氧氣是需氧生物生存不可缺少的物質(zhì)，但任何事情都有兩面性，氧氣也不例外，氧氣對生命十分重要，但也有非常強(qiáng)的毒性。根據(jù)氧氣分壓的不同，可以分為慢性和急性氧中毒。幾乎所有的細(xì)胞都可能會受到氧氣的毒性損害，從某種意義上講，生物早起進(jìn)化就是和氧氣毒性斗爭的歷史，尤其是從厭氧生物向需氧生物進(jìn)化過程中最為典型。
一、氧的毒性
（一）急性氧中毒
英國人普利斯特里最早收集到氧氣，也是最早提出氧氣可能有毒性的科學(xué)家。1774年8月，普利斯特里用透鏡加熱氧化汞，獲得氧氣。隨后普利斯特里發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)在這種氣體里燃燒比在空氣中更強(qiáng)烈，于是他稱這種氣體為“去燃素空氣”。隨后普利斯特里也嘗試呼吸這種氣體，因此雖說普利斯特里不屬于氧氣的真正發(fā)現(xiàn)者，但他肯定是人類第一個吸氧的人。有文獻(xiàn)上說他呼吸后感覺很不錯，因此他認(rèn)為這種氣體將來會稱為奢侈品被有錢人呼吸，但他又根據(jù)蠟燭在這種氣體環(huán)境中燃燒速度加快的道理提出，動物在這種氣體環(huán)境中，和蠟燭一樣，生命物質(zhì)消耗的速度也會加快。因此他擔(dān)心這種氣體可能會加快生命進(jìn)程，或者說存在毒性。可以說他在科學(xué)上具有很強(qiáng)的前瞻性，因為人類真正確定氧氣的毒性發(fā)生在100年后。
法國著名氣體生物學(xué)家Paul Bert是人類歷史上第一個發(fā)現(xiàn)并系統(tǒng)研究氧氣毒性的科學(xué)家。在他1887年發(fā)表的《氣壓生理學(xué)》著名專著中，詳細(xì)描述了氧氣的毒性，也是他最著名的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。
PaulBert(1833.10.17-1886.11.11)
PaulBert是氣體生物學(xué)研究的鼻祖，這里對他進(jìn)行比較詳細(xì)的介紹。Paul Bert出生于法國歐塞爾。他因為希望成為工程師，就讀于巴黎綜合理工學(xué)院，后改變主意學(xué)法律。最后受動物學(xué)家Louis Pierre Gratiolet(1815–1865)影響，又攻讀生理學(xué)，師從法國著名生理學(xué)家Claude Bernard，并成為Bernard教授的最得意門生之一。Bernard教授曾被哈佛大學(xué)稱為人類最偉大科學(xué)家之一，是最早提出盲法研究的科學(xué)家，生理穩(wěn)態(tài)研究的奠基人。
1863年Bert從巴黎大學(xué)獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。1866年被任命為波爾多大學(xué)生理學(xué)教授，1869年被任命為巴黎索邦大學(xué)生理學(xué)教授。公社巴黎事件后，Bert參加了支持甘必大的政黨。1874年Bert被選舉為國民大會代表，1876年他進(jìn)入法國眾議院。他強(qiáng)烈反對法國敬圣職者主義，堅持否定宗教，是徹底的無神論主義者，他也是強(qiáng)調(diào)全民自由平等法國啟蒙思想的堅定倡導(dǎo)者。1881年11月到1882年1月（不足100天），他曾擔(dān)任短命的甘必大內(nèi)閣的教育部長，1881年，他在巴黎劇院的一場關(guān)于評論現(xiàn)代天主教的演說引起舉國轟動。演講中，他對法國一些教會會長的愚蠢行為進(jìn)行了嘲諷。1886年，他在越南河內(nèi)死于痢疾。
