深海から宇宙まで、液体を呼吸する

3億8000万年前、魚類が陸に上がるようになりました。長い自然淘汰の期間を経て、彼らの一団は複雑な迷路の中で人間へと進化した。人類は間違いなく地球の黄金時代の王です。地球上には私たちがまだ到達していない島はありません。しかし、私たちの独特な生理学的構造により、私たちは気体環境でのみ生存できるようになっています。私たちは魚のように液体の中で呼吸する能力を失ってしまいました。深海に定住するよりも、私たちは宇宙に移住することを好むようだ。しかし、液体を吸いたいという欲求が海だけに関係するものではなく、宇宙に飛ぶのにも役立つというのは、少し変わっているように思えます。

パイオニア

人間の呼吸は非常に単純な拡散プロセスです。空気中の酸素は肺によって血液に吸収され、代謝によって生成された二酸化炭素は肺から空気中に輸送されます。この吸入と呼気によって呼吸プロセス全体が完了します。空気と比較すると、水中の溶存酸素は悲しいほど少ないです。正常な生命を維持するためには、少なくとも毎秒45リットルの水を吸い込んで0.05グラムの酸素を取り出す必要があります。人間の肺は高圧水ポンプではないので、当然ながらこのような「暴風吸入」は実現できません。しかしすぐに誰かが、溶存酸素含有量の高い液体を使用すれば、一回の呼吸で酸素需要を満たすことができるので、その液体で呼吸できるということなのかと考えたのです。

これを検証するために、1962年に科学者たちは大量の酸素を溶かした生理食塩水の中にマウスを閉じ込めました。液体を排出するのはガスを排出するよりもはるかに困難でしたが、マウスは酸素を吸収することに成功しましたが、二酸化炭素を排出するのに困難に直面しました。生理食塩水は二酸化炭素を溶解する性質が悪く、呼吸によって生成された二酸化炭素が肺に蓄積したのです。かわいそうなジェリーは、呼吸性アシドーシスで亡くなるまで、ほんの数分しか生きられませんでした。 4年後、科学者たちはパーフルオロカーボン有機液体（以下、PFC）を発見しました。この液体には驚くほどの量の溶存酸素が含まれているだけでなく、生理食塩水よりもはるかに多くの量の溶存二酸化炭素も含まれています。今回、小さなジェリーは20時間生きました。

小さなジェリーは下層の PFC 液を吸い込んでいましたが、上層の水にいる小さな魚たちは何が起こっているのか全く知りませんでした。画像出典: Researchgate

条件が未熟であるように思われたが、1969年に米国海軍は液体呼吸に関する人体実験を実施した。優れた肺活量を持つダイバー、フランシス・J・ファレイシックは、酸素を含んだ塩水とPFCを同時に呼吸した歴史上初の人物となった。しかし、実験は完全に成功したわけではありませんでした。当時の技術では肺から水分をすべて排出することができず、肺に残った水分が原因で肺炎を発症した。

デューク大学は、水中での液体呼吸の戦術的応用の可能性を考慮して、1977 年に「人間の液体呼吸の実現可能性」と題する報告書を米国海軍に提出し、海軍は 1980 年に試験演習を開始しました。海軍特殊部隊 SEAL は、初めて PFC での液体呼吸を試みました。全体のプロセスは非常に骨の折れる作業で、数人のダイバーが「息を切らして」肋骨を骨折するほどでした。

現在まで、液体呼吸技術は大きな進歩を遂げたとは言い難い。いくつかの液体換気技術は医療に効果的に使用され、肺機能に異常のある患者の呼吸状態が改善されましたが、海上での実際の生活にはまだ程遠い状況です。今のところ、液体の吸入と排出を容易にするために、PFC よりも軽くて粘性の低い液体が必要です。しかし、私たちが今日のテクノロジーの海の表面に留まっていると、近視眼的思考のせいで何千マイルも離れたところに潜む底流を感じ取ることができないかもしれない。これからは、先駆者たちが達成した技術レベルに限定せず、一歩進んで、先進的な思考で未来を想像してみましょう。液体に浸すだけで​​、深海から宇宙までの設計図がゆっくりと明らかになります。

波の下で

地球温暖化に伴い、北極や南極の氷河が溶け、海面が年々上昇し、沿岸都市は洪水や台風の襲来の危険に直面しています。土地の埋め立ては長期的な解決策ではない。しかし、後退を前進に変え、海に直接住むことができれば、海水浸しの問題を永久に解決することができます。この考えは決して皮肉なものではありません。水中での生活は環境崩壊の問題に対する論理的な解決策です。もし人類が海面下50メートルで生活できれば、南極大陸と同等の陸地面積がさらに得られることになる。さらに、水中の環境は伝説ほど危険ではありません。火災は発生せず、地震の威力は限られており、嵐や津波が水中に影響を与える可能性は低いのです。

