«Жидкостное дыхание» пока годится только для собак. Глубокое дыхание
Я пересматривала его раз 8 точно. И каждый раз делала это исключительно из развлекательной цели и интересного сюжета с потрясающей актерской игрой, которая по свидетельству съемочной группы сильно вымотала исполнителей главных ролей.
А в последний раз я поняла, что в этом фильме есть что-то большее.
На протяжении всего фильма нам рассказывают о дыхании в жидкости. То, с чего мы начинали в утробе матери, может продолжиться. Главное - ситуация.
Все 7 просмотров для меня фильм был лишь фантастикой, игрой воображения сценариста или режиссера. В одной сцене показывают мышку, которая дышит специальной жидкостью. В другой - Бада (герой Эда Харриса) в скафандре, заполненном этой самой жидкостью. Его отправляют на глубину, где никто не был, заполняя его легкие "особой водой", потому что кислороду в теле человека на таких глубинах делать нечего.
Разработав около шестидесяти лет назад акваланг, француз Жак Ив Кусто в его название ввел термин «вода» и «легкие». Однако сама технология полного заполнения легких водой (в виде водно-солевого раствора) стала известна из публикации Kylstra J. «Мышь как рыба» - первой по жидкостному дыханию, в которой сказано о такой идее спасения подводников. Он же первый провел на сухопутных млекопитающих (мышах) спуски на глубину 1000 м и показал, что переход на жидкостное дыхание полностью предотвращает гибель от декомпрессионного газообразования. В СССР это было подтверждено при искусственной вентиляции легких (ИВЛ) жидкостью собак в условиях имитации водолазных спусков на 1000 м.
Вся система жидкостного дыхания основана на формуле перфторуглерода. Перфлуброн - это чистая, маслянистая жидкость, обладающая малой плотностью. Она содержит больше кислорода, чем воздух. Поскольку эта жидкость инертна, то она не наносит вреда легким. Так как у нее весьма низкая температура кипения, она быстро и легко выводится из легких;
На мировом рынке мало производителей этих жидкостей, так как их разработка - побочный продукт «атомных проектов». Известны жидкости медицинского качества всего нескольких мировых фирм: DuPont (США), ICI и F2 (Великобритания), Elf-Atochem (Франция). Перфторуглеродные жидкости, технологически отработанные в Санкт-Петербургском институте прикладной химии, сейчас лидируют в медицине и косметологии;
В России серьезно и без смешков в курилке задумались о теме свободного всплытия через особую систему жидкостного дыхания после ;
С момента образования РФ разработка метода жидкостного дыхания для спасения подводников, как и подготовка волонтерских испытаний 2007 года, выполнялась и выполняется без грантов, за счет средств «AVF» в работе с СПб ГМУ им. И.П. Павлова и другими организациями;
В настоящее время специальный глубоководный водолазный аппарат существует в виде проекта в рамках авторской концепции быстрого спасения подводников. Он базируется на уникальных свойствах быстрых и стойких (к давлению) водолазов жидкостного дыхания;
Arnold Lande, бывший хирург, а ныне американский пенсионер-изобретатель, зарегистрировал патент на водолазный костюм, оснащенный баллоном со специальной жидкостью, обогащенной кислородом. Так называемый “жидкий воздух” подается из баллона в шлем дайвера, заполняет собой все пространство вокруг головы, вытесняет воздух из легких, полостей носоглотки и ушей, насыщая легкие человека достаточным количеством кислорода. В свою очередь, углекислый газ, который выделяется в процессе дыхания, выходит наружу при помощи своеобразного подобия жабр, прикрепленных к бедренной вене ныряльщика. То есть сам процесс дыхания становится попросту не нужен - кислород поступает в кровь через легкие, а углекислый газ выводится прямо из крови. Правда, как будет подаваться из баллона эта самая несжимаемая жидкость пока еще не совсем понятно…;
Есть информация о том, что опыты по дыханию в жидкости вовсю проводятся. И в России в том числе;
В фильме "Бездна", конечно, никто из актеров не дышал "особой водой". И в одной из сцен даже допущен маленький, но очень запоминающийся косяк, когда Бад опускается на глубину, из его рта выходит предательский пузырек,..которого в условиях жидкостного дыхания быть не должно;
Актеру Эду Харрису, сыгравшему одну из главных ролей, роль Бада, как-то по пути со съемок пришлось съехать на обочину из-за приступа непроизвольного плача..Настолько изматывающим был процесс создания фильма. Камерон требовал исключительной правдоподобности.
Смотрите кино. Дышите свободно и съезжайте с обочин только чтобы пофотографировать бабочек.
Спасибо за открытый доступ к некоторым данным члену-корреспонденту РАЕН, к.м.н. А. В. Филиппенко.
Недавно Научно-технический совет государственного Фонда перспективных исследований одобрил «проект по созданию технологии спасения подводников свободным всплытием с использованием метода жидкостного дыхания», реализацией которого должен заняться московский Институт медицины труда (на момент написания статьи руководство института было недоступно для комментариев). «Чердак» решил разобраться, что скрывается за таинственным словосочетанием «жидкостное дыхание».
Наиболее впечатляюще жидкостное дыхание показано в фильме Джеймса Кэмерона «Бездна».
Правда, в таком виде опыты на людях еще никогда не проводились. Но в целом ученые не сильно уступают Кэмерону по части исследования этого вопроса.
Мыши как рыбы
Первым, кто показал, что млекопитающие в принципе могут получать кислород не из смеси газов, а из жидкости, был Йоханнес Килстра (Johannes Kylstra) из медицинского центра университета Дьюка (США). Вместе с коллегами он в 1962 году опубликовал работу «Мыши как рыбы » (Of mice as fish) в журнале Transactions of American Society for Artificial Internal Organs .
