"Liquid breathing" är endast lämplig för hundar än så länge. Djupandning

Jag har helt klart sett den 8 gånger. Och varje gång jag gjorde det enbart i underhållningssyfte och intressant handling med ett fantastiskt skådespelarspel, som, enligt filmteamets vittnesmål, utmattade utövarna av huvudrollerna kraftigt.

Och i förra gången Jag insåg att den här filmen har något mer.

Genom hela filmen får vi veta om att andas in vätska. Det vi startade i livmodern kan fortsätta. Huvudsaken är situationen.

Alla 7 visningar för mig var filmen bara en fantasi, ett fantasispel för manusförfattaren eller regissören. I en scen visas en mus som andas en speciell vätska. I den andra är Bada (Ed Harris karaktär) i en rymddräkt fylld med samma vätska. Han skickas till ett djup där ingen har varit och fyller hans lungor med "speciellt vatten", eftersom syret i människokroppen på sådana djup inte har något att göra.

Efter att ha utvecklat dykutrustning för ungefär sextio år sedan, introducerade fransmannen Jacques Yves Cousteau termen "vatten" och "lungor" i sitt namn. Men själva tekniken att helt fylla lungorna med vatten (i form av en vatten-saltlösning) blev känd från publiceringen av Kylstra J. "En mus som en fisk" - den första inom vätskeandning, som talar om sådana en idé om att rädda ubåtsmän. Han var den första som genomförde nedstigningar till ett djup av 1000 m på landdäggdjur (möss) och visade att övergången till vätskeandning helt förhindrar dödsfall från bildning av dekompressionsgas. I Sovjetunionen bekräftades detta under artificiell lungventilation (ALV) med vätska från hundar under förhållanden för imitation av dyknedgångar på 1000 m.

Hela vätskeandningssystemet är baserat på perfluorkolformeln. Perflubron är en klar, oljig vätska med låg densitet. Den innehåller mer syre än luft. Eftersom denna vätska är inert skadar den inte lungorna. Eftersom det har en mycket låg kokpunkt tas det snabbt och enkelt bort från lungorna;

Det finns få tillverkare av dessa vätskor på världsmarknaden, eftersom deras utveckling är en biprodukt " kärnkraftsprojekt". Medicinsk kvalitetsvätskor är endast kända från ett fåtal världsföretag: DuPont (USA), ICI och F2 (Storbritannien), Elf-Atochem (Frankrike). Perfluorkolvätskor, tekniskt utvecklade vid St. Petersburg Institute of Applied Chemistry, är nu ledande inom medicin och kosmetologi;

I Ryssland, på allvar och utan skratt i rökrummet, tänkte de på ämnet fri uppstigning genom ett speciellt system för vätskeandning efter;

Sedan bildandet av Ryska federationen har utvecklingen av en vätskeandningsmetod för att rädda ubåtsfartyg, såväl som förberedelserna av frivilliga tester 2007, genomförts och genomförs utan bidrag, på bekostnad av AVF i samarbete med St. Petersburg State Medical University. I.P. Pavlov och andra organisationer;

För närvarande finns en speciell djuphavsdykarapparat som ett projekt inom ramen för författarens koncept om snabb räddning av ubåtsmän. Det baseras på unika egenskaper snabba och resistenta (mot tryck) dykare av vätskeandning;

Arnold Lande, en före detta kirurg och nu pensionerad amerikansk uppfinnare, ansökte om patent på en dykardräkt utrustad med en cylinder med en speciell syreberikad vätska. Den så kallade "flytande luften" tillförs från cylindern till dykarhjälmen, fyller hela utrymmet runt huvudet, tränger undan luft från lungorna, nasofarynxen och öronen och mättar de mänskliga lungorna med tillräckligt med syre. I sin tur går koldioxid, som frigörs vid andning, ut med hjälp av ett slags gälar fästa vid dykarens lårbensven. Det vill säga att andningsprocessen i sig blir helt enkelt inte nödvändig - syre kommer in i blodet genom lungorna och koldioxid avlägsnas direkt från blodet. Det är sant, hur denna mest inkompressibla vätska kommer att tillföras från cylindern är ännu inte helt klart ...;

