拿自己身體冒險做實驗的人：霍爾丹父子

特雷弗·諾頓[英]

在科學史上，提及為了科學探索勇于拿自己身體做實驗的人，必然要說到霍爾丹父子——約翰·斯科特·霍爾丹（1860—1936）和J.B.S.霍爾丹（1892—1964）。

約翰·斯科特·霍爾丹

約翰·斯科特·霍爾丹是英國著名的生理學家，“空氣質(zhì)量對人體健康有何影響”，這一問題讓老霍爾丹很是著迷。他分析了貧民窟、工廠和下水道的空氣，通過比較，發(fā)現(xiàn)學校的空氣還不及下水道的好。這個工作也不是沒有風險。為了收集空氣樣本，他曾爬下污水處理場的坑道，而就在那里，幾小時前有5名工人剛被硫化氫氣體奪去了生命。

之后他又潛行進入了倫敦地鐵，通過一根管子吸取空氣樣品。正因為他發(fā)現(xiàn)地鐵空氣中有毒的一氧化碳氣體含量十分之高，催生了倫敦地鐵的電氣化改革。

尋找奪命氣體的最佳場所要數(shù)煤礦。當時，地下爆炸司空見慣，而每有災難發(fā)生，老霍爾丹總是一把抓起礦工帽拔腿就往現(xiàn)場沖去。他給太太發(fā)電報讓她放心，可電報上的話前言不搭后語，讓家人看后更加確定他正在接觸這樣或那樣的毒氣。

老霍爾丹能憑氣味識別出大多數(shù)氣體。某礦井爆炸后，他湊在排放礦內(nèi)有毒氣體的通氣管管口辨認毒氣。排出的氣體未經(jīng)空氣稀釋，他一吸之下便喘氣不止，臉色發(fā)青?！笆翘妓??！彼嫉馈＝又?，他又湊上管口吸了兩次來確認剛才的判斷。

老霍爾丹發(fā)現(xiàn)，礦井事故的受難者大多并非如人們猜想的那樣死于爆炸，而是因為缺氧或吸入一氧化碳窒息而亡。為了檢驗一氧化碳的毒性，他一邊吸入一氧化碳一邊記錄自己的癥狀，同時給自己抽血分析血樣。等到他難以支撐時，試驗停止，他的心跳也差點停止。此時他血液中一氧化碳的飽和程度僅比遇難礦工低4%。

他之所以能這樣冒險還是因為他的實驗同伴——小鼠。這種小動物的呼吸頻率很高，肺部氣體和血液的交換速率很快，比人類快近20倍。因此，鼠類對有毒氣體的敏感性也差不多是人類的20倍。

在他的實驗中，人鼠共享由空氣與一氧化碳混合的有毒氣體。不到一分半鐘，小鼠就撐不住了，呼吸正常空氣后才恢復過來。而老霍爾丹支撐了半小時后終于表現(xiàn)出與小鼠一樣的癥狀，出現(xiàn)癥狀的時間比小鼠晚了20倍。而代謝率更高的小鳥對毒氣的敏感程度會更甚于小鼠。在這一研究結(jié)果的指導下，礦工們開始把金絲雀帶到礦下，用作指示空氣質(zhì)量的早期示警。

老霍爾丹還總結(jié)性地指出，肺塵病是由吸入塵埃導致。很多時候，諸如此類的實際問題正是老霍爾丹開展生理學研究的出發(fā)點，而他的工作成果也極大地降低了那些高危職業(yè)要遭遇的風險。

老霍爾丹把自己家閣樓改建成了帶有氣密室的實驗室，在那兒研究各種氣體的作用。有時候他會叫來自己的女兒內(nèi)歐米，關(guān)照她留神注意爸爸的情況，一旦暈倒，要把毒氣排出，把人拖出氣密室，做人工呼吸。內(nèi)歐米那時只有12歲。