作為科學(xué)家的Bert，比作為政治家的Bert更受世人尊敬，他在氣體生物學(xué)效應(yīng)的貢獻(xiàn)，可以比喻為牛頓在力學(xué)上的貢獻(xiàn)。Bert最具有代表性的學(xué)術(shù)著作是1878年出版的《氣壓生理學(xué)》（La Pression barometrique），這是關(guān)于氣體壓力變化以及生理學(xué)效應(yīng)的經(jīng)典和奠基性著作，這部著作匯集了他用1875年從法國科學(xué)院獲得的2萬法郎獎勵開展的研究，主要是對空氣等氣體，包括低壓和高壓下的生理學(xué)效應(yīng)的綜合研究。
中樞神經(jīng)系統(tǒng)氧中毒，就是在這一著作中首次被描述的，所以有時候把中樞神經(jīng)系統(tǒng)氧中毒稱為Paul Bert效應(yīng)，就是為紀(jì)念Bert教授的貢獻(xiàn)，這也是人類第一次系統(tǒng)證明氧氣有毒性。在關(guān)于氧氣毒性的研究中，他發(fā)現(xiàn)氧氣對昆蟲、軟體動物、蚯蚓、真菌、發(fā)芽的種子、鳥和其他各種動物都有毒性。除氧氣毒性研究外，他曾經(jīng)研究過植物嫁接，動物組織分類，以及各種有毒物質(zhì)及窒息等的生理學(xué)效應(yīng)。在植物生理學(xué)方面，他研究過各類光線對蔬菜生長的影響。1880年后，他撰寫了許多科學(xué)研究指導(dǎo)、教育和交叉學(xué)科等方面的著作。
中樞神經(jīng)系統(tǒng)氧中毒或者Paul Bert效應(yīng)，也有人叫急性氧中毒，是人或動物短時間呼吸幾個大氣壓高分壓氧氣，產(chǎn)生的以中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂為特征的氧氣毒性效應(yīng)。人和哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)氧中毒最具有代表性的變化是癲癇大發(fā)作。感謝Paul Bert早在1878年就認(rèn)識到中樞神經(jīng)系統(tǒng)氧中毒，所以在進(jìn)行接觸高分壓氧氣，如潛水呼吸高壓氧過程中，人們采取主動回避的方法，因此人類這種疾病極少發(fā)生。
如果說Paul Bert發(fā)現(xiàn)的急性氧中毒是在高壓這種特殊情況下，那么隨后發(fā)現(xiàn)的慢性氧中毒就和我們?nèi)粘Ｉ?，尤其是臨床呼吸氧氣的情況密切相關(guān)了。
人類總是對未知現(xiàn)象充滿好奇，甚至?xí)H自嘗試危險。但生理學(xué)領(lǐng)域這方面最典型的科學(xué)家代表非John Scott Haldane （1860年5月2日-1936年3月15日）莫屬。Haldane是蘇格蘭生理學(xué)家，他最著名的就是經(jīng)常冒險對自己進(jìn)行生理學(xué)實驗，他也給人類生理學(xué)研究帶來了許多貢獻(xiàn)，尤其是關(guān)于氣體生物學(xué)效應(yīng)研究，是繼Paul Bert后最杰出的人物。在開展呼吸功能研究中，他發(fā)現(xiàn)了血紅蛋白的Haldane效應(yīng)。
Haldane不僅用自己身體做實驗，甚至把他年輕的親生兒子J. B. S. Haldane（小Haldane）作為小白鼠開展研究，用當(dāng)前人們的看法，這顯然不符合倫理學(xué)原則。有一次Haldane將自己關(guān)在一個密封的艙內(nèi)，呼吸可能會致命的有毒混合氣體，親自記錄這些有毒氣體對身體和精神的影響。Haldane曾多次到礦難現(xiàn)場調(diào)查事故原因。
第一次世界大戰(zhàn)期間，由于德國軍隊在戰(zhàn)場上使用有毒氣體，Haldane到拜見當(dāng)時的英國國務(wù)卿勞得基奇納，要求負(fù)責(zé)鑒定出德國軍隊使用的什么有毒氣體，利用這次機(jī)會，Haldane發(fā)明一種防毒面具。小Haldane后來也成為著名的科學(xué)家，父子兩人在潛水醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究讓他們成為潛水醫(yī)學(xué)的奠基人。