Det finns uppgifter om att experiment med att andas in vätskor genomförs med kraft och kraft. Och i Ryssland likaså;

I filmen "The Abyss" andades förstås ingen av skådespelarna "speciellt vatten". Och i en av scenerna tilläts till och med en liten men mycket minnesvärd joint, när Bud sjunker till djupet kommer en förrädisk bubbla ut ur hans mun, .. som inte borde vara under vätskeandning;

Skådespelaren Ed Harris, som spelade en av huvudrollerna, rollen som Bud, var på något sätt tvungen att sluta på vägen från inspelningen på grund av en attack av ofrivilligt gråt.. Så utmattande var processen att göra filmen. Cameron krävde exceptionell trovärdighet.

Kolla på filmer. Andas fritt och dra över vägkanten bara för att ta bilder av fjärilar.

Tack för den öppna tillgången till vissa uppgifter Motsvarande ledamot av den ryska naturvetenskapsakademin, Ph.D.A. V. Filippenko.

Nyligen godkände Scientific and Technical Council of the State Foundation for Advanced Study ett "projekt för att skapa en teknik för att rädda ubåtsfartyg genom fri uppstigning med vätskeandningsmetoden", som borde implementeras av Moskvas institut för arbetsmedicin (vid den tiden skriftligen var institutets ledning inte tillgänglig för kommentarer). "Attic" bestämde sig för att ta reda på vad som döljer sig bakom den mystiska frasen "flytande andetag".

Vätskeandning visas mest imponerande i James Camerons The Abyss.

Sant, i denna form har experiment på människor aldrig utförts. Men i allmänhet är forskare inte mycket sämre än Cameron när det gäller studien av denna fråga.

möss gillar fisk

Den första som visade att däggdjur i princip inte kan få syre från en blandning av gaser, utan från en vätska, var Johannes Kylstra från sjukhus Duke University (USA). Tillsammans med kollegor publicerade han 1962 verket "Mice as fish" (Of mice as fish) i tidskriften Transaktioner av American Society for Artificiella inre organ.

Kilstra och hans kollegor sänkte möss i saltlösning. För att lösa upp tillräckligt med syre för att andas i det, "drev" forskarna gasen i en vätska under tryck upp till 160 atmosfärer - som på ett djup av 1,5 kilometer. Mössen i dessa experiment överlevde, men inte särskilt länge: det fanns tillräckligt med syre i vätskan, men själva processen att andas, dra in och trycka ut vätskan ur lungorna krävde för mycket ansträngning.

"Substans Joe"

Det blev tydligt att det var nödvändigt att välja en vätska där syre skulle lösas upp mycket bättre än i vatten. Två typer av vätskor hade de erforderliga egenskaperna: silikonoljor och flytande perfluorkolväten. Efter experiment av Leland Clark, en biokemist vid University of Alabama School of Medicine, i mitten av 1960-talet, fann man att båda typerna av vätskor kunde användas för att leverera syre till lungorna. I experimenten var möss och katter helt nedsänkta i både perfluorkolväten och silikonoljor. Det senare visade sig dock vara giftigt – försöksdjuren dog kort efter försöket. Men perfluorkolväten visade sig vara ganska lämpliga för användning.

Perfluorkolväten syntetiserades först under Manhattan-projektet för att skapa atombomb: forskare letade efter ämnen som inte skulle förstöras när de interagerar med uranföreningar, och de passerade under kodnamn Joes grejer. De är mycket väl lämpade för vätskeandning: "Joe-ämnen" interagerar inte med levande vävnader och löser perfekt upp gaser, inklusive syre och koldioxid vid atmosfärstryck och normal temperatur människokropp.

Kilstra och hans kollegor har forskat på vätskeandningsteknik i jakt på en teknik som skulle tillåta människor att dyka och flyta till ytan utan rädsla för att utveckla kurvor. Snabb uppstigning från stora djup med tillförsel av komprimerad gas är mycket farlig: gaser löser sig bättre i vätskor under tryck, så när dykaren stiger upp, bildar gaserna lösta i blodet, i synnerhet kväve, bubblor som skadar blodkärlen. Resultatet kan bli sorgligt, till och med dödligt.

