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人可以两天不吃饭，可以半天不喝水，但一分钟不呼吸就受不了。我们每时每刻都需要吸入氧气以满足细胞的新陈代谢，同时也会向外呼出二氧化碳，它是我们细胞代谢的副产品。据统计，普通人一天需要吸入约750克氧气，相对应地，我们大约会呼出1千克的二氧化碳。如果身处在一个狭小密封的环境里，要不了多久就会被憋死，再也用不着喝水和吃东西了。
我们如何呼吸？
在我们的主动脉、颈动脉和脑干的长延髓部分，分布着一些血气和PH值传感器，它通过监测血液中二氧化碳的浓度来判断我们的身体是否需要更多的氧气。与此同时，我们的脑干会通过神经系统指挥相应的肌肉群，以调节呼吸的节奏和频率。
脑干的延髓部分负责自主呼吸的控制
当脑干监测到动脉血液变得太酸，这意味着二氧化碳过量，延髓会将电信号传递到呼吸系统各相关肌肉群，我们的呼吸会变得深而且急促，以使肺泡吸入更多的氧气，同时将氧分子传递给毛细血管网中的红细胞。红细胞中的4个血红蛋白基团都可以充当氧气的搬运工，将其输送到身体各处。
对于肌体而言，呼吸的主要目的就是使肺泡空气中呼吸气体的分压与肺毛细血管血液中的气体分压达到平衡。
我们的肺大约有3亿个肺泡，这些开放的小气囊直径只有75~300微米，平均壁厚仅2.2微米。但如果将它们完全铺展开来，可以达到约145平方米，因此肺是一个非常高效的气体交换器官。
在空气中，氧气约占21%，二氧化碳仅占约0.04%，它们在大气压强的比例也大致如此。因此我们称氧气的分压PO为21，二氧化碳分压PCO为0.04。而在肺里，每一次呼吸都会剩余大约3升的气体，肺泡中的氧气分压为13，二氧化碳分压达到5.3，这与动脉血气分压相等。从上图我们可以看出，每一次的气体交换，血液中二氧化碳的浓度只是稍微发生改变，氧气的分压会从6上升到13，红细胞会从肺泡中携带大量氧气分子开始一轮新的循环。
氧气不足与二氧化碳过量都是致命的
我不建议你亲身体验因为缺氧或二氧化碳过量而窒息的感觉，如果你坚持要尝试，请一定选择一扇可以轻松推开的门。
曾经发生过多名偷渡者因为被困于密闭集装箱而集体死亡的事件，也常有幼童因被遗忘在轿车中窒息的惨剧见诸媒体，这提醒了大家，当你身处一个不受控制的密闭空间是极其危险的事。
如果空气中的二氧化碳过多，肺泡中的二氧化碳分压随之上升，由于动脉血气分压与肺泡是平衡的，这时候动脉血液会因为溶入更多二氧化碳而呈酸性。大脑监测到这个情况，会指令呼吸系统更加急促地呼吸，从而导致更多二氧化碳进入血液，这就是危险的高碳酸血症。研究表明，在正常气压下，人只需要在二氧化碳浓度为3.5%的环境里呆上15分钟就可以出现意识丧失，随着时间的推移和二氧化碳浓度的上升，人会因二氧化碳中毒而死亡。
宇宙飞船和空间站都是狭小的密闭空间
美国为阿波罗计划所打造的指令舱，其容积为6.2立方米（加压容积10.4m），设计为3名宇航员生存14天；阿波罗登月舱可容纳体积为4.5立方米，设计为2名宇航员生存最多75小时；俄罗斯联盟号MS飞船的轨道舱和返回舱的内部空间为10.5立方米，设计为3人生存10天；神舟飞船返回舱的内容积大约为6立方米。由此可见，各国打造的载人航天飞船其内部空间都是极其狭小的。
即便是为宇航员长期逗留、保障其长时间生活的空间站，它内部的空间也非常有限。前苏联和平号空间站曾创下一人驻留437天的纪录，但它的内部加压容积也仅有350立方米；而目前在轨运行的最大航天器国际空间站，其可居住容积为388立方米、加压容积916立方米，用以保证6名宇航员长期驻留。
在如此狭小的空间里长期生活并不是一件惬意的事，由于设备故障，国际空间站的二氧化碳浓度一度达到1%。机组人员在8个小时内经历了头痛、嗜睡、精神迟钝、情绪波动和睡眠中断。宇航员们不可能打开窗户出去透透气，因此在太空飞行中，我们不仅要考虑充足的氧气供应，还需要从空气中滤除二氧化碳。
飞船的生命保障措施
如果飞船仅仅计划作短时间的太空飞行，它只需要携带压缩氧气罐就能满足需要。而对于空间站这样的长时间飞行器，则大多采用制氧机（OGS）电解水的办法来生产氧气。在将宇航员的生活废水以及从空气中过滤的水气进行处理后，可以利用太阳能电池所产生的电能来分解水，产生的氢气排出飞船，氧气用于呼吸。
除了利用电解水来满足大多数氧气需求外，空间站还利用液态氧推进剂和固体高氯酸锂罐作为备份。高氯酸锂燃烧可以生成气态氧气，每一个罐可以为一名乘员提供一天的应急氧气需求。
氧气的制备可以通过电解水加以解决，相比之下，二氧化碳的过滤则要麻烦得多。对于人类来说，我们呼出的二氧化碳气体、水气，以及通过肠道和皮肤排放到空气中的氨气、丙酮、甲醇、微生物等都是有害的，需要从空气中过滤并清除。
在阿波罗飞船以及其它大多数载人飞船里，会利用氢氧化锂或过氧化锂来过滤空气中的二氧化碳气体，其化学反应过程如下：
2LiOH + CO→LiCO+ HO
2LiO + 2CO →2LiCO + O
相比于段时间飞行的宇宙飞船而言，国际空间站上用于过滤二氧化碳和有害气体的装置则要复杂得多，这套被称为CDRA的二氧化碳清除组件采用了热胺洗涤的原理，它非常高效，也更加昂贵和费电。
CDRA利用将包括单乙醇胺在内的各种胺制成分子筛，冷却的胺会在二氧化碳分子通过时与其发生化学反应，吸收二氧化碳，这个过程被称为“胺洗涤”；而在加热时，反应是可逆的：
CO + 2HOCHCHNH HOCHCHNH + HOCHCHNHCO
尽管胺洗涤法清除二氧化碳所采用的设备极其昂贵，但由于它的反应过程可逆，这意味着胺在相当长时间内可以重复使用，不需要补充原料。这节省了运输成本，也使维护变得容易，还提高了安全性。
国际空间站的CDRA装置安装在欧洲航天局制造的宁静舱里，它位于国际空间站的节点3位置，可以说这里不仅是宇航员的厕所、运动场所、观察地球的窗口，还是整个国际空间站空气循环和生命保障系统的核心部分。
总结：
为了生存，人类每时每刻都需要呼吸，一刻都不能离开氧气，而我们呼出的二氧化碳如果在空气中累积会有害健康，甚至是致命的。
与在地面不同，在茫茫太空探索宇宙的过程中，宇航员需要依赖科学的方法才能轻松地呼吸空气。科学家通过电解水的办法为宇航员提供氧气，同时通过各种化学反应过滤和消除二氧化碳和其它有害气体。
未来的某一天，我们终将跳出地球的摇篮，飞往遥远深空去探索宇宙，这个过程将极其艰难。无论遇到多少困难，科学始终在顽强前行。精心计划、精心设计以及精心打造的硬件设备会将宇宙航行的风险降到最低，从而使宇航员能够轻松地呼吸。
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