「歴史は繰り返され、人類は再び生活のために海に進出せざるを得なくなるだろう。」

—アリスター・ハーディ、海洋生物学者

海洋都市の構想。画像ソース: AI生成

肺呼吸をする動物のすべてが水に慣れていないわけではありません。アシカやアザラシは肺を丸めて深海に潜ることができますが、人間の肺はそこまで弾力性がありません。深海の圧力により肺腔構造が過度に圧縮され、大規模に破裂して窒息を引き起こします。圧力に耐える能力により、人類の海洋探査は制限されてきた。フリーダイビングの最深度の世界記録はニュージーランド人のウィリアム・トゥルブリッジが保持している。 2010年、スキューバダイビングやフィンなどの補助器具を一切使わず、一呼吸だけで大西洋の海底116メートルまで潜った。水深116mの水圧により肺の中の空気中の窒素が脂肪成分や神経組織に圧縮され「麻酔」のような窒素酔い効果が生じ、圧縮された肺は浮上時に過剰に膨張し空気塞栓症を引き起こします。

深海の圧力を克服するための一つの方法は、ダイビングスーツに呼吸可能な酸素を豊富に含んだ液体を満たし、その液体の中に人を浸して圧力耐性を高めることです。このアプローチを理解するには、海に沈んだ気球を想像するだけで十分です。風船を膨らませると、浅瀬では水圧で破裂してしまいます。しかし、気球に水を入れておけば、地球の最深部であるマリアナ海溝に置いても気球の形は変わりません。その理由は、水は圧縮できないからです。マリアナ海溝の水の密度は、地表水よりもわずか 5% 高いだけです。そのため、深水環境で液体に完全に浸かった人の場合、静水圧が人体の組織構造と表面に均等に作用し、体の内部と外部の圧力が同時に増加します。肺の内外の圧力差が均衡すると、肺は圧迫されにくくなり、非常に高い負荷に耐えられるようになります。この時、人間は深海動物と同等の超高圧耐性を持つことになります。

体が透明な軟組織でできている謎の花火クラゲは、水深1,000メートルの水圧にも耐えられる。画像出典: wiki

空の上

私たちの足元にある青い惑星は、太陽系で唯一の母なる惑星です。しかし、太陽系内の太陽以外のすべての物質を合計しても、その総質量は太陽の 1% 未満です。天の川銀河には太陽のような星が少なくとも 1000 億個あり、その数は地球上に生きてきた人類の総数に等しい。光が地球の周りを回るにはわずか 0.133 秒しかかかりませんが、既知の宇宙の端に到達するには 460 億年かかります。未知、未解決の問題、未完の仕事の広大さと深さは、私たちの実際的な理解能力をはるかに超えています。未来学者たちは、人類の生存は宇宙で生き残る能力にかかっていると長い間認めてきた。

「人類の未来には2つの選択肢がある。宇宙に飛び出して複数の惑星に住むか、大量絶滅が起こるまで故郷の地球に閉じこもるかだ。」 - スペースXの創設者、イーロン・マスク

想像上の多惑星植民地化。画像ソース: AI生成

宇宙探査を行うには、特に任意の距離に素早く到達するためには、高G加速についての話を避けることはできません。 「三体」に登場するスター級戦艦の「フォワード フォー」推進を例に挙げてみましょう。120G の加速下では、0.5 秒後には地球上のどのレーシングカーよりも速い速度になります。 7秒後には東風41大陸間戦略核ミサイルの速度と同等になります。 14 秒以内に、太陽の重力から逃れるための脱出速度に達することができます。

しかし、人体の空洞構造が深海の水圧に耐えられないのと同様に、非常に高い加速度負荷にも耐えられません。一般人は 2 ～ 4G の加速負荷に耐えることができ、訓練を受けたパイロットは 8 ～ 9G に達することができます。人間の身体が極度の加速に耐えられるかどうかについては、歴史上、実験が行われてきました。 1954年、空軍パイロットのジョン・スタップは特別なロケットに乗り込み、5秒以内にほぼ音速まで加速し、最大46.2Gの加速負荷に耐えました。この加速負荷はほんの一瞬しか続かなかったが、ジョン・スタップは多数の肋骨を骨折し、体中の多くの血管が破裂し、網膜が剥離した。彼はすぐに病院に運ばれた。その後、人々が彼にこの実験についてどう思うかと尋ねると、この盲目の男性はこう答えた。「この実験で得た最大の収穫は、盲導犬と盲導棒です。」このような平静さと気楽さは、スタップ氏が死を恐れていなかったことから生まれたものだった。実験が始まる直前、彼は胃の中に食べ物があると解剖学に影響が出るという理由で、他の人から渡されたドーナツを拒否した。