År 1977 lämnade Kilstra ett yttrande till US Department of Navy, där han skrev att en frisk person enligt hans beräkningar skulle kunna få den erforderliga mängden syre med hjälp av perfluorkolväten, och följaktligen skulle de potentiellt kunna användas istället för komprimerad gas. Forskaren påpekade att en sådan möjlighet öppnar nya möjligheter för att rädda ubåtsfartyg från stora.

Experiment på människor

I praktiken användes tekniken för vätskeandning, då kallad vätskeventilation av lungorna, på människor endast en gång, 1989. Sedan använde Thomas Shaffer, en barnläkare vid Temple University School of Medicine (USA), och hans kollegor denna metod för att rädda för tidigt födda barn. Lungorna hos fostret i livmodern är fyllda med vätska, och när en person föds och börjar andas luft tillåter en blandning av ämnen som kallas lungtensid inte lungvävnaderna att hålla ihop resten av livet. Hos för tidigt födda barn hinner det inte samlas i rätt mängd, och andningen kräver mycket stora ansträngningar, vilket är fyllt av dödligt utfall. Vid den tiden räddade dock inte vätskeventilation av spädbarnen: alla tre patienterna dog snart, men detta sorgliga faktum tillskrevs av andra skäl och inte till ofullkomligheten i metoden.

Fler experiment på total vätskeventilation av lungorna, som denna teknik kallas på ett vetenskapligt sätt, har inte utförts på människor. Men på 1990-talet modifierade forskare metoden och experimenterade med partiell vätskeventilation, där lungorna inte är helt fyllda med vätska, på patienter med svår lunginflammation. De första resultaten såg uppmuntrande ut, men till slut nådde det inte klinisk tillämpning - det visade sig att konventionell ventilation av lungorna med luft fungerar lika bra.

Fiktionspatent

Forskare har nu återvänt till tanken på att använda full vätskeventilation. Den fantastiska bilden av en dykardräkt där en person kommer att andas vätska istället för en speciell blandning av gaser är dock långt ifrån verkligheten, även om den väcker fantasin hos allmänheten och uppfinnarnas sinnen.

Så 2008 patenterade den pensionerade amerikanske kirurgen Arnold Lande en dykardräkt med hjälp av flytande ventilationsteknik. Istället för komprimerad gas föreslog han användningen av perfluorkolväten, och överskottet av koldioxid som skulle bildas i blodet skulle avlägsnas med hjälp av konstgjorda gälar "fast" direkt i dykarens lårbensven. Uppfinningen blev en del känd efter att en publikation skrev om den. Den självständiga.

Enligt Philippe Micheau, specialist på vätskeventilation vid University of Sherbrooke i Kanada, ser Landes projekt tveksamt ut. "I våra experiment (Michot och hans kollegor genomför experiment på lamm och kaniner med friska och skadade lungor - ungefär "vinden") på total vätskeandning, är djuren under narkos och rör sig inte. Därför kan vi organisera normalt gasutbyte: leverans av syre och avlägsnande av koldioxid. För människor under fysisk aktivitet, som simning och dykning, kommer tillförsel av syre och avlägsnande av koldioxid att vara ett problem, eftersom produktionen av koldioxid under sådana förhållanden är över det normala, ”kommenterade Michaud. Forskaren noterade också att tekniken för att fixera "konstgjorda gälar" i lårbensvenen är okänd för honom.

Det största problemet med "vätskeandning"

Dessutom anser Michaud själva idén om "vätskeandning" tveksam, eftersom mänskliga muskler inte är anpassade för att "andas" med vätska, utan ett effektivt system av pumpar som skulle hjälpa pumpa och pumpa ut vätska ur en persons lungor när han rör sig och gör en del arbete, har ännu inte utvecklats.

"Jag måste dra slutsatsen att nuvarande skede utveckling av teknik är det omöjligt att utveckla en dykardräkt med metoden för vätskeventilation, tror forskaren.

Men tillämpningen av denna teknik fortsätter att utforskas för andra, mer realistiska syften. Till exempel för att hjälpa drunknade, för att tvätta lungorna vid olika sjukdomar eller för att snabbt sänka kroppstemperaturen (det används vid återupplivning vid hjärtstopp hos vuxna och nyfödda med hypoxisk-ischemisk hjärnskada).