1906年，老霍爾丹受命研究深水潛水的生理學，于是他轉(zhuǎn)而關(guān)注高壓對人體的影響。當時英國海軍部很關(guān)切的一個問題是：很多潛水員在上升時會出現(xiàn)減壓癥，失去知覺或四肢癱瘓。在經(jīng)過計算并用山羊做了一些實驗后，霍爾丹把海軍潛水員志愿者送到了水下。當時允許的最大水深是30米，而他們幾乎到達了這一深度的兩倍。此后，潛水的水深世界記錄被一次次不斷刷新。老霍爾丹建立了第一份指導潛水員安全返回水面的減壓表。他還創(chuàng)建了“霍爾丹原則”，所有的減壓表都以該原則為基礎(chǔ)。經(jīng)他確定，潛水員可以安全上升到最大水深的一半距離。之后必須一級級朝水面上升，在規(guī)定的水深處停留一段時間，把高壓條件下累積在體內(nèi)的氮氣呼出體外后才能繼續(xù)上升。

1915年4月，德軍發(fā)動了第一次毒氣戰(zhàn)。他們釋放出168噸氯氣，致命的毒氣形成綠色云團朝同盟國軍隊飄去，速度之快讓人難以逃脫。此時已任大法官的理查德·霍爾丹要求弟弟查明德軍用的是什么毒氣，并為軍隊設(shè)計防護裝備。于是約翰·霍爾丹教授奔赴法國，參加在第一次毒氣襲擊中受難的士兵的尸檢。他判斷死因是吸入氯氣，因為他自己曾經(jīng)“在連接漂白工廠的下水道中有過一次可怕的個人經(jīng)歷”。

霍爾丹與兩位化學家在充滿致命氯氣的氣密室合作，測試剛有了雛形的防毒面具?？諝庵心呐轮挥?.1%的氯氣，都會讓人難以呼吸，還會強烈地刺激眼睛?；魻柕さ呐畠簝?nèi)歐米與他家房客奧爾德斯·赫胥黎把羊毛織物扯碎，填充進防毒面具內(nèi)，給他們測試吸收毒氣的效果。他們還試了襪子、西裝背心、內(nèi)歐米的睡帽以及赫胥黎的圍巾。為了尋找合適的化學吸收劑，他們把廚房翻了個遍。

另一方面，由于不斷有士兵死于毒氣襲擊，霍爾丹想出了一個應急的法子，讓士兵們在戰(zhàn)場上臨時制作簡易的防毒裝置：用手帕裹住泥土，或是把濕布塞進敲掉了底部的瓶子里，這些簡陋的過濾器可以一定程度地保護肺部。浸了亞麻籽油的紗布則可以用來防護眼睛，讓士兵們不至于完全看不清。

老霍爾丹在法國也建了一間帶氣密室的實驗室。“小白鼠”有老霍爾丹本人、一位從礦井研究時期就跟隨老霍爾丹的助手，以及暫時從自己部隊過來幫忙的兒子小霍爾丹。他們幾人測試了不同濃度的氯氣在帶或不帶防毒面具時的影響。氣密室里還有一個健身用的轉(zhuǎn)輪，為的是讓他們確認戴著防毒面具逃跑也不會有問題。小霍爾丹后來這樣描述他們的演習：“每當我們中有人因為吸入太多毒氣而使肺部充分過敏，另一個人再頂替上陣。有的人因此不得不臥床數(shù)天，我則是呼吸變得十分短促，有大約一個月時間無法跑動?！?/p>

最終，霍爾丹他們設(shè)計出了有效的防毒面具。很快，防毒面具以一天7萬只的速度生產(chǎn)出來。

內(nèi)歐米認為，父親的肺在那段時間吸入毒氣后一直不曾完全康復。老霍爾丹在75歲時垮下來，發(fā)展成肺炎。他被罩在氧氣帳下，這也是他過去的一項發(fā)明。他倡導了利用氧氣減輕受損肺部痛苦的方法。約翰·斯科特·霍爾丹與世長辭時，臉上還帶著饒有興趣的表情，仿佛仍在監(jiān)測重要的生理學實驗。

在他去世的3個月后，《泰晤士報》登出了他生前要做的公共演講的通告，題目是《奇跡》。

就像戰(zhàn)士要“為取得勝利不畏犧牲不怕受傷”一樣，老霍爾丹寧可拿自己做實驗?；魻柕ぜ易宓淖毅懯恰笆芸嗍茈y”。內(nèi)歐米幼時重重摔了一跤后哇哇大哭，她父親明確告訴她這是“勇氣守則所嚴格禁止的”。老霍爾丹也并非膽量無限。他恐高，也不敢學游泳。但科學家的好奇心與幫助同胞的愿望結(jié)合在一起催生了勇氣。他又把勇氣傳給了兒子小霍爾丹。