深水圧に耐えるために液体に浸すのと同じように、加速荷重に耐えるためにそれを使用するのは自然な考えです。液体は圧力伝達性能が良好です。完全に液体に浸かった人の場合、加速荷重の影響は内側と外側で均一になります。人体の構造上、局所的な力や圧力の差はありません。体全体の圧力勾配が非常に均一であるため、過負荷の影響が大幅に軽減されます。液体浸漬を利用して高G加速を実現するというアイデアは、いくつかのSF作品でも言及されています。中国の読者に最もよく知られているのは、劉慈欣の『三体』で乗組員が潜入した深海の状態である。

「最高推進力のとき、宇宙船は120Gまで加速し、その結果生じる超過重量は、通常の状態における人体の限界の10倍以上になります。このとき、深海状態に入る必要があります。つまり、キャビンを「深海加速液」と呼ばれる液体で満たします。この液体は酸素が豊富で、訓練を受けた人員は液体の中で直接呼吸することができます。呼吸の過程で、液体は肺を満たし、次に各臓器に順番に満たされます。

——「三体2 暗い森」

この深海状態をうまく実現するには、加速流体は安全な呼吸の要件を満たすだけでなく、人体とまったく同じ平均密度を持つ必要があります。人体の密度が液体の密度よりも低い場合、加速中に人体は後部隔壁に押し出され、その逆も同様です。隔壁が人体に与える力は均一な圧力の静水圧ではないため、一度隔壁に張り付くと、深海モードに入らずに直接加速した「三体問題」の乗組員のように、局所的な圧力差によって隔壁上で薄いシート状に押しつぶされる可能性が非常に高くなります。

深海状態に入るときの加速度は無限大にはなれません。加速度が高すぎると、「差動遠心」現象が顕著になるからです。差動遠心分離とは、異なる強度の遠心力の下で、異なる密度の物質が遠心力の大きさに応じて分離されることを意味します。人間の筋肉、脂肪、血液、骨の密度には大きな違いがあります。過度に高い加速度下では、人体組織間の接続は、その構成分子の分離を制限するのに十分ではありません。密度の高い骨は下に沈み、密度の低い脂肪は上に浮きます。人体は炭素系生物であるため、その構造上、加速負荷のさらなる増加は制限されます。この限界を克服するには、ミチオ・カクが『宇宙戦争』で想像したようなことをする必要があるかもしれない。つまり、ある種の力場を使って人体のすべての分子を固定し、どんなに加速が高くても組織の層化を引き起こさないようにし、人類が何千年も望んできた極限の加速をようやく実現するのだ。

遠心分離図。遠心力を徐々に増加させて、異なるサイズの細胞小器官を分離します。出典: wiki

後継者

人類が鉄器時代から蒸気時代に移行するのに千年かかりましたが、蒸気時代から電気時代に移行するのにはたった百年しかかかりませんでした。競争科学の塵と霧の中で、人類文明の発展の速度が人体の進化の速度をはるかに超えていることがわかります。現代人は、自然に環境に選ばれるということに満足しなくなっています。彼らは土地を開拓し、砂を固定して農地を作り、自分たちに適応するために環境を変えることを学んできました。おそらく近い将来、人間は液体を呼吸することで、肉体の限界から真に解放され、五大海原で亀を捕まえ、空の月を掴むことができる「両生類」になることができるだろう。この日が来るまで、後継者たちにはまだまだ長い道のりが残っています。

参考文献:

[1]Shaffer, Thomas H., Marla R. Wolfson、Leland C. Clark Jr.「液体換気」 （1999年）。

[2]クラーク・ジュニア、リーランド・C、フランク・ゴラン「大気圧下で酸素と平衡状態にある有機液体を呼吸する哺乳類の生存」サイエンス152.3730（1966）：1755-1756。

[3] チェン・ルイヨン、ジン・ハイ、リー・メンシン、ヤン・フェン、グ・ジンファ。潜水艦救助における液体呼吸技術の応用展望[J]。海軍医学ジャーナル、2022年、43(12): 1320-1324

[4]ヒルシュル、ロナルドB.、et al. 「成人急性呼吸窮迫症候群における部分液体換気に関する前向きランダム化対照パイロット研究」アメリカ呼吸器・集中治療医学誌165.6（2002）：781-787。

[5] 徐明怡、杜万明。海洋都市づくりの課題とアイデア[J]海洋科学の最前線、2020年、7(3):59-67

[6]ロズワドフスキーHM.「人類を再び海へ戻す」ホモ・アクアティクス、進化、そして海洋[J]。環境人文学、2022年、14(1):1-28。

[7]https://www.todayifoundout.com/index.php/2021/08/can-humans-breathe-liquid-like-in-the-abyss/

[8]https://www.bbc.com/future/article/20130930-can-we-build-underwater-cities

著者：李文潔 中国科学院大学長春光学精密機械研究所科学普及ボランティア協会会員

査読者：河北医科大学医学教育史研究室長 孫一飛

この記事は科学普及中国創造育成計画によって制作されました。転載の際は出典を明記してください。