拿自己身体冒险做实验的人：霍尔丹父子

特雷弗·诺顿[英]

在科学史上，提及为了科学探索勇于拿自己身体做实验的人，必然要说到霍尔丹父子——约翰·斯科特·霍尔丹（1860—1936）和J.B.S.霍尔丹（1892—1964）。

约翰·斯科特·霍尔丹

约翰·斯科特·霍尔丹是英国著名的生理学家，“空气质量对人体健康有何影响”，这一问题让老霍尔丹很是着迷。他分析了贫民窟、工厂和下水道的空气，通过比较，发现学校的空气还不及下水道的好。这个工作也不是没有风险。为了收集空气样本，他曾爬下污水处理场的坑道，而就在那里，几小时前有5名工人刚被硫化氢气体夺去了生命。

之后他又潜行进入了伦敦地铁，通过一根管子吸取空气样品。正因为他发现地铁空气中有毒的一氧化碳气体含量十分之高，催生了伦敦地铁的电气化改革。

寻找夺命气体的最佳场所要数煤矿。当时，地下爆炸司空见惯，而每有灾难发生，老霍尔丹总是一把抓起矿工帽拔腿就往现场冲去。他给太太发电报让她放心，可电报上的话前言不搭后语，让家人看后更加确定他正在接触这样或那样的毒气。

老霍尔丹能凭气味识别出大多数气体。某矿井爆炸后，他凑在排放矿内有毒气体的通气管管口辨认毒气。排出的气体未经空气稀释，他一吸之下便喘气不止，脸色发青。“是碳酸。”他宣布道。接着，他又凑上管口吸了两次来确认刚才的判断。

老霍尔丹发现，矿井事故的受难者大多并非如人们猜想的那样死于爆炸，而是因为缺氧或吸入一氧化碳窒息而亡。为了检验一氧化碳的毒性，他一边吸入一氧化碳一边记录自己的症状，同时给自己抽血分析血样。等到他难以支撑时，试验停止，他的心跳也差点停止。此时他血液中一氧化碳的饱和程度仅比遇难矿工低4%。

他之所以能这样冒险还是因为他的实验同伴——小鼠。这种小动物的呼吸频率很高，肺部气体和血液的交换速率很快，比人类快近20倍。因此，鼠类对有毒气体的敏感性也差不多是人类的20倍。

在他的实验中，人鼠共享由空气与一氧化碳混合的有毒气体。不到一分半钟，小鼠就撑不住了，呼吸正常空气后才恢复过来。而老霍尔丹支撑了半小时后终于表现出与小鼠一样的症状，出现症状的时间比小鼠晚了20倍。而代谢率更高的小鸟对毒气的敏感程度会更甚于小鼠。在这一研究结果的指导下，矿工们开始把金丝雀带到矿下，用作指示空气质量的早期示警。

老霍尔丹还总结性地指出，肺尘病是由吸入尘埃导致。很多时候，诸如此类的实际问题正是老霍尔丹开展生理学研究的出发点，而他的工作成果也极大地降低了那些高危职业要遭遇的风险。

老霍尔丹把自己家阁楼改建成了带有气密室的实验室，在那儿研究各种气体的作用。有时候他会叫来自己的女儿内欧米，关照她留神注意爸爸的情况，一旦晕倒，要把毒气排出，把人拖出气密室，做人工呼吸。内欧米那时只有12岁。

1906年，老霍尔丹受命研究深水潜水的生理学，于是他转而关注高压对人体的影响。当时英国海军部很关切的一个问题是：很多潜水员在上升时会出现减压症，失去知觉或四肢瘫痪。在经过计算并用山羊做了一些实验后，霍尔丹把海军潜水员志愿者送到了水下。当时允许的最大水深是30米，而他们几乎到达了这一深度的两倍。此后，潜水的水深世界记录被一次次不断刷新。老霍尔丹建立了第一份指导潜水员安全返回水面的减压表。他还创建了“霍尔丹原则”，所有的减压表都以该原则为基础。经他确定，潜水员可以安全上升到最大水深的一半距离。之后必须一级级朝水面上升，在规定的水深处停留一段时间，把高压条件下累积在体内的氮气呼出体外后才能继续上升。

1915年4月，德军发动了第一次毒气战。他们释放出168吨氯气，致命的毒气形成绿色云团朝同盟国军队飘去，速度之快让人难以逃脱。此时已任大法官的理查德·霍尔丹要求弟弟查明德军用的是什么毒气，并为军队设计防护装备。于是约翰·霍尔丹教授奔赴法国，参加在第一次毒气袭击中受难的士兵的尸检。他判断死因是吸入氯气，因为他自己曾经“在连接漂白工厂的下水道中有过一次可怕的个人经历”。