Det flytande andningssystemet som utvecklas av Foundation for Advanced Study (FPI) kommer att hjälpa dykare att snabbt ta sig upp till ytan utan tryckfallssjuka. Den antropomorfiska roboten Fedor kommer att delta i testerna av en ny rysk rymdfarkost och kan hjälpa Rosatom med återvinning kärnavfall. En nedsänkt båt med extremt djup kommer att testas i botten av Mariangraven. Vitaly Davydov, ordförande för fondens vetenskapliga och tekniska råd, berättade för Izvestiya om FPI:s projekt.

– Hur många projekt har genomförts av fonden och vilket av dem skulle du vilja lyfta fram?

PÅ olika stadier Vi har ett 50-tal projekt på gång. Ytterligare 25 färdiga. De erhållna resultaten överförs eller överförs till kunder. Teknikdemonstratorer har skapats, cirka 400 resultat av intellektuell aktivitet har tagits emot. Utbudet av ämnen - från dykning till botten av Marianergraven till rymden.

Av de genomförda projekten kan man till exempel nämna tester av en raketdetonationsmotor som framgångsrikt genomfördes förra året tillsammans med det ledande raketmotorbyggarföretaget NPO Energomash. Samtidigt fick stiftelsen för första gången i världen ett stabilt driftläge för en detonator med jetmotor. Om den första är avsedd för rymdteknik, är den andra för flyg. hypersonisk flygplan att använda sådana system kommer att möta många problem. Till exempel med höga temperaturer. Fonden hittade en lösning på dessa problem genom att använda effekten av termisk emission - omvandlingen av termisk energi till elektrisk energi. Faktum är att vi får elektricitet för att driva apparatens system och samtidigt kyla elementen i flygplanet och motorn.

– Ett av stiftelsens mest kända projekt är Fedor-roboten. Är det färdigt?

– Ja, arbetet med Fedor har slutförts. Resultaten överlämnas nu till ministeriet för nödsituationer. Dessutom visade det sig att de inte bara var intresserade av ministeriet för krissituationer, utan också av andra ministerier, såväl som statliga företag. Många har säkert hört att Fedors teknologier kommer att användas av Roscosmos att skapa en testrobot som ska flyga på en ny rysk bemannad rymdskepp"Federation". Rosatom visade stort intresse för roboten. Han behöver teknik som ger förmågan att arbeta under förhållanden som är farliga för människor. Till exempel vid bortskaffande av kärnavfall.

- Kan Fedor användas för att rädda ubåtsbesättningar, för att undersöka sjunkna fartyg?

Teknik som erhållits under skapandet av Fedor kan användas för olika ändamål. Fonden genomför ett antal projekt relaterade till obebodda undervattensfordon. Och i princip kan antropomorfa robotteknologier integreras i dem. Särskilt, Det är planerat att skapa ett undervattensfarkost för drift på extrema djup. Vi tänker testa den Marian Trench. Samtidigt är det inte lätt att sjunka till botten, som våra föregångare, utan att ge möjlighet att röra sig i det nära bottenområdet och bedriva vetenskaplig forskning. Ingen har gjort detta än.

I USA utvecklas en fyrbensrobot för att transportera gods BigDog. Pågår liknande utveckling inom FPI?

När det gäller gångplattformar för att bära last eller ammunition utför fonden inte sådant arbete. Men några av de organisationer som vi samarbetar med, på eget initiativ, var engagerade i en sådan utveckling. Frågan om en sådan robot behövs på slagfältet är fortfarande öppen. I de flesta fall är det mer lönsamt att använda hjul- eller bandfordon.

- Vilka robotplattformar skapas på FPI, förutom Fedor?

Vi utvecklar en hel rad plattformar för olika ändamål. Dessa är mark, luft och marina robotar. Utföra uppgifterna för spaning, transport av varor, samt kan utföra stridande. Ett av arbetsområdena inom detta område är att bestämma utseendet och utvecklingen av metoder för att använda drönare, inklusive grupp. Jag tror att om allt fortsätter i samma takt kommer det inom en snar framtid att ske en betydande ökning av användningen av drönare, inklusive för att lösa stridsuppdrag.