Килстра и его коллеги погружали мышей в физраствор. Чтобы растворить в нем достаточное для дыхания количество кислорода, исследователями «вгоняли» газ в жидкость под давлением до 160 атмосфер — как на глубине 1,5 километра. Мыши в этих экспериментах выживали, но не очень долго: кислорода в жидкости было достаточно, а вот сам процесс дыхания, втягивания и выталкивания жидкости из легких требовал слишком больших усилий.
«Вещество Джо»
Стало понятно, что нужно подобрать такую жидкость, в которой кислород будет растворяться намного лучше, чем в воде. Требуемыми свойствами обладали два типа жидкостей: силиконовые масла и жидкие перфторуглероды. После экспериментов Леланда Кларка (Leland Clark), биохимика из медицинской школы университета Алабамы, в середине 1960-х годов выяснилось, что оба типа жидкостей можно использовать для доставки кислорода в легкие. В опытах мышей и кошек полностью погружали и в перфторуглероды, и в силиконовые масла. Однако последние оказались токсичны — подопытные звери погибали вскоре после эксперимента. А вот перфторуглероды оказались вполне пригодны для использования.
Перфторуглероды были впервые синтезированы в ходе Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы: ученые искали вещества, которые бы не разрушались при взаимодействии с соединениями урана, и они проходили под кодовым названием «вещества Джо» (Joe’s stuff). Для жидкостного дыхания они подходят очень хорошо: «вещества Джо» не взаимодействуют с живыми тканями и прекрасно растворяют газы, в том числе кислород и углекислый газ при атмосферном давлении и нормальной температуре человеческого тела.
Килстра и его коллеги исследовали технологию жидкостного дыхания в поисках технологии, которая бы позволяла людям погружаться и всплывать на поверхность, не опасаясь развития кессонной болезни. Быстрый подъем с большой глубины с запасом сжатого газа очень опасен: газы лучше растворяются в жидкостях под давлением, поэтому по мере того, как водолаз всплывает, растворенные в крови газы, в частности азот, образуют пузырьки, которые повреждают кровеносные сосуды. Результат может быть печальным, вплоть до смертельного.
В 1977 году Килстра представил в Военно-морское министерство США заключение, в котором писал, что, по его расчетам, здоровый человек может получать необходимое количество кислорода при использовании перфторуглеродов, и, соответственно, их потенциально возможно использовать вместо сжатого газа. Ученый указывал, что такая возможность открывает новые перспективы для спасения подводников с больших .
Эксперименты на людях
На практике техника жидкостного дыхания, к тому времени получившая название жидкостной вентиляции легких, была применена на людях всего один раз, в 1989 году. Тогда Томас Шаффер (Thomas Shaffer), педиатр из медицинской школы Темпльского университета (США), и его коллеги использовали этот метод для спасения недоношенных младенцев. Легкие зародыша в утробе матери заполнены жидкостью, а когда человек рождается и начинает дышать воздухом, тканям легких на протяжении всей оставшейся жизни не дает слипаться смесь веществ, называемая легочным сурфактантом. У недоношенных младенцев он не успевает накопиться в нужном количестве, и дыхание требует очень больших усилий, что чревато летальным исходом. В тот раз, правда, жидкостная вентиляция младенцев не спасла: все трое пациентов вскоре умерли, однако этот печальный факт был отнесен на счет других причин, а не на счет несовершенства метода.
Больше экспериментов по тотальной жидкостной вентиляции легких, как эта технология называется по-научному, на людях не проводилось. Однако в 1990-х годах исследователи модифицировали метод и проводили на пациентах с тяжелым воспалительным поражением легких эксперименты по частичной жидкостной вентиляции, при которой легкие заполняются жидкостью не полностью. Первые результаты выглядели обнадеживающими, но в конечном счете до клинического применения дело не дошло — оказалось, что обычная вентиляция легких воздухом работает не хуже.
Патент на фантастику
В настоящее время исследователи вернулись к идее использования полной жидкостной вентиляции легких. Однако фантастическая картина водолазного костюма, в котором человек будет дышать жидкостью вместо специальной смеси газов, далека от реальности, хотя и будоражит воображение публики и умы изобретателей.
Так, в 2008 году отошедший от дел американский хирург Арнольд Ланде (Arnold Lande) запатентовал водолазный костюм с использованием технологии жидкостной вентиляции. Вместо сжатого газа он предложил использовать перфторуглероды, а избыток углекислоты, которая будет образовываться в крови, выводить при помощи искусственных жабр, «воткнутых» прямо в бедренную вену водолаза. Изобретение получило некоторую известность после того, как о нем написало издание The Inpependent .
Как считает специалист по жидкостной вентиляции из Шербрукского университета в Канаде Филипп Мишо (Philippe Micheau), проект Ланде выглядит сомнительным. «В наших экспериментах (Мишо и его коллеги проводят эксперименты на ягнятах и крольчатах со здоровыми и поврежденными легкими — прим. «Чердака») по тотальному жидкостному дыханию животные находятся под анестезией и не двигаются. Поэтому мы можем организовать нормальный газообмен: доставку кислорода и удаление углекислого газа. Для людей при физической нагрузке, такой как плавание и ныряние, доставка кислорода и удаление углекислоты будут проблемой, так как выработка углекислоты в таких условиях выше нормы», — прокомментировал Мишо. Ученый также отметил, что технология закрепления «искусственных жабр» в бедренной вене ему неизвестна.
Главная проблема «жидкостного дыхания»
Более того, Мишо считает саму идею «жидкостного дыхания» сомнительной, поскольку для «дыхания» жидкостью человеческая мускулатура не приспособлена, а эффективная система насосов, которая бы помогала закачивать и выкачивать жидкость из легких человека, когда он двигается и выполняет какую-то работу, до сих пор не разработана.
«Я должен заключить, что на современном этапе развития технологий невозможно разработать водолазный костюм, используя метод жидкостной вентиляции», — считает исследователь.