霍尔丹与两位化学家在充满致命氯气的气密室合作，测试刚有了雏形的防毒面具。空气中哪怕只有0.1%的氯气，都会让人难以呼吸，还会强烈地刺激眼睛。霍爾丹的女儿内欧米与他家房客奥尔德斯·赫胥黎把羊毛织物扯碎，填充进防毒面具内，给他们测试吸收毒气的效果。他们还试了袜子、西装背心、内欧米的睡帽以及赫胥黎的围巾。为了寻找合适的化学吸收剂，他们把厨房翻了个遍。

另一方面，由于不断有士兵死于毒气袭击，霍尔丹想出了一个应急的法子，让士兵们在战场上临时制作简易的防毒装置：用手帕裹住泥土，或是把湿布塞进敲掉了底部的瓶子里，这些简陋的过滤器可以一定程度地保护肺部。浸了亚麻籽油的纱布则可以用来防护眼睛，让士兵们不至于完全看不清。

老霍尔丹在法国也建了一间带气密室的实验室。“小白鼠”有老霍尔丹本人、一位从矿井研究时期就跟随老霍尔丹的助手，以及暂时从自己部队过来帮忙的儿子小霍尔丹。他们几人测试了不同浓度的氯气在带或不带防毒面具时的影响。气密室里还有一个健身用的转轮，为的是让他们确认戴着防毒面具逃跑也不会有问题。小霍尔丹后来这样描述他们的演习：“每当我们中有人因为吸入太多毒气而使肺部充分过敏，另一个人再顶替上阵。有的人因此不得不卧床数天，我则是呼吸变得十分短促，有大约一个月时间无法跑动。”

最终，霍尔丹他们设计出了有效的防毒面具。很快，防毒面具以一天7万只的速度生产出来。

内欧米认为，父亲的肺在那段时间吸入毒气后一直不曾完全康复。老霍尔丹在75岁时垮下来，发展成肺炎。他被罩在氧气帐下，这也是他过去的一项发明。他倡导了利用氧气减轻受损肺部痛苦的方法。约翰·斯科特·霍尔丹与世长辞时，脸上还带着饶有兴趣的表情，仿佛仍在监测重要的生理学实验。

在他去世的3个月后，《泰晤士报》登出了他生前要做的公共演讲的通告，题目是《奇迹》。

就像战士要“为取得胜利不畏牺牲不怕受伤”一样，老霍尔丹宁可拿自己做实验。霍尔丹家族的座右铭是“受苦受难”。内欧米幼时重重摔了一跤后哇哇大哭，她父亲明确告诉她这是“勇气守则所严格禁止的”。老霍尔丹也并非胆量无限。他恐高，也不敢学游泳。但科学家的好奇心与帮助同胞的愿望结合在一起催生了勇气。他又把勇气传给了儿子小霍尔丹。

J.B.S.霍尔丹

小霍尔丹自小智力出众。有一次外出考察，老霍尔丹发现大家忘带对数表后说：“没关系，小霍尔丹能给我们算出张对数表来。”

小霍尔丹也成为了他那个时代深具影响的生物学家，为人类遗传学和群体遗传学奠定了基础。他还将遗传学与达尔文的自然选择结合在一起创立了现代演化生物学。1938年，小霍尔丹追随父亲的脚步当选为英国皇家科学学会的会员。这一年他46岁。

他那颗精力充沛的头脑又思考起即将与纳粹德国展开的冲突。

二战爆发的3个月前，他的机会来了。当时，英国海军的皇家潜艇“西提斯”号在利物浦湾做潜水试验，因为误把鱼雷发射管的前后盖子都打开而失事沉船。尽管船体完整，艇尾翘起伸出水面，108名船员中却只有4人生还。船员们生怕海面上并无救援（事实也确实如此），所以没有及时弃船，未能成功脱险。遇难者中近半数是机械工，是普通老百姓，因此工会请求小霍尔丹在公开听证时代表他们的利益。

小霍尔丹和几个同事一起，把自己锁在钢制的加压舱内，模拟被禁闭在失事潜艇内的效果。他们在里面待了14.5个小时，随着二氧化碳浓度升高，他们越来越虚弱无力，无法带上戴维斯潜艇脱险呼吸器。

这让小霍尔丹深刻体会到被困水下是多么可怕。他认为生理学家最好去研究研究人在致死的异常环境下会受到什么影响。

他向海军部力陈，为了提高失事潜艇船员的生还可能，需要研究人在高压下呼吸逐渐恶化的空气时会作何反应。海军部被他说动，因此他成为少数几个为陆军部执行秘密研究的正式共产党员之一。

他招募来国际纵队的4名成员（因为他们在受到压力时能保持冷静）、私人秘书以及一名研究生（后来成了他妻子）。基本上每次实验结束时都有人发病、流血或呕吐。小霍尔丹则会说：“好，为图表贡献了一个数据。”