– FPI utvecklas atmosfärisk satellit"Owl" - ett stort elektriskt flygplan. Hur går det med hans tester?

-Demonstrationsförsök obemannat fordon"Uggla" klar. En lång flygning ägde rum på en höjd av cirka 20 tusen meter. Tyvärr föll enheten in i en zon med stark turbulens och skadades allvarligt. Men vid den tiden hade vi redan fått alla nödvändiga uppgifter, vi var övertygade om både utsikterna för själva forskningsriktningen och riktigheten av den valda konstruktiva lösningar . Erfarenheterna kommer att användas för att skapa och testa en apparat i full storlek.

Enterprise "Roskosmos" NPO dem. Lavochkina genomför en liknande utveckling - skapar en atmosfärisk satellit "Aist". Följer du konkurrenternas utveckling?

Vi är medvetna om dessa arbeten, vi håller kontakten med utvecklarna av Aist. Det handlar inte om konkurrens, utan om komplementaritet.

Kan sådana enheter användas i Arktisk zon där det inte finns kommunikation och infrastruktur för frekventa starter och landningar?

Man måste ta hänsyn till att på våren och hösten, och ännu mer under polarnatten, kanske den "atmosfäriska satelliten" helt enkelt inte får den energi som krävs för att ladda batterierna. Detta begränsar dess tillämpning.

Nyligen demonstrerades flytande andningsteknik för allmänheten - taxar är nedsänkta i en speciell syrerik vätska. Demonstrationen av "drunkning" orsakade en våg av protester. Kommer arbetet i denna riktning att fortsätta efter detta?

-Arbetet med vätskeandning fortsätter. Baserat på vår utveckling kan tusentals liv räddas. Och vi pratar inte bara om ubåtsmän, som tack vare vätskeandning snabbt kommer att kunna ta sig upp till ytan utan konsekvenser i form av tryckfallssjuka. Det finns hela raden sjukdomar och skador i lungorna, vid behandling av vilka det är möjligt att uppnå framgång med hjälp av flytande andning. Det finns intressanta utsikter för användningen av flytande andningsteknik för snabb kylning av kroppen, när det är nödvändigt att bromsa de processer som sker i den. Nu görs detta genom extern kylning eller genom att införa en speciell lösning i blodet. Du kan göra detsamma, men mer effektivt, genom att fylla lungorna med en kyld andningsblandning.

Anton Tonshin, chef för FPI-laboratoriet för att skapa vätskeandning, med en tax som heter Nicholas, med hjälp av vilken forskare från Advanced Research Foundation (FPI) studerade möjligheterna med vätskeandning

Det bör noteras att det inte är någon skada på hälsan hos djur som deltar i dessa experiment. Alla "experimentörer" lever. En del av dem förvaras i laboratoriet, där deras tillstånd övervakas. Många har blivit husdjur för anställda, men deras tillstånd övervakas också regelbundet av våra specialister. Resultaten av observationer indikerar frånvaron negativa konsekvenser vätskeandning. Tekniken har utarbetats och vi har gått vidare till skapandet av speciella enheter för den praktiska implementeringen.

– När ska du börja studera vätskeandning hos människor?

Teoretiskt är vi redo för sådana experiment, men för att starta dem är det åtminstone nödvändigt att skapa och utarbeta lämplig utrustning.

Vid ett tillfälle utvecklade FPI en mjukvaruplattform för design av olika utrustning, designad för att ersätta utländsk programvara. Används den någonstans?

Arbetet med att skapa en enhetlig miljö för den ryska ingenjörsmjukvaran "Gerbarium" har verkligen slutförts. Nu övervägs frågan om dess användning i Rosatom och Roskosmos - för utformningen av lovande prover av produkter från kärnkraftsindustrin, såväl som raket- och rymdteknik.

– Arbetar fonden inom området för augmented reality-teknik?

