.另外，呼吸气体应适当加热才能使潜水员感觉舒适。但关于最适宜温度的存在不同观点。Smith等实验发现，1.1 ~ 10.1 MPa下，呼吸氢氧时的呼吸散热和对流散热比氦氧分别高出38%和32%，他们提出，氢氧潜水的舒适温度范围应在31.1 ~ 31.6℃。当然，舒适温度的范围最终均以潜水员自身感觉为准。
(五)语音改变
目前对氦语音的研究比较多，关于氢语音的报道不多。在高压氢环境中，人的语音发生明显变化，如音调变高、带有鼻音、语音清晰度明显降低和难以被听懂等。早期瑞典工程师Arne Zetterstrom进行的氢氧混合气潜水实验中，曾遇到语音改变的问题，而且显著影响与水面的语言交流，他后来发生意外死亡就与语音改变有间接联系。
(六)氢对呼吸系统的影响
氢是密度最小的气体，呼吸氢氧混合气时阻力小，因此可减轻呼吸功，减少潜水员体力消耗，有利于提高作业效率。
Dougherzy发现，呼吸纯氧最大通气量相当于呼吸氦氧的40%，其他呼吸指标均发生明显改变，这主要是由于氧的相对密度较高所致，因此推测呼吸氢氧混合气通气量应该更大。但Giry进行4.6 MPa氢氦氧模拟潜水实验中，发现通气功能并没有明显改善，反而有一定程度的降低，可能是高压氢对呼吸中枢的麻醉作用所致。
Dahlback发现，1.3 MPa条件下，呼吸98%氢和2%氧的功能性肺阻抗比呼吸98%氦和2%氧降低35%，这样可减轻呼吸肌负荷，提高大深度潜水员的工作能力。另外，1.3 MPa条件下呼吸氢氧时，肺活量轻度增加，但Giry的实验未发现同样的结果。
(七)氢对循环系统的影响
Gennser等在细胞水平上研究了静水压、氢、氮和氦对大鼠心房率的作用，结果表明，15 MPa静水压使游离大白鼠心房自发性频率减少30.6±7.2%，若灌流高压氢(氢分压：4.9、9和14 MPa)饱和溶液，大鼠心房自发性频率随着氢分压增加而增加。有学者还发现，在减轻心动过缓方面，氮为氢的2倍，而氢为氦的5倍。5 MPa氮和9 MPa氢逆转心动过缓的作用相同。HYDRA V实验表明，氢能对抗静水压的作用。Giry认为，呼吸高压氢氧混合气时，心血管功能出现的变化，可能是氢抑制副交感神经系统兴奋性的结果。
(八)减压问题
氢的饱和和脱饱和时间界于氮和氦之间，氢在机体组织的最慢假定时间单位约300 min。理论和实验研究均证明，在相同的压强-时程条件下氢暴露比氦暴露需要更长的安全减压时间。Michaud(1969)等在动物氢氧暴露实验中采用氦氧方案减压，在减压过程中动物就死亡。1972年Edel在氢氧减压研究中证明，相同压力的氦氧和氢氧暴露，若用同样的氦氧方案减压，氢氧暴露的减压病发病率更高，症状也更严重，提示氢氧暴露用氦氧方案减压不安全。Gardette(1985)在Hydra V潜水实验时发现，氢氧潜水减压时间大约比相同深度氦氧潜水长25%，HYDRA V由4.6 MPa减至2.1 MPa为氢饱和减压，然后逐步转换成氦氧，检查发现转换过程循环系统气泡数量突然增多，再加压0.2 MPa并吸高分压氧混合气，气泡音消失。Hydra V实验的2次450 m减压方案比较表明，从饱和深度逐渐减少氢含量，直到某一深度全部消除氢，比突然大比例减少氢的方案更安全。目前关于氢氧潜水减压还存在很多问题，需进一步研究。
考虑到防火、防爆等安全因素，氢氧潜水的加压和减压阶段需要在一定深度条件下进行等压气体转换，这必然涉及等压气体逆向扩散的问题。Aoust(1981)等用山羊进行实验，结果表明，在0.8 MPa条件下，氢氧饱和后转换呼吸氦氧，腔静脉中出现气泡。关于气体逆向扩散则比较复杂，尚存在许多问题。所以，进行大深度氢氧潜水实验，必须谨慎进行等压气体转换，转换过程必须在舱内，不可在水中作业时进行。