Однако применение этой технологии продолжает исследоваться для других, более реалистичных целей. Например, для помощи утонувшим, промывания легких при различных заболеваниях или быстрого понижения температуры тела (применяется в случаях реанимации при остановке сердца у взрослых и новорожденных с гипоксически-ишемическим поражением мозга).
Разрабатываемая Фондом перспективных исследований (ФПИ) система жидкостного дыхания поможет подводникам быстро подниматься на поверхность без кессонной болезни. Антропоморфный робот Фёдор примет участие в испытаниях нового российского космического корабля и может помочь Росатому в утилизации ядерных отходов. Подводный аппарат для экстремальных глубин будет испытан на дне Марианской впадины. О проектах ФПИ «Известиям» рассказал председатель научно-технического совета фонда Виталий Давыдов.
- Сколько проектов реализовано фондом и какие из них вы бы отметили особо?
В разной стадии выполнения у нас находится около 50 проектов. Еще 25 завершены. Полученные результаты переданы или передаются заказчикам. Созданы демонстраторы технологий, получено порядка 400 результатов интеллектуальной деятельности. Диапазон тематик - от погружения на дно Марианской впадины до космоса.
Из реализованных проектов можно назвать, например, успешно проведенные в прошлом году совместно с ведущим предприятием ракетного двигателестроения НПО «Энергомаш» испытания ракетного детонационного двигателя. Параллельно впервые в мире фонд получил устойчивый рабочий режим демонстратора детонационного воздушно-реактивного двигателя. Если первый предназначен для космической техники, то второй - для авиационной. Гиперзвуковые летательные аппараты, использующие такие системы, столкнутся с множеством проблем. Например, с высокими температурами. Фонд нашел решение этих проблем, использовав эффект термоэмиссии - преобразования тепловой энергии в электрическую. Фактически мы получаем электроэнергию для питания систем аппарата и одновременно охлаждаем элементы планера и двигатель.
- Один из самых известных проектов Фонда - робот Фёдор. Его создание завершено?
– Да, работы по Фёдору завершены. Сейчас идет передача МЧС полученных результатов. Причем оказалось, что они заинтересовали не только МЧС, но и другие министерства, а также госкорпорации. Многие, наверное, слышали, что технологии Фёдора будут использованы «Роскосмосом» для создания робота-испытателя, который отправится в полет на новом российском пилотируемом космическом корабле «Федерация». Большой интерес к роботу проявил «Росатом». Ему нужны технологии, обеспечивающие возможность работы в условиях, опасных для человека. Например, при утилизации ядерных отходов.
- Можно ли использовать Фёдора для спасения экипажей подлодок, обследования затонувших кораблей?
Технологии, полученные при создании Фёдора, могут быть использованы для различных целей. Фонд реализует ряд проектов, связанных с подводными необитаемыми аппаратами. И в принципе технологии антропоморфного робота могут быть в них интегрированы. В частности, предусматривается создание подводного аппарата для работы на экстремальных глубинах. Мы намерены испытать его в Марианской впадине. При этом не просто опуститься на дно, как наши предшественники, а обеспечить возможность передвижения в придонной области и проведения научных исследований. Такого еще никто не делал.
В США разрабатывается четырехногий робот для перевозки грузов BigDog. Ведутся ли в ФПИ аналогичные разработки?
Что касается шагающих платформ для переноски грузов или боеприпасов, то фонд такую работу не ведет. Но некоторые организации, с которыми мы сотрудничаем, в инициативном порядке занимались подобными разработками. Вопрос о том, нужен ли подобный робот на поле боя, остается открытым. В большинстве случаев выгоднее использовать колесные или гусеничные машины.
- Какие робототехнические платформы создаются в ФПИ, помимо Фёдора?
У нас разрабатывается целый спектр платформ различного назначения. Это и наземные, и воздушные, и морские роботы. Выполняющие задачи разведки, транспортировки грузов, а также способные вести боевые действия. Одним из направлений работ в этой области является определение облика и отработка способов применения дронов, включая групповой. Думаю, что если всё будет идти теми же темпами, уже в ближайшее время произойдет существенное расширение применения дронов в том числе и для решения боевых задач.
- ФПИ разрабатывает атмосферный спутник «Сова» - большой электросамолет. Как идут его испытания?
-Испытания демонстратора беспилотного аппарата «Сова» завершены. Состоялся длительный полет на высоте около 20 тыс. м. К сожалению, аппарат попал в зону сильной турбулентности и получил серьезные повреждения. Но к этому времени мы уже получили все необходимые данные, убедились как в перспективности самого направления исследований, так и правильности выбранных конструктивных решений . Полученный опыт будет использован при создании и испытании полноразмерного аппарата.
Предприятие «Роскосмоса» НПО им. Лавочкина ведет аналогичную разработку - создает атмосферный спутник «Аист». Вы следите за разработкой конкурентов?
Мы в курсе этих работ, поддерживаем связь с разработчиками «Аиста». Речь идет не о конкуренции, а о взаимном дополнении.
Могут ли подобные аппараты использоваться в арктической зоне, где нет связи и инфраструктуры для частых взлетов-посадок?
Необходимо учитывать, что весной и осенью, а тем более в условиях полярной ночи «атмосферный спутник» может просто не получить энергии, необходимой для зарядки батарей. Это ограничивает его применение.
Недавно общественности были продемонстрированы технологии жидкостного дыхания – погружение таксы в специальную насыщенную кислородом жидкость. Демонстрация «утопления» вызвала волну протестов. Продолжатся ли после этого работы в данном направлении?