J.B.S.霍爾丹

小霍爾丹自小智力出眾。有一次外出考察，老霍爾丹發(fā)現(xiàn)大家忘帶對數(shù)表后說：“沒關(guān)系，小霍爾丹能給我們算出張對數(shù)表來?！?/p>

小霍爾丹也成為了他那個時代深具影響的生物學家，為人類遺傳學和群體遺傳學奠定了基礎(chǔ)。他還將遺傳學與達爾文的自然選擇結(jié)合在一起創(chuàng)立了現(xiàn)代演化生物學。1938年，小霍爾丹追隨父親的腳步當選為英國皇家科學學會的會員。這一年他46歲。

他那顆精力充沛的頭腦又思考起即將與納粹德國展開的沖突。

二戰(zhàn)爆發(fā)的3個月前，他的機會來了。當時，英國海軍的皇家潛艇“西提斯”號在利物浦灣做潛水試驗，因為誤把魚雷發(fā)射管的前后蓋子都打開而失事沉船。盡管船體完整，艇尾翹起伸出水面，108名船員中卻只有4人生還。船員們生怕海面上并無救援（事實也確實如此），所以沒有及時棄船，未能成功脫險。遇難者中近半數(shù)是機械工，是普通老百姓，因此工會請求小霍爾丹在公開聽證時代表他們的利益。

小霍爾丹和幾個同事一起，把自己鎖在鋼制的加壓艙內(nèi)，模擬被禁閉在失事潛艇內(nèi)的效果。他們在里面待了14.5個小時，隨著二氧化碳濃度升高，他們越來越虛弱無力，無法帶上戴維斯?jié)撏撾U呼吸器。

這讓小霍爾丹深刻體會到被困水下是多么可怕。他認為生理學家最好去研究研究人在致死的異常環(huán)境下會受到什么影響。

他向海軍部力陳，為了提高失事潛艇船員的生還可能，需要研究人在高壓下呼吸逐漸惡化的空氣時會作何反應。海軍部被他說動，因此他成為少數(shù)幾個為陸軍部執(zhí)行秘密研究的正式共產(chǎn)黨員之一。

他招募來國際縱隊的4名成員（因為他們在受到壓力時能保持冷靜）、私人秘書以及一名研究生（后來成了他妻子）?；旧厦看螌嶒灲Y(jié)束時都有人發(fā)病、流血或嘔吐。小霍爾丹則會說：“好，為圖表貢獻了一個數(shù)據(jù)。”

他們做實驗的地方被稱為“壓力鍋”，這是一個鋼制的密閉艙，看上去像側(cè)倒的鍋爐，長2.4米，直徑1.2米。里面能擠進兩三個人，但人在里面直不起身來。實驗受試者既沒有燈也沒有電話，以特定節(jié)拍敲打外壁或從小舷窗傳遞信息的方式交流。

他父親把壓力鍋叫做“恐怖艙”。原因顯而易見。當氣體壓縮，艙內(nèi)會變熱，這跟你給自行車輪胎打氣時氣筒會發(fā)熱是一樣的。小霍爾丹拿折起的報紙當扇子扇，報紙卻被扯碎了，因為空氣的密度很大，在這么大密度的空氣中連綠頭蒼蠅也飛不起來。而在減壓時，潮濕的冷空氣讓艙內(nèi)充滿霧汽。幾個禮拜后，小霍爾丹的腕表慢慢停走了，原來表內(nèi)的主發(fā)條已不堪鐵銹的重負。妻子又給他買了塊氣密手表。他戴上后第一次做加壓實驗時表面就被壓壞了。

變換氣壓的速度有時也會造成問題。小霍爾丹的最快“潛水”速度是90秒鐘從1個大氣壓到7個大氣壓，壓力變化相當于引航員以兩倍音速垂直下潛?？焖佟吧细　备游ｋU。在他快速上浮時，一顆補過的牙齒發(fā)出了尖銳刺耳的聲音并爆炸開來，原因是氣泡跟不上這么快的上升速度。在幾次快速減壓實驗中，一位同事的右肺發(fā)生萎陷。幸好沒有兩肺都發(fā)生萎陷，否則他就沒命了。