法国著名化学家拉瓦锡是最早命名氢，也是最早研究氢的生理作用的科学家。早在1789年，拉瓦锡和塞奎因曾经将氢作为呼吸介质进行动物实验研究。实验中，拉瓦锡等把豚鼠放入钟形玻璃容器内，使容器中维持生命的氮和氧保持一定量，然后添加氢，豚鼠在容器内呼吸氢氮氧三元混合气，历时8-10 h，未发现氢给机体带来任何不利影响。
1937年，英国Case和小Haldane把氢作为潜水呼吸气进行人体实验研究。他们把人暴露于1.1 MPa压力下，呼吸氢氧混合气5 min，未发现明显的生理变化;1941年前苏联Lazarev等把小鼠加压到9.1 MPa(相当900米海底)，呼吸氢氮氧混合气，停留3 min，尔后经过约1 h的减压，获得成功。这些早期研究初步证明，人和动物呼吸氢氧是安全的。
在美国等开展氦氧潜水实验的早期阶段，由于当时许多国家很难获得足够的氦，潜水员曾尝试其他包括氢混合气的潜水研究，其中最著名的例子是瑞典工程师Arne Zetterstrom进行的氢氧混合气潜水实验。氢氧混合气具有爆炸性，但在氧浓度低于4%时爆炸不会发生。常压下，4%的氧浓度无法维持生命，但在30 m水下，即使4%的浓度氧分压也可以升高到16 kPa，就可以维持机体氧气的需要。1944年，Zetterstrom发明了安全配制氢氧混合气的方法，可将空气转换成低于4%氧的氢氧混合气并能避免发生爆炸。利用这种方法，他配制了氢氧混合气，并应用到潜水中。在30 m深度，Zetterstrom先用含氧4%的氮氧混合气代替空气，然后用同比例的氢氧混合气代替氮氧混合气，采用这种技术，他成功下潜到110 m。在这个深度，他变得异常兴奋，而且发生了明显的语音改变，甚至无法与水面进行电话通讯。
1945年8月7日，为了证明氢氧潜水技术在援救潜艇上能发挥重要作用，Zetterstrom成功进行了161 m的现场氢氧潜水。由于无现成的氢氧潜水减压表，Zetterstrom根据自己的计算把第一停留站确定为50 m。不幸地是，由于错误理解他来自水下的指令，水面支持人员未让他在50 m停留，而是直接将他拉到水面，因为无法及时更换高分压氧的呼吸气，导致发生缺氧和严重的减压病，Zetterstrom为此献出了生命。尽管他死亡的直接原因不是呼吸氢氧，但这次事故直接导致此后多年氢氧潜水研究被中断。
1960年起，美、英、法、苏和瑞典等国再次相继开展氢氧潜水有关的动物实验。尤其是20世纪60年代末至70年代初，氢取代氦作为深海潜水用呼吸气体再次受到广泛重视。这期间的氢氧潜水研究，动物实验达到约1 000 m深度，暴露时间达到24 h。人体实验深度也达到60 m深度，暴露时间10 ~ 20 min。70年代，Edel等进行氢氧模拟潜水实验，除研究氢氧对机体的影响外，还包括氢氧潜水的安全操作程序、减压方案和呼吸气体转换技术等问题。这个阶段最大的收获是发现氢能有效预防高压神经综合症(HPNS这个东东以后再介绍)。
随着海洋开发的不断推进，人们需要更大深度的潜水作业，推动了氢氧潜水研究的深入。在世界范围内，法国在氢氧潜水研究中一直居于领先地位。80年代初，法国COMEX公司开始实施以氢为主体的深海混合气HYDRA(水螅，含氢的意思)潜水计划，包括动物、人体模拟和现场实验，由安全性、医学生理学和潜水设备研制等三部分组成。先后进行了HYDRA IIIVII模拟实验，从75 90 m氢氧常规潜水到520 m氢氧饱和潜水，其中，HYDRA V首次用氢进行4.6 MPa饱和潜水，潜水员完成了机械连接、水下切割和操作等潜水作业任务。
1983年6月，法国COMEX公司开始执行HYDRA计划。1983年由潜水员兼公司总裁Deulaze领导，在位于马赛附近海域进行了91 m的HYDRA III潜水实验，呼吸混合气组成是氢95%氧5%，未发现氢麻醉作用，体热散失效应类似于氦，呼吸阻力低于氦。1983年11月又进行了300 m HYDRA IV人体模拟实验，受试者6人(2名医生，3名职业潜水员，1名工程师)，呼吸氢氦氧三元混合气，比例分别为74:24:2。心理学检查发现，视觉反应时间、计算能力、记忆力等效应均小于80 m空气潜水，且小于98:2，深度为240 m的氢氧潜水。呼吸98:2氢氧混合气时，180 m深度开始出现麻醉，与氮麻醉情况不同，氢麻醉的主要表现为幻觉，麻醉程度也低于氮麻醉。氢氧潜水时心率变化小于氦氧潜水。氢潜水人体模拟实验后，血、尿、神经系统和呼吸功能方面等指标均未发现异常。同时进行了动物氢氧潜水实验，40只小鼠在600 m深度暴露40 h，减至常压后，心、肝和肺等组织学检查未发现异常改变。
