氧气毒性的发现

2014年07月10日

 

氧气是需氧生物生存不可缺少的物质,但任何事情都有两面性,氧气也不例外,氧气对生命十分重要,但也有非常强的毒性。根据氧气分压的不同,可以分为慢性和急性氧中毒。几乎所有的细胞都可能会受到氧气的毒性损害,从某种意义上讲,生物早起进化就是和氧气毒性斗争的历史,尤其是从厌氧生物向需氧生物进化过程中最为典型。

一、氧的毒性

(一)急性氧中毒

英国人普利斯特里最早收集到氧气,也是最早提出氧气可能有毒性的科学家。1774年8月,普利斯特里用透镜加热氧化汞,获得氧气。随后普利斯特里发现,物质在这种气体里燃烧比在空气中更强烈,于是他称这种气体为“去燃素空气”。随后普利斯特里也尝试呼吸这种气体,因此虽说普利斯特里不属于氧气的真正发现者,但他肯定是人类第一个吸氧的人。有文献上说他呼吸后感觉很不错,因此他认为这种气体将来会称为奢侈品被有钱人呼吸,但他又根据蜡烛在这种气体环境中燃烧速度加快的道理提出,动物在这种气体环境中,和蜡烛一样,生命物质消耗的速度也会加快。因此他担心这种气体可能会加快生命进程,或者说存在毒性。可以说他在科学上具有很强的前瞻性,因为人类真正确定氧气的毒性发生在100年后。

法国著名气体生物学家Paul Bert是人类历史上第一个发现并系统研究氧气毒性的科学家。在他1887年发表的《气压生理学》著名专著中,详细描述了氧气的毒性,也是他最著名的科学发现之一。

PaulBert(1833.10.17-1886.11.11)

PaulBert是气体生物学研究的鼻祖,这里对他进行比较详细的介绍。Paul Bert出生于法国欧塞尔。他因为希望成为工程师,就读于巴黎综合理工学院,后改变主意学法律。最后受动物学家Louis Pierre Gratiolet(1815–1865)影响,又攻读生理学,师从法国著名生理学家Claude Bernard,并成为Bernard教授的最得意门生之一。Bernard教授曾被哈佛大学称为人类最伟大科学家之一,是最早提出盲法研究的科学家,生理稳态研究的奠基人。

1863年Bert从巴黎大学获得医学博士学位。1866年被任命为波尔多大学生理学教授,1869年被任命为巴黎索邦大学生理学教授。公社巴黎事件后,Bert参加了支持甘必大的政党。1874年Bert被选举为国民大会代表,1876年他进入法国众议院。他强烈反对法国敬圣职者主义,坚持否定宗教,是彻底的无神论主义者,他也是强调全民自由平等法国启蒙思想的坚定倡导者。1881年11月到1882年1月(不足100天),他曾担任短命的甘必大内阁的教育部长,1881年,他在巴黎剧院的一场关于评论现代天主教的演说引起举国轰动。演讲中,他对法国一些教会会长的愚蠢行为进行了嘲讽。1886年,他在越南河内死于痢疾。

作为科学家的Bert,比作为政治家的Bert更受世人尊敬,他在气体生物学效应的贡献,可以比喻为牛顿在力学上的贡献。Bert最具有代表性的学术著作是1878年出版的《气压生理学》(La Pression barometrique),这是关于气体压力变化以及生理学效应的经典和奠基性著作,这部著作汇集了他用1875年从法国科学院获得的2万法郎奖励开展的研究,主要是对空气等气体,包括低压和高压下的生理学效应的综合研究。

中枢神经系统氧中毒,就是在这一著作中首次被描述的,所以有时候把中枢神经系统氧中毒称为Paul Bert效应,就是为纪念Bert教授的贡献,这也是人类第一次系统证明氧气有毒性。在关于氧气毒性的研究中,他发现氧气对昆虫、软体动物、蚯蚓、真菌、发芽的种子、鸟和其他各种动物都有毒性。除氧气毒性研究外,他曾经研究过植物嫁接,动物组织分类,以及各种有毒物质及窒息等的生理学效应。在植物生理学方面,他研究过各类光线对蔬菜生长的影响。1880年后,他撰写了许多科学研究指导、教育和交叉学科等方面的著作。

中枢神经系统氧中毒或者Paul Bert效应,也有人叫急性氧中毒,是人或动物短时间呼吸几个大气压高分压氧气,产生的以中枢神经系统功能紊乱为特征的氧气毒性效应。人和哺乳动物中枢神经系统氧中毒最具有代表性的变化是癫痫大发作。感谢Paul Bert早在1878年就认识到中枢神经系统氧中毒,所以在进行接触高分压氧气,如潜水呼吸高压氧过程中,人们采取主动回避的方法,因此人类这种疾病极少发生。