-Работы по жидкостному дыханию продолжаются. На основе нашей разработки могут быть спасены тысячи жизней. И речь идет не только о подводниках, которые благодаря жидкостному дыханию смогут без последствий в виде кессонной болезни оперативно подняться на поверхность. Есть целый ряд заболеваний и травм легких, при лечении которых можно добиться успеха с помощью жидкостного дыхания. Интересны перспективы использования технологии жидкостного дыхания для быстрого охлаждения организма, когда необходимо замедлить протекающие в нем процессы. Сейчас это делается за счет внешнего охлаждения или ввода в кровь специального раствора. Можно то же самое, но более эффективно, делать с помощью заполнения легких охлажденной дыхательной смесью.
Руководитель лаборатории ФПИ по созданию жидкостного дыхания Антон Тоньшин с таксой по кличке Николас, с помощью которой ученые Фонда перспективных исследований (ФПИ) изучали возможности жидкостного дыхания
Надо отметить, что нет никакого нанесения вреда здоровью животных, участвующих в данных экспериментах. Все «экспериментаторы» живы. Часть из них содержится в лаборатории, где их состояние контролируют. Многие стали домашними питомцами сотрудников, но при этом их состояние также периодически отслеживается нашими специалистами. Результаты наблюдений свидетельствуют об отсутствии негативных последствий жидкостного дыхания. Технология отработана, и мы перешли к созданию специальных устройств для ее практической реализации.
- Когда перейдете к исследованиям жидкостного дыхания на людях?
Теоретически мы готовы к таким экспериментам, но для их начала необходимо по крайней мере создать и отработать соответствующее оборудование.
В свое время ФПИ разработал программную платформу для проектирования различной техники, призванную заменить иностранный софт. Используется ли она где-то?
Работы по созданию единой среды российского инженерного программного обеспечения «Гербарий» действительно завершены. Сейчас рассматривается вопрос о ее использовании в «Росатоме» и «Роскосмосе» - для проектирования перспективных образцов продукции атомной промышленности, а также ракетно-космической техники.
- Работает ли фонд в области технологий дополненной реальности?
-Да, фонд ведет такие работы - в частности, совместно с «КамАЗом». Одна из наших лабораторий создала прототип очков дополненной реальности, которые обеспечивают контроль сборки агрегатов для автомобиля. Программа подсказывает, какую деталь нужно взять и куда ее установить. Если оператор совершает неправильные действия, например отступает от установленного порядка сборки изделия или неверно устанавливает его элементы, звучит звуковое оповещение о неверном шаге, а на очки выводится информация об ошибке. При этом факт неправильных действий или даже их попытка фиксируется в электронном журнале. В итоге должна быть создана система, исключающая возможность неправильной сборки. В дальнейшем мы намерены развивать указанную систему в направлении миниатюризации, заменить очки на более совершенные устройства.
Перспективы вычислительной техники сейчас связывают с развитием квантовых компьютеров, а защиты информации - с квантовой криптографией. Развивает ли ФПИ эти направления?
Фонд занимаемся проблематикой, связанной с квантовыми вычислениями, созданием соответствующей элементной базы. Что касается квантовой связи, у всех на слуху опыты китайских коллег. Но и мы не стоим на месте.
Еще осенью 2016 года ФПИ и «Ростелеком» обеспечили квантовую передачу информации по оптико-волоконному кабелю между Ногинском и Павловским Посадом. Эксперимент прошел успешно. Сегодня можно уже поговорить по квантовому телефону. Важной особенностью квантовой передачи информации является невозможность ее перехвата.
В ходе упомянутого эксперимента квантовая связь была обеспечена на расстоянии около 30 км. Технически нет проблем осуществить ее и на большей дальности. Готовимся провести сеанс связи по атмосферному каналу. Прорабатываем возможность эксперимента по квантовой связи из космоса с использованием потенциала Международной космической станции.
Жизнь на нашей планете зародилась, по-видимому, в воде - в среде, где запасы кислорода весьма скудны. При атмосферном давлении содержание кислорода в воздухе на уровне моря составляет 200 миллилитров на литр, а в литре поверхностного слоя воды растворено меньше семи миллилитров кислорода.
Первые обитатели нашей планеты, приспособившись к водной среде, дышали жабрами, назначение которых — экстрагировать максимальное количество кислорода из воды.
В ходе эволюции животные освоили богатую кислородом атмосферу суши и начали дышать легкими. Функции дыхательных органов остались прежними.
Как в легких, так и в жабрах кислород через тонкие мембраны проникает из окружающей среды в кровеносные сосуды, а углекислый газ выбрасывается из крови в окружающую среду. Итак, и в жабрах и в легких протекают одни и те же процессы. Отсюда возникает вопрос: смогло бы животное с легкими дышать в водной среде, если бы в ней содержалось достаточное количество кислорода?
Ответ на этот вопрос заслуживает внимания по нескольким причинам. Во-первых, мы смогли бы узнать, почему дыхательные органы сухопутных животных так отличаются по строению от соответствующих органов водных животных.
Кроме того, ответ на этот вопрос имеет и чисто практический интерес. Если бы специально подготовленный человек смог дышать в водной среде, то это облегчило бы и освоение глубин океана и путешествия к далеким планетам. Все это и послужило основанием к постановке ряда экспериментов по изучению возможности дыхания сухопутных млекопитающих водой.
Проблемы при дыхании водой
Эксперименты проводились в лабораториях Нидерландов и США. Дыхание водой связано с двумя основными проблемами. Об одной уже говорилось: при обычном атмосферном давлении в воде растворено слишком мало кислорода.
Вторая проблема заключается в том, что вода и кровь — жидкости с очень различными физиологическими свойствами. При «вдохе» вода может повредить ткани легких и вызвать фатальные изменения объема и состава находящихся в организме жидкостей.
Предположим, мы приготовили специальный изотонический раствор, где состав солей такой же, как и в плазме крови. Под большим давлением раствор насыщают кислородом (его концентрация примерно такая же, как в воздухе). Сможет ли животное дышать таким раствором?