他们做实验的地方被称为“压力锅”，这是一个钢制的密闭舱，看上去像侧倒的锅炉，长2.4米，直径1.2米。里面能挤进两三个人，但人在里面直不起身来。实验受试者既没有灯也没有电话，以特定节拍敲打外壁或从小舷窗传递信息的方式交流。

他父亲把压力锅叫做“恐怖舱”。原因显而易见。当气体压缩，舱内会变热，这跟你给自行车轮胎打气时气筒会发热是一样的。小霍尔丹拿折起的报纸当扇子扇，报纸却被扯碎了，因为空气的密度很大，在这么大密度的空气中连绿头苍蝇也飞不起来。而在减压时，潮湿的冷空气让舱内充满雾汽。几个礼拜后，小霍尔丹的腕表慢慢停走了，原来表内的主发条已不堪铁锈的重负。妻子又给他买了块气密手表。他戴上后第一次做加压实验时表面就被压坏了。

变换气压的速度有时也会造成问题。小霍尔丹的最快“潜水”速度是90秒钟从1个大气压到7个大气压，压力变化相当于引航员以两倍音速垂直下潜。快速“上浮”更加危险。在他快速上浮时，一颗补过的牙齿发出了尖锐刺耳的声音并爆炸开来，原因是气泡跟不上这么快的上升速度。在几次快速减压实验中，一位同事的右肺发生萎陷。幸好没有两肺都发生萎陷，否则他就没命了。

在当时，要在相当于60米水深的压力下工作，需要具备技术能力和专业技巧。小霍尔丹团队的模拟潜水达到了120米之深，接近当时可以想象的最深水深。他们的研究改变了潜艇脱险的步骤，并把66米确立为脱险、下潜时安全使用压缩空气的深度下限。

战时各种新问题层出不穷，而且这些问题亟待解决。蛙人和水下骑士（人操鱼雷的驾驶员）用的是循环式氧气呼吸器，因为这种设备不会产生暴露形迹的气泡。于是，小霍尔丹的队伍又研究了高压下氧气对人体的影响。这项研究需要完成有史以来最累人的潜水实验方案——在毒性环境中潜水千次以上。氧气，是支撑这个星球几乎所有生命的气体，但它在受压时对人体有毒性，会引起恶心、麻痹和抽搐，抽搐严重时还会造成骨折。

氧中毒有其特有的危险，其一是发作时间难以预料。同一个志愿者，在3个大气压的压力下，这一次能撑85分钟，下一次却只能撑13分钟。经小霍尔丹他们确认，深于18米时呼吸纯氧是危险的。

英国海军部当时引进了小型潜艇，要让潜水员待在这么小的船体内长距离潜行，并且出舱潜到敌船外安置水雷然后重回潜艇内，有可能吗？海军部請小霍尔丹对此展开研究。尽管厌恶潜艇，小霍尔丹和他的忠实搭档马丁·凯斯还是把自己关进了钢制的小型潜艇模型中，沉到了朴次茅斯港的海底，两人就像是“装在罐头里的虾酱”。这一次他们得出的结论是：一筒氧气可以让小型潜艇的全体船员舒服地活上3天，不换空气的情况下也能潜水12小时。当然，小霍尔丹所谓“舒服”的概念和你我是很不一样的。后来，他为争取去北冰洋水下行走，还在10个大气压的条件下潜入0℃的水中作为预演。这些实验为英军后来成功突袭德军战列舰“提尔皮茨号”铺平了道路。

1943年，英国陆军部提出登陆日要先由“蛙人”扫清水雷和海岸工事。为了避开水下爆炸，潜水员需要快速浮出水面。要想能较快地浮到安全位置，潜水员最好呼吸由空气和氧气组成的混合气。其中的诀窍在于混合气体的比例：空气太多，会得减压症;氧气太多，则会受痉挛之苦。于是小霍尔丹和妻子两人在自己身上施加了相当于水下21米深的压力，试验不同的气体混合比例。他们俩的实验显示，原本根据减压表需要花47分钟浮出水面，按他们的程序只要2分钟就能安全上浮。1944年，就在诺曼底登陆的前一天，有120名排除水下障碍的“蛙人”带着小霍尔丹他们试验成功的混合气体。

除此之外，为取得战争胜利，小霍尔丹所做的贡献还包括核查德国人近期发表的全部科学论文，为英国皇家空军提供有关炸弹瞄准设备的建议。小霍尔丹还开展了许多统计学研究，涉及的内容包括对伤亡人数的解读，击落德国V-1飞弹的最佳策略等等。

1964年，小霍尔丹被诊断出长有恶性肿瘤。他动了手术后没过几个月，科学界失去了一位极赋天赋与勇气的成员。霍尔丹父子都把遗体献给了医学教学研究。说来，为了这个目标，他们都在有生之年尽情使用了自己的身体。

（摘自科学出版社《冒烟的耳朵和尖叫的牙齿》   作者：[英]特雷弗·诺顿    译者：朱机）