作為潛水醫(yī)學(xué)研究專家，他最重要的貢獻(xiàn)是在1907年提出的潛水減壓理論。根據(jù)他的減壓理論，他建立了階梯式減壓的現(xiàn)代潛水減壓方案，并匯集成潛水減壓表，這一杰出貢獻(xiàn)大大提高了潛水工作效率和安全性。現(xiàn)在的潛水作業(yè)，仍是以Haldane減壓理論為基礎(chǔ)。他的兒子小Haldane經(jīng)嘗試在高壓下呼吸氧氣，并發(fā)生了癲癇大發(fā)作，也算是親身冒險嘗試高壓氧毒性的英雄。這也是第一次關(guān)于人類急性氧中毒的文獻(xiàn)記錄。
關(guān)于氧氣毒性的研究，另一位著名科學(xué)家是Haldane的同事James Lorrain Smith（1862年8月21日－1931年4月18日），Lorrain Smith開始本來學(xué)習(xí)藝術(shù)，1889年畢業(yè)于愛丁堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院，后師從劍橋大學(xué)病理學(xué)家John Lucas Walker教授學(xué)習(xí)病理學(xué)，曾在Christian Bohr實驗室學(xué)習(xí)過血液氣體分析技術(shù)，1901年被貝爾法斯特皇后學(xué)院聘為教授，1904年成為曼徹斯特大學(xué)病理學(xué)教授，
LorrainSmith教授和Haldane教授合作開展呼吸生理學(xué)研究，尤其是針對血液運輸氧氣的功能。1897年，正好在急性氧中毒發(fā)現(xiàn)后20年，Lorrain Smith報道了氧氣的慢性毒性，他發(fā)現(xiàn)動物連續(xù)呼吸高濃度氧氣（空氣中氧氣濃度為21%，超過50%就可以產(chǎn)生毒性），這種慢性毒性主要表現(xiàn)在肺組織，特征類似于肺炎。為紀(jì)念Lorrain Smith教授的貢獻(xiàn)，這種氧氣的慢性肺型毒性被稱為Lorrain Smith效應(yīng)。
開始科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氧氣具有毒性，似乎只針對大腦和肺組織，其實隨著研究的深入，科學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)，氧氣的毒性廣泛存在，幾乎對所有的組織器官都有毒性，這種現(xiàn)象尤其是在體外培養(yǎng)過程中，只不過大腦因為血流豐富，肺組織是直接接觸外界環(huán)境，是氧分壓最高的組織，才成為最容易發(fā)現(xiàn)存在毒性的器官。這里強(qiáng)調(diào)一點，我們普通進(jìn)行體外細(xì)胞學(xué)培養(yǎng)時，細(xì)胞培養(yǎng)液其實是暴露在空氣中，氧氣的分壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大多數(shù)細(xì)胞在體內(nèi)的實際情況，這并非真正的生理條件。
在各種組織氧中毒中，眼氧中毒比較特殊，因為這種類型曾經(jīng)引起大量早產(chǎn)兒失明，但由于發(fā)病隱蔽，開始并沒有引起臨床上注意。有人發(fā)現(xiàn)，早產(chǎn)兒容易發(fā)生失明，多年后才發(fā)現(xiàn)早產(chǎn)兒失明和出生后呼吸氧氣存在很大相關(guān)關(guān)系，才意識到早產(chǎn)兒失明的原因可能是出生后呼吸純氧。早產(chǎn)兒視網(wǎng)膜對氧氣毒性非常敏感，導(dǎo)致視網(wǎng)膜病變導(dǎo)致視力喪失。
雖然氧氣存在毒性，但氧氣治療疾病作用也一直被人們關(guān)注，目前呼吸高壓氧治療疾病已成為治療一氧化碳中毒、氣體栓塞、潛水減壓病等疾病最有效的手段，而預(yù)防或避免氧中毒最有效的方法就是主動回避，方法包括限制壓力和持續(xù)呼吸時間，或者間隙性呼吸的方式。
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