Первые подобные эксперименты были проведены в Лейденском университете. Через шлюз, подобный спасательному шлюпу подводной лодки, мышей вводили в камеру, заполненную специально подготовленным раствором, и который под давлением был введен кислород. Через прозрачные стенки камеры можно было наблюдать за поведением мышей.
В первые несколько мгновений животные пытались выбраться на поверхность, но им мешала проволочная сетка. После первых волнений мыши успокаивались и, казалось, не очень страдали в подобной ситуации. Они совершали медленные, ритмичные дыхательные движения, по-видимому, вдыхая и выдыхая жидкость. Некоторые из них прожили в таких условиях в течение многих часов.
Главная трудность дыхания водой
После ряда опытов стало ясно, что решающим фактором, определяющим продолжительность жизни мышей, является не недостаток кислорода (который мог быть введен в раствор в любом нужном количестве простым повышением его парциального давления), а трудность выделения из организма углекислого газа в необходимой степени.
Мышь, прожившая самое длительное время - 18 часов,- находилась в растворе, в который было добавлено небольшое количество органического буфера, трис(оксиметил)аминометана. Последний сводит к минимуму неблагоприятный эффект накопления углекислого газа в организме животных. Снижение температуры раствора до 20 С (примерно половина нормальной температуры тела мыши) также способствовало продлению жизни.
В данном случае это обусловливалось общим замедлением процессов обмена веществ.
Обычно в литре выдыхаемого животным воздуха содержится 50 миллилитров углекислого газа. При прочих равных условиях (температура, парциальное давление углекислого газа) в одном литре солевого раствора, идентичного по своему солевому составу крови, растворяется только 30 миллилитров этого газа.
Значит, чтобы выделить необходимое количество углекислого газа, животное должно вдыхать воды вдвое больше, чем воздуха. (А ведь для прокачивания жидкости через бронхиальные сосуды требуется в 36 раз больше энергии, так как вязкость воды в 36 раз превышает вязкость воздуха.)
Отсюда очевидно, что даже при отсутствии турбулентного движения жидкости в легких для дыхания водой необходимо в 60 раз больше энергии, чем для дыхания воздухом.
Поэтому нет ничего удивительного в том, что подопытные животные постепенно ослабевали, а потом - вследствие истощения и накопления в организме углекислого газа — дыхание прекращалось.
Результаты эксперимента
На основании проведенных опытов нельзя было судить о том, какое количество кислорода поступает в легкие, насколько насыщена им артериальная кровь и какова степень накопления в крови животных углекислого газа. Постепенно мы подошли к серии более совершенных экспериментов.
Они проводились на собаках в большой камере, снабженной дополнительным оборудованием. Камера наполнялась воздухом под давлением в 5 атмосфер. Здесь же находилась ванна с солевым раствором, насыщенным кислородом. В нее погружали подопытное животное. Перед экспериментом, чтобы снизить общую потребность организма в кислороде, собак анестезировали и охлаждали до 32°С.
Во время погружения собака совершала бурные дыхательные движения. Струйки воды, поднимающиеся с поверхности, ясно показывали, что она прокачивала раствор через легкие. По окончании эксперимента собаку вытаскивали из ванны, удаляли из легких воду и вновь наполняли их воздухом. Из шести животных, подвергшихся испытанию, одно выжило. Собака дышала в воде 24 минуты.
Результаты эксперимента можно сформулировать следующим образом: в определенных условиях животные, которые дышат воздухом, в течение ограниченного промежутка времени могут дышать водой. Главный недостаток водного дыхания - накопление углекислого газа в организме.
Во время опыта давление крови выжившей собаки было несколько меньше нормального, но оставалось постоянным; пульс и дыхание были медленными, но равномерными, артериальная кровь насыщена кислородом. Содержание углекислого газа в крови постепенно увеличивалось.
Это означало, что бурная дыхательная деятельность собаки была недостаточной для удаления необходимых количеств углекислого газа из организма.
Новая серия опытов дыхания водой
В Нью-Йоркском государственном университете я продолжил работу совместно с Германом Рааном, Эдвардом X. Ланфиром и Чарльзом В. Паганелли. В новой серии опытов были применены приборы, позволившие получить конкретные данные по газообмену, происходящему в легких собаки при дыхании жидкостью. Как и прежде, животные дышали солевым раствором, насыщенным кислородом под давлением в 5 атмосфер.
Газовый состав вдыхаемой и выдыхаемой жидкости определяли на входе и выходе раствора из легких собак. Насыщенная кислородом жидкость попадала в организм находящейся под наркозом собаки через резиновую трубку, вставленную в трахею. Поток регулировался клапанным насосом.
При каждом вдохе раствор под действием силы тяжести стекал в легкие, а при выдохе жидкость по такому же принципу поступала в специальный приемник. Количество кислорода, поглощенного в легких, и количество выделенного углекислого газа определяли как разность соответствующих величин в равных объемах вдыхаемой и выдыхаемой жидкости.
Животных не охлаждали. Оказалось, что в этих условиях собака экстрагирует примерно такое же количество кислорода из воды, как обычно из воздуха. Как и следовало ожидать, животные не выдыхали достаточного количества углекислого газа, поэтому содержание его в крови постепенно увеличивалось.
По окончании эксперимента, продолжительность которого доходила до сорока пяти минут, воду из легких собаки удаляли через специальное отверстие в трахее. Легкие продували несколькими порциями воздуха. Дополнительных процедур по «оживлению» не проводили. Шесть из шестнадцати собак перенесли эксперимент без видимых последствий.
Взаимодействие трех элементов
Дыхание и рыб и млекопитающих основано на сложном взаимодействии трех элементов:
1) потребности организма в газообмене,
2) физических свойств окружающей среды и
3) строения органов дыхания.