如果说Paul Bert发现的急性氧中毒是在高压这种特殊情况下,那么随后发现的慢性氧中毒就和我们日常生活,尤其是临床呼吸氧气的情况密切相关了。

人类总是对未知现象充满好奇,甚至会亲自尝试危险。但生理学领域这方面最典型的科学家代表非John Scott Haldane (1860年5月2日-1936年3月15日)莫属。Haldane是苏格兰生理学家,他最著名的就是经常冒险对自己进行生理学实验,他也给人类生理学研究带来了许多贡献,尤其是关于气体生物学效应研究,是继Paul Bert后最杰出的人物。在开展呼吸功能研究中,他发现了血红蛋白的Haldane效应。

Haldane不仅用自己身体做实验,甚至把他年轻的亲生儿子J. B. S. Haldane(小Haldane)作为小白鼠开展研究,用当前人们的看法,这显然不符合伦理学原则。有一次Haldane将自己关在一个密封的舱内,呼吸可能会致命的有毒混合气体,亲自记录这些有毒气体对身体和精神的影响。Haldane曾多次到矿难现场调查事故原因。

第一次世界大战期间,由于德国军队在战场上使用有毒气体,Haldane到拜见当时的英国国务卿劳得基奇纳,要求负责鉴定出德国军队使用的什么有毒气体,利用这次机会,Haldane发明一种防毒面具。小Haldane后来也成为著名的科学家,父子两人在潜水医学领域的研究让他们成为潜水医学的奠基人。

作为潜水医学研究专家,他最重要的贡献是在1907年提出的潜水减压理论。根据他的减压理论,他建立了阶梯式减压的现代潜水减压方案,并汇集成潜水减压表,这一杰出贡献大大提高了潜水工作效率和安全性。现在的潜水作业,仍是以Haldane减压理论为基础。他的儿子小Haldane经尝试在高压下呼吸氧气,并发生了癫痫大发作,也算是亲身冒险尝试高压氧毒性的英雄。这也是第一次关于人类急性氧中毒的文献记录。

关于氧气毒性的研究,另一位著名科学家是Haldane的同事James Lorrain Smith(1862年8月21日-1931年4月18日),Lorrain Smith开始本来学习艺术,1889年毕业于爱丁堡大学医学院,后师从剑桥大学病理学家John Lucas Walker教授学习病理学,曾在Christian Bohr实验室学习过血液气体分析技术,1901年被贝尔法斯特皇后学院聘为教授,1904年成为曼彻斯特大学病理学教授,

LorrainSmith教授和Haldane教授合作开展呼吸生理学研究,尤其是针对血液运输氧气的功能。1897年,正好在急性氧中毒发现后20年,Lorrain Smith报道了氧气的慢性毒性,他发现动物连续呼吸高浓度氧气(空气中氧气浓度为21%,超过50%就可以产生毒性),这种慢性毒性主要表现在肺组织,特征类似于肺炎。为纪念Lorrain Smith教授的贡献,这种氧气的慢性肺型毒性被称为Lorrain Smith效应。

开始科学家发现氧气具有毒性,似乎只针对大脑和肺组织,其实随着研究的深入,科学家逐渐发现,氧气的毒性广泛存在,几乎对所有的组织器官都有毒性,这种现象尤其是在体外培养过程中,只不过大脑因为血流丰富,肺组织是直接接触外界环境,是氧分压最高的组织,才成为最容易发现存在毒性的器官。这里强调一点,我们普通进行体外细胞学培养时,细胞培养液其实是暴露在空气中,氧气的分压远远超过大多数细胞在体内的实际情况,这并非真正的生理条件。

在各种组织氧中毒中,眼氧中毒比较特殊,因为这种类型曾经引起大量早产儿失明,但由于发病隐蔽,开始并没有引起临床上注意。有人发现,早产儿容易发生失明,多年后才发现早产儿失明和出生后呼吸氧气存在很大相关关系,才意识到早产儿失明的原因可能是出生后呼吸纯氧。早产儿视网膜对氧气毒性非常敏感,导致视网膜病变导致视力丧失。

虽然氧气存在毒性,但氧气治疗疾病作用也一直被人们关注,目前呼吸高压氧治疗疾病已成为治疗一氧化碳中毒、气体栓塞、潜水减压病等疾病最有效的手段,而预防或避免氧中毒最有效的方法就是主动回避,方法包括限制压力和持续呼吸时间,或者间隙性呼吸的方式。

 http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-805487.html