1985年5月，Deulaze等实施了HYDRA V实验，受试者分为2 组，每组3人，暴露深度为450 m，这次实验不仅研究了氢的生理作用，还测试了潜水员水下作业能力，同时实验还系统研究了混合气中各种气体比例的问题。结果发现，氢氦氧最佳比例为54:45:1，并发现作业过程中呼吸顺畅，未出现加压性关节痛。
这些系列实验研究进一步证实，氢对机体无损伤作用，同时确立了氢混合气的最佳安全配制比例标准。
1986年11月，Fructus等实施了520 m HYDRA VI模拟潜水实施，8名潜水员参加，在水温为4 ℃的模拟舱内进行了25次模拟作业。实验重点对BOS型头盔式潜水呼吸器等潜水装具进行了测试。
1988年2月，COMEX公司在地中海进行了HYDRA VIII现场氢氧混合气饱和潜水实验。6名潜水员参加。2月21日开始加压，28日到达520 m深度，此后5~6 d，6名潜水员分别在520 m海底进行了多次潜水作业实验。
1989年9月，COMEX公司又进行了HYDRA IX 300 m停留14 d氢氧饱和潜水模拟实验。实验目的包括: ⑴使用氢氧的最小和最大深度限度;⑵长期(49 d)高压氢环境暴露对人体生理功能的影响，⑶长期在压力舱内(73 d)幽禁、隔绝对人的精神行为的影响。完成潜水医学、神经生理、心理、通气和心血管功能、生化、热和体液平衡、减压程序和潜水专家系统等。
20世纪90年代，COMEX公司又相继进行了680 m饱和巡潜701 m(HYDRA X)和750 m (HYDRA XI)人体模拟氢氧饱和潜水实验，750 m是目前人类高压暴露的最大深度记录。目前COMEX已经实施了HYDRA XII实验，深度为210 m，潜水员在此深度下进行28次潜水，其中4次为氦氧潜水，4次为氢氦氧潜水。实验时，在船上饱和舱内，潜水员呼吸氦氧混合气，在海底作业时呼吸氢氧混合气。实验探讨了现有设备用于氢氧潜水时的可行性和水下呼吸气体转换时闭式呼吸系统(由氦混合气转换为氢混合气)的情况。每次潜水持续2~6 h，呼吸氢氧混合气时，潜水员思维分析能力和作业能力均正常。实验结果证明，在中或大深度潜水中氢是一种最佳呼吸介质，“舱内用氦—舱外用氢”(在船上饱和舱内，潜水员呼吸标准的氦混合气;在海底作业时，他们呼吸氢混合气)的新颖潜水技术是完全可行的。采用这项新技术，原来所有能实施氦氧混合气大深度潜水作业系统只需简单改装，即可使用氢作为呼吸介质。
在HYDRA计划中，Gardette还用110只小鼠进行了实验，实验采用氢氦氧混合气，在2 000 m条件下连续暴露12 d(含加减压时间)，获得成功。发现用氢氧对小鼠加压时，加压到1 800 m时出现HPNS，而使用氢氦氧混合气时小鼠状态良好。
近年来，氢氧潜水逐渐引起许多国家的密切关注。美国海军研究了高压氢对人体的生理作用，认为氢对机体无害，同时还认为氢不仅能够有效减少高压呼吸阻力，也可以减轻HPNS。美国科学家还开展了一项与氢氧潜水有关的特殊实验课题：氢氧潜水的生物学减压方法。产甲烷细菌是一种能把二氧化碳和氢转变成甲烷和水的细菌，能够迅速降低体内的氢分压，应用这个原理加快氢氧潜水减压，据Kayar (1998)报道，用大鼠进行实验发现，在动物肠道注入甲烷细菌能有效缩短减压时间，而且能降低减压病的发病率。更为重要的是，进一步研究发现，这种细菌属于正常肠道细菌，正常情况就能在一定程度缩短减压时间。