Чтобы подняться выше чисто интуитивной оценки значения строения органов в процессе приспособления, необходимо точно понимать все эти взаимодействия. Следует, очевидно, поставить такие вопросы. Как молекула кислорода попадает из окружающей среды в кровь? Каков ее точный путь? Ответить на эти вопросы куда более сложно, чем можно предположить.
При расширении грудной клетки в легкие животного попадает воздух (или вода). Что же происходит с жидкостью, попавшей в пограничные воздушные мешочки легких? Рассмотрим это явление на простом примере.
Если в частично заполненный водой шприц медленно вводить через иглу небольшое количество чернил, то они сначала образуют тоненькую струйку в центре сосуда. После прекращения «вдоха» чернила постепенно распространяются по всему объему воды.
Если же чернила вводить быстро, так, чтобы поток был турбулентным, смешивание произойдет, конечно, гораздо быстрее. На основании полученных данных, а также учитывая размер бронхиальных трубок, можно заключить, что вдыхаемый поток воздуха или воды входит в воздушные мешочки медленно, без турбулентности.
Следовательно, можно предположить, что при вдохе свежего воздуха (или воды) молекулы кислорода сначала сосредоточатся в центре воздушных мешочков (альвеол). Теперь им предстоит преодолеть посредством диффузии значительные расстояния, прежде чем они достигнут стенок, через которые попадут в кровь.
Эти расстояния во много раз больше толщины мембран, отделяющих в легких воздух от крови. Если вдыхаемой средой является воздух, это не имеет большого значения: кислород распределяется равномерно по всей альвеоле за миллионные доли секунды.
Скорость распространения газов в воде в 6 тысяч раз меньше, чем в воздухе. Поэтому при дыхании водой возникает разность парциальных давлений кислорода в центральной и периферийной областях. Вследствие малой скорости диффузии газов давление кислорода в центре альвеолы с каждым циклом дыхания становится выше,чем у стенок. Концентрация же углекислого газа, уходящего из крови, больше у стенок альвеолы, чем в центре.
Газообмен в легких
Такие теоретические предпосылки возникли на основании изучения газового состава выдыхаемой жидкости во время экспериментов на собаках. Воду, вытекающую из легких собаки, собирали в длинную трубку.
При этом оказалось, что в первой порции воды, поступившей, по-видимому, из центральной части альвеол, кислорода больше, чем в последней, поступившей от стенок. При дыхании собак в воздушной среде ощутимой разницы в составах первой и последней порций выдыхаемого воздуха не наблюдалось.
Интересно отметить, что газообмен, происходящий в легких собаки при дыхании водой, очень напоминает процесс, протекающий в простой капле воды, когда на ее поверхности осуществляется обмен: кислород - углекислый газ. На основании такой аналогии была построена математическая модель легких, а в качестве функциональной единицы выбрана сфера с диаметром примерно в один миллиметр.
Расчет показал, что легкие составляют около полумиллиона таких сферических газообменных ячеек, передача газа в которых осуществляется только при помощи диффузии. Вычисленное количество и размер этих ячеек близко совпадают с количеством и размером определенных структур легких, называемых «первичными дольками» (лобулями).
По-видимому, эти дольки и являются главными функциональными единицами легких. Аналогично — с привлечением анатомических данных — можно построить математическую модель жабр рыб, первичные газообменные единицы которых будут иметь соответственно другую форму.
Построение математических моделей позволило провести четкую грань между органами дыхания млекопитающих и рыб. Оказывается, главное заключается в геометрической структуре дыхательных ячеек. Это становится особенно очевидным при исследовании зависимости, связывающей потребность рыбы в газообмене, а свойства окружающей среды с формой органов дыхания рыб.
В уравнение, выражающее данную зависимость, входят такие величины, как доступность кислорода, то есть его концентрация, скорость диффузии и растворимость в окружающей животное среде.
Объем вдыхаемого воздуха или воды, число и размер газообменных ячеек, количество кислорода, поглощаемого ими, и, наконец, давление кислорода в артериальной крови. Предположим, что рыбы имеют в качестве органов дыхания не жабры, а легкие.
Подставив в уравнение реальные данные газообмена, протекающего при дыхании рыбы, мы обнаружим, что рыба с легкими не сможет жить в воде, так как расчет показывает полное отсутствие кислорода в артериальной крови вашей модели рыбы.
Значит, в предположении была ошибка, а именно: выбранная форма газообменной ячейки оказалась неверной. Рыбы живут в воде благодаря жабрам, состоящим из плоских, тонких, плотно упакованных пластинок. В такой структуре - в отличие от сферических ячеек легких - не возникает проблемы диффузии газов.
Животное с органами дыхания, подобными легким, может выжить в воде только в том случае, если потребность его организма в кислороде крайне мала. В качестве примера назовем голотурию (морской огурец).
Жабры дают рыбам возможность жить в воде, и эти же жабры не позволяют им существовать вне воды. На воздухе они разрушаются под действием силы тяжести. Поверхностное натяжение на границе воздух - вода вызывает слипание плотно упакованных жаберных пластинок.
Общая площадь жабр, доступная для газообмена, уменьшается настолько, что рыба не может дышать, несмотря на обилие кислорода в воздухе. Альвеолы легких предохраняются от разрушения, во-первых, грудной клеткой, во-вторых, выделяющимся в легких смачивающим агентом, который значительно уменьшает поверхностное натяжение.
Дыхание млекопитающих в воде
Изучение процессов дыхания млекопитающих в воде дало, таким образом, новые сведения об основных принципах дыхания вообще. С другой стороны, возникло реальное предположение, что человек сможет без вредных последствий ограниченное время дышать жидкостью. Это позволит водолазам спускаться на значительно большие глубины океана, чем сейчас.
Главная опасность глубоководного погружения связана с давлением воды на грудную клетку и легкие. В результате в легких повышается давление газов, и часть газов попадает в кровь, что приводит к серьезным последствиям. При высоких давлениях большинство газов токсично для организма.