在當時，要在相當于60米水深的壓力下工作，需要具備技術(shù)能力和專業(yè)技巧。小霍爾丹團隊的模擬潛水達到了120米之深，接近當時可以想象的最深水深。他們的研究改變了潛艇脫險的步驟，并把66米確立為脫險、下潛時安全使用壓縮空氣的深度下限。

戰(zhàn)時各種新問題層出不窮，而且這些問題亟待解決。蛙人和水下騎士（人操魚雷的駕駛員）用的是循環(huán)式氧氣呼吸器，因為這種設(shè)備不會產(chǎn)生暴露形跡的氣泡。于是，小霍爾丹的隊伍又研究了高壓下氧氣對人體的影響。這項研究需要完成有史以來最累人的潛水實驗方案——在毒性環(huán)境中潛水千次以上。氧氣，是支撐這個星球幾乎所有生命的氣體，但它在受壓時對人體有毒性，會引起惡心、麻痹和抽搐，抽搐嚴重時還會造成骨折。

氧中毒有其特有的危險，其一是發(fā)作時間難以預料。同一個志愿者，在3個大氣壓的壓力下，這一次能撐85分鐘，下一次卻只能撐13分鐘。經(jīng)小霍爾丹他們確認，深于18米時呼吸純氧是危險的。

英國海軍部當時引進了小型潛艇，要讓潛水員待在這么小的船體內(nèi)長距離潛行，并且出艙潛到敵船外安置水雷然后重回潛艇內(nèi)，有可能嗎？海軍部請小霍爾丹對此展開研究。盡管厭惡潛艇，小霍爾丹和他的忠實搭檔馬丁·凱斯還是把自己關(guān)進了鋼制的小型潛艇模型中，沉到了樸次茅斯港的海底，兩人就像是“裝在罐頭里的蝦醬”。這一次他們得出的結(jié)論是：一筒氧氣可以讓小型潛艇的全體船員舒服地活上3天，不換空氣的情況下也能潛水12小時。當然，小霍爾丹所謂“舒服”的概念和你我是很不一樣的。后來，他為爭取去北冰洋水下行走，還在10個大氣壓的條件下潛入0℃的水中作為預演。這些實驗為英軍后來成功突襲德軍戰(zhàn)列艦“提爾皮茨號”鋪平了道路。

1943年，英國陸軍部提出登陸日要先由“蛙人”掃清水雷和海岸工事。為了避開水下爆炸，潛水員需要快速浮出水面。要想能較快地浮到安全位置，潛水員最好呼吸由空氣和氧氣組成的混合氣。其中的訣竅在于混合氣體的比例：空氣太多，會得減壓癥;氧氣太多，則會受痙攣之苦。于是小霍爾丹和妻子兩人在自己身上施加了相當于水下21米深的壓力，試驗不同的氣體混合比例。他們倆的實驗顯示，原本根據(jù)減壓表需要花47分鐘浮出水面，按他們的程序只要2分鐘就能安全上浮。1944年，就在諾曼底登陸的前一天，有120名排除水下障礙的“蛙人”帶著小霍爾丹他們試驗成功的混合氣體。

除此之外，為取得戰(zhàn)爭勝利，小霍爾丹所做的貢獻還包括核查德國人近期發(fā)表的全部科學論文，為英國皇家空軍提供有關(guān)炸彈瞄準設(shè)備的建議。小霍爾丹還開展了許多統(tǒng)計學研究，涉及的內(nèi)容包括對傷亡人數(shù)的解讀，擊落德國V-1飛彈的最佳策略等等。

1964年，小霍爾丹被診斷出長有惡性腫瘤。他動了手術(shù)后沒過幾個月，科學界失去了一位極賦天賦與勇氣的成員?；魻柕じ缸佣及堰z體獻給了醫(yī)學教學研究。說來，為了這個目標，他們都在有生之年盡情使用了自己的身體。

（摘自科學出版社《冒煙的耳朵和尖叫的牙齒》 ? 作者：[英]特雷弗·諾頓 ? ?譯者：朱機）