-Ja, fonden utför sådant arbete - i synnerhet tillsammans med KamAZ. Ett av våra laboratorier har skapat en prototyp av augmented reality-glasögon som ger kontroll över monteringen av komponenter till en bil. Programmet talar om för dig vilken del du ska ta och var du ska installera den. Om operatören utför felaktiga åtgärder, till exempel avviker från den fastställda monteringsordningen för produkten eller felaktigt installerar dess element, ljuder ett ljudmeddelande om fel steg och information om felet visas på glasögonen. I det här fallet registreras fakta om felaktiga åtgärder eller till och med deras försök i den elektroniska journalen. Som ett resultat bör ett system skapas som utesluter möjligheten till felaktig montering. I framtiden avser vi att utveckla detta system i riktning mot miniatyrisering, för att ersätta glasögon med mer avancerade enheter.

Utsikterna för datorteknik är nu förknippade med utvecklingen av kvantdatorer och informationssäkerhet - med kvantkryptografi. Utvecklar FPI dessa områden?

Stiftelsen behandlar frågor relaterade till kvantberäkning, skapandet av en lämplig elementbas. När det gäller kvantkommunikation är alla bekanta med kinesiska kollegors erfarenheter. Men vi står inte stilla.

Tillbaka hösten 2016 tillhandahöll FPI och Rostelecom kvantinformationsöverföring över en fiberoptisk kabel mellan Noginsk och Pavlovsky Posad. Experimentet var framgångsrikt. Redan idag kan du prata i en kvanttelefon. En viktig egenskap kvantöverföring av information är omöjligheten av dess avlyssning.

Under loppet av ovanstående experiment tillhandahölls kvantkommunikation på ett avstånd av cirka 30 km. Tekniskt sett är det inga problem att implementera det på längre räckvidd. Vi förbereder oss för att genomföra en kommunikationssession via den atmosfäriska kanalen. Vi arbetar på möjligheten till ett experiment om kvantkommunikation från rymden med hjälp av potentialen hos den internationella rymdstationen.

Livet på vår planet har uppenbarligen sitt ursprung i vatten - i en miljö där syrereserverna är mycket knappa. Vid atmosfärstryck är syrehalten i luften vid havsnivån 200 milliliter per liter och mindre än sju milliliter syre löses i en liter ytvatten.

De första invånarna på vår planet, efter att ha anpassat sig till vattenmiljö, andades med gälar, vars syfte är att extrahera högsta belopp syre från vatten.

Under evolutionens gång bemästrade djur den syrerika landatmosfären och började andas med sina lungor. Andningsorganens funktioner förblev desamma.

Både i lungorna och i gälarna tränger syre genom tunna hinnor från miljö in i blodkärlen, och koldioxid frigörs från blodet till miljön. Så samma processer äger rum i gälarna och i lungorna. Detta väcker frågan: skulle ett djur med lungor kunna andas i en vattenmiljö om det innehöll tillräckligt med syre?

Svaret på denna fråga förtjänar uppmärksamhet av flera skäl. Först kunde vi ta reda på varför andningsorgan landdjur är så olika i struktur från motsvarande organ hos vattenlevande djur.

Dessutom är svaret på denna fråga av rent praktiskt intresse. Om en specialutbildad person kunde andas i vattenmiljön skulle detta underlätta både utforskningen av havets djup och resor till avlägsna planeter. Allt detta låg till grund för att sätta upp ett antal experiment för att studera möjligheten att andas landdäggdjur med vatten.

Problem med vattenandning

Experimenten utfördes i laboratorier i Nederländerna och USA. Andningsvatten är förknippat med två huvudproblem. En har redan nämnts: vid vanligt atmosfärstryck löses för lite syre i vatten.

Det andra problemet är att vatten och blod är vätskor med väldigt olika fysiologiska egenskaper. Vid "inandning" kan vatten skada lungvävnaden och orsaka dödliga förändringar i volymen och sammansättningen av vätskor i kroppen.

Antag att vi har förberett en speciell isotonisk lösning, där sammansättningen av salter är densamma som i blodplasma. Under högt tryck är lösningen mättad med syre (dess koncentration är ungefär densamma som i luft). Kommer djuret att kunna andas i en sådan lösning?

De första sådana experimenten utfördes vid Leiden University. Genom en luftsluss som liknar en ubåts livbåt fördes mössen in i en kammare fylld med en specialberedd lösning, som trycksattes med syre. Genom de genomskinliga väggarna i kammaren var det möjligt att observera mössens beteende.