Так, азот, попадающий в кровь водолаза, вызывает интоксикацию уже на глубине 30 метров и практически выводит его из строя на глубине 90 метров благодаря возникающему азотному наркозу. (Эта проблема может быть решена использованием редких газов, таких, как гелий, которые не токсичны даже при очень высоких концентрациях.)
Кроме того, если водолаз возвращается слишком быстро с глубины на поверхность, газы, растворенные в крови и тканях, выделяются в виде пузырьков, вызывая кессонную болезнь.
Этой опасности можно избежать, если водолаз будет дышать не воздухом, а жидкостью, обогащенной кислородом. Жидкость в легких выдержит значительные внешние давления, а объем ее при этом практически не изменится. В таких условиях водолаз, опускаясь на глубину в несколько сот метров, сможет быстро, без всяких последствий вернуться на поверхность.
В доказательство того, что кессонная болезнь не возникает при дыхании водой, в моей лаборатории были проведены следующие опыты. В экспериментах с мышью, которая дышала жидкостью, давление в 30 атмосфер в течение трех секунд доводили до одной атмосферы. Признаков заболевания не наблюдалось. Такая степень изменения давления эквивалентна эффекту подъема с глубины 910 метров со скоростью 1 100 километров в час.
Человек может дышать водой
Дыхание жидкостью может пригодиться человеку во время будущих путешествий в космос. При возвращении с далеких планет, например, с Юпитера, возникнет потребность в огромных ускорениях, позволяющих выйти из зоны притяжения планеты. Эти ускорения значительно больше того, что может вынести организм человека, особенно легко уязвимые легкие.
Но те же нагрузки станут вполне допустимыми, если легкие будут заполнены жидкостью, а тело космонавта погружено в жидкость с плотностью, равной плотности крови, подобно тому, как плод погружен в амниотическую жидкость материнской утробы.
Итальянские физиологи Рудольф Маргариа, Т. Гволтеротти и Д. Спинелли в 1958 году ставили такой опыт. Стальной цилиндр, в котором находились беременные крысы, бросали с разных высот на свинцовую опору. Целью эксперимента было проверить, выживет ли плод в условиях резкого торможения и толчка при приземлении. Скорость торможения вычисляли по глубине вдавливания цилиндра в свинцовую основу.
Сами животные в ходе опыта немедленно погибали. Вскрытия показывали значительное повреждение легких. Однако освобожденные хирургическим путем эмбрионы были живыми и развивались нормально. Плод, защищенный утробной жидкостью, способен перенести отрицательные ускорения до 10 тысяч g.
После экспериментов, показавших, что сухопутные животные могут дышать жидкостью, резонно предположить такую возможность и для человека. В настоящее время мы располагаем некоторыми прямыми доказательствами в пользу этого предположения. Так, например, нами используется сейчас новый метод лечения некоторых заболеваний легких.
Метод состоит в промывании одного легкого солевым раствором, удаляющим патологические выделения из альвеол и бронхов. Второе легкое дышит при этом газообразным кислородом.
Успешное осуществление этой операции вдохновило нас поставить эксперимент, на который добровольно вызвался мужественный водолаз — глубинник Фрэнсис Д. Фалейчик.
Под наркозом в его трахею был введен двойной катетер, каждая трубка которого доходила до легких. При нормальной температуре тела воздух в одном легком заменили 0,9-процентным раствором поваренной соли. «Дыхательный цикл» заключался в ведении солевого раствора в легкое и последующем удалении его.
Цикл был повторен семь раз, причем для каждого «вдоха» брали 500 миллилитров раствора. Фалейчик, находившийся в течение всей процедуры в полном сознании, рассказал, что он не заметил значительной разницы между легким, дышащим воздухом, и легким, дышащим водой. Он не испытывал также неприятных ощущений при входе и выходе потока жидкости из легкого.
Конечно, этот опыт еще очень далек от попытки осуществить процесс дыхания обоими легкими в воде, но он показал, что заполнение легких человека солевым раствором, если процедура выполнена правильно, не вызывает серьезных разрушений тканей и не производит неприятных ощущений.
Самая трудная проблема дыхания водой
Вероятно, самая трудная проблема, которую предстоит разрешить, связана с выделением из легких углекислого газа при дыхании водой. Как мы уже говорили, вязкость воды примерно в 36-40 раз больше вязкости воздуха. Это значит, что легкие будут прокачивать воду, по крайней мере, в сорок раз медленнее, чем воздух.
Другими словами, здоровый молодой водолаз, способный вдыхать 200 литров воздуха в минуту, сможет вдохнуть в минуту всего 5 литров воды. Вполне очевидно, что при таком дыхании углекислый газ не будет выделяться в достаточном количестве, даже если человек целиком погружен в воду.
Можно ли разрешить эту проблему использованием среды, в которой углекислый газ растворяется лучше, чем в воде? В некоторых сжиженных синтетических фтороуглеродах углекислого газа растворяется, например, в три раза больше, чем в воде, а кислорода - в тридцать раз. Леланд С. Кларк и Франк Голлан показали, что мышь может жить в содержащем кислород жидком фтористом углероде при атмосферном давлении.
Во фтористом углероде не только содержится больше кислорода, чем в воде, но в этой среде в четыре раза выше и скорость диффузии газа. Однако и здесь по-прежнему остается камнем преткновения малая пропускная способность жидкости через легкие: фтороуглероды обладают еще большей вязкостью, чем солевой раствор.
Перевод с английского Н. Познанской.
Это уже, наверное, клише в научной фантастике: в костюм или капсулу очень быстро поступает некое вязкое вещество, и главный герой внезапно для себя обнаруживает, как быстро он теряет остатки воздуха из собственных лёгких, а его внутренности заполняются необычной жидкостью оттенка от лимфы до крови. В конце концов он даже паникует, но делает несколько инстинктивных глотков или, скорее, вздохов и с удивлением обнаруживает - он может дышать этой экзотической смесью так, словно он дышит обычным воздухом.
Так ли мы далеки от реализации идеи жидкостного дыхания? Возможно ли дышать жидкой смесью, и есть ли в этом реальная необходимость?
Существует три перспективных пути использования этой технологии: это медицина, ныряние на большие глубины и космонавтика.
Давление на тело ныряльщика растёт с каждыми десятью метрами на одну атмосферу. Из-за резкого понижения давления может начаться кессонная болезнь, при проявлениях которой растворённые в крови газы начинают закипать пузырьками. Также при высоком давлении возможны кислородное и наркотическое азотное отравление. Со всем этим борются применением специальных дыхательных смесей, но и они не дают никаких гарантий, а лишь снижают вероятность неприятных последствий. Конечно, можно использовать водолазные скафандры, которые поддерживают давление на тело ныряльщика и его дыхательной смеси ровно в одну атмосферу, но они в свою очередь крупногабаритны, громоздки, затрудняют движение, а также очень дороги.
Жидкостное дыхание могло бы предоставить третье решение этой проблемы с сохранением мобильности эластичных гидрокомбинезонов и низких рисков жёстких скафандров. Дыхательная жидкость в отличие от дорогих дыхательных смесей не насыщает тело гелием или азотом, поэтому также отпадает необходимость в медленной декомпрессии для избежания кессонной болезни.
В медицине жидкостное дыхание можно использовать при лечении недоношенных детей, чтобы избежать повреждения недоразвитых бронхов лёгких давлением, объёмом и концентрацией кислорода воздуха аппаратов искусственной вентиляции лёгких. Подбирать и пробовать различные смеси для обеспечения выживания недоношенного плода начали уже в 90-х. Возможно использование жидкой смеси при полных остановках или частичных недостаточностях дыхания.
Космический полёт сопряжён с большими перегрузками, а жидкости распространяют давление равномерно. Если человека погрузить в жидкость, то при перегрузках давление будет идти на всё его тело, а не конкретные опоры (спинки кресла, ремни безопасности). Такой принцип использовался при создании костюма для перегрузок Libelle, который представляет из себя жёсткий скафандр, наполненный водой, что позволяет пилоту сохранять сознание и работоспособность даже при перегрузках выше 10 g.
Этот метод ограничен разницей плотностей тканей тела человека и используемой жидкостью для погружения, поэтому предел составляет 15-20 g. Но можно пойти дальше и заполнить лёгкие жидкостью, близкой по плотности к воде. Полностью погруженный в жидкость и дышащий жидкостью космонавт будет относительно слабо ощущать эффект экстремально высоких перегрузок, поскольку силы в жидкости распределяются равномерно во всех направлениях, но эффект всё равно будет из-за различной плотности тканей его тела. Предел всё равно останется, но он будет высок.
Первые эксперименты по жидкостному дыханию проводились в 60-х годах прошлого века на лабораторных мышах и крысах, которых заставили вдыхать солевой раствор с высоким содержанием растворённого кислорода. Эта примитивная смесь давала животным возможность выжить некоторое количество времени, но она не могла удалять углекислый газ, поэтому лёгким животных наносился непоправимый вред.
Позже начались работы с перфторуглеродами, и их первые результаты были куда лучше результатов экспериментов с соляным раствором. Перфторуглероды - это органические вещества, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. Перфторуглеродные соединения обладают способностью растворять как кислород, так и углекислый газ, они очень инертны, бесцветны, прозрачны, не могут нанести повреждения ткани лёгких и не усваиваются организмом.
С того момента жидкости для дыхания были улучшены, самое совершенное на данный момент решение называется перфлуброн или «Ликвивент» (коммерческое название). Эта маслоподобная прозрачная жидкость с плотностью в два раза выше плотности воды обладает множеством полезных качеств: она может нести в два раза больше кислорода, чем обычный воздух, имеет низкую температуру кипения, поэтому после использования окончательное её удаление из лёгких производится испарением. Альвеолы под воздействием этой жидкости лучше открываются, и вещество получает доступ к их содержимому, это улучшает обмен газами.
Лёгкие могут заполняться жидкостью полностью, это потребует мембранного оксигенатора, нагревающего элемента и принудительной вентиляции. Но в клинической практике чаще всего так не делают, а используют жидкостное дыхание в комбинации с обычной газовой вентиляцией, заполняя лёгкие перфлуброном лишь частично, примерно на 40% от всего объёма.
Кадр из фильма Бездна (The Abyss), 1989 год
Что же мешает нам использовать жидкостное дыхание? Жидкость для дыхания вязка и плохо выводит углекислый газ, поэтому понадобится принудительная вентиляция лёгких. Для удаления углекислого газа от обычного человека массой 70 килограммов потребуется поток 5 литров в минуту и выше, и это очень много с учётом высокой вязкости жидкостей. При физических нагрузках величина необходимого потока будет только расти, и вряд ли человек сможет двигать 10 литров жидкости в минуту. Наши лёгкие просто не созданы для дыхания жидкостью и сами прокачивать такие объёмы не в состоянии.
Использование положительных черт жидкости для дыхания в авиации и космонавтике тоже может навсегда остаться мечтой - жидкость в лёгких для костюма защиты от перегрузок должна обладать плотностью воды, а перфлуброн в два раза её тяжелей.
Да, наши лёгкие технически способны «дышать» определённой богатой кислородом смесью, но, к сожалению, пока мы можем это делать только на протяжении нескольких минут, поскольку наши лёгкие не настолько сильны, чтобы обеспечивать циркуляцию дыхательной смеси продолжительные периоды времени. Ситуация может измениться в будущем, остаётся лишь обратить наши надежды на исследователей в этой области.