De första ögonblicken försökte djuren ta sig upp till ytan, men trådnätet hindrade dem. Efter den första spänningen lugnade sig mössen och verkade inte lida särskilt mycket i en liknande situation. De gjorde långsamma, rytmiska andningsrörelser, uppenbarligen andas in och andas ut vätska. Några av dem levde under sådana förhållanden i många timmar.

Den största svårigheten att andas vatten

Efter en rad experiment blev det klart att den avgörande faktorn som bestämmer livslängden för möss inte är bristen på syre (som kunde införas i lösningen i vilken mängd som helst genom att helt enkelt öka dess partialtryck), utan svårigheten att driva ut kol. dioxid från kroppen i erforderlig grad.

Den mus som levde längst - 18 timmar - befann sig i en lösning till vilken en liten mängd av en organisk buffert, tris(hydroximetyl)aminometan, tillsattes. Det senare minimerar den negativa effekten av koldioxidansamling hos djur. Att sänka temperaturen på lösningen till 20°C (ungefär hälften av en muss normala kroppstemperatur) bidrog också till livsförlängning.

I det här fallet berodde detta på en allmän nedgång i metaboliska processer.

Vanligtvis innehåller en liter luft som andas ut av ett djur 50 milliliter koldioxid. Allt annat lika (temperatur, partialtryck av koldioxid) löser sig endast 30 milliliter av denna gas i en liter av en saltlösning som i sin saltsammansättning är identisk med blodet.

Det betyder att för att släppa ut den mängd koldioxid som krävs måste djuret andas in dubbelt så mycket vatten som luft. (Men att pumpa vätska genom bronkialkärlen kräver 36 gånger mer energi, eftersom vattnets viskositet är 36 gånger högre än luftens viskositet.)

Av detta är det uppenbart att även i frånvaro av turbulent rörelse av vätska i lungorna kräver andningsvatten 60 gånger mer energi än andningsluft.

Därför är det inget överraskande i det faktum att försöksdjuren gradvis försvagades, och sedan - på grund av utmattning och ansamling av koldioxid i kroppen - slutade andningen.

Experimentresultat

Baserat på de utförda experimenten var det omöjligt att bedöma hur mycket syre som kommer in i lungorna, hur mättat det är i artärblodet och hur mycket koldioxid ansamlas i djurens blod. Efter hand närmade vi oss en serie mer avancerade experiment.

De bars ut på hundar i en stor kammare utrustad med extra utrustning. Kammaren fylldes med luft vid ett tryck av 5 atmosfärer. Det fanns också ett bad med saltlösning, mättat med syre. Ett försöksdjur var nedsänkt i den. Före experimentet, för att minska kroppens totala syrebehov, bedövades hundarna och kyldes till 32°C.

Under dyket gjorde hunden våldsamma andningsrörelser. Vattenstrimlorna som steg upp från ytan visade tydligt att hon pumpade lösningen genom lungorna. I slutet av experimentet drogs hunden ut ur badet, vattnet togs bort från lungorna och de fylldes på med luft. Av de sex testade djuren överlevde ett. Hunden andades i vattnet i 24 minuter.

Resultaten av försöket kan formuleras på följande sätt: under vissa förhållanden kan djur som andas luft andas vatten under en begränsad tid. Den största nackdelen med vattenandning är ackumuleringen av koldioxid i kroppen.

Under experimentet var blodtrycket hos den överlevande hunden något lägre än normalt, men förblev konstant; puls och andning var långsam men regelbundet, arteriellt blod var mättat med syre. Halten av koldioxid i blodet ökade gradvis.

Detta innebar att hundens kraftiga andningsaktivitet var otillräcklig för att avlägsna de nödvändiga mängderna koldioxid från kroppen.

En ny serie vattenandningsexperiment

I New York statliga universitetet Jag fortsatte att arbeta med Herman Raan, Edward H. Lanfear och Charles W. Paganelli. PÅ ny serie I experimenten användes anordningar som gjorde det möjligt att få specifika data om gasutbytet som sker i lungorna på en hund när man andas vätska. Som tidigare andades djuren en saltlösning mättad med syre vid ett tryck av 5 atmosfärer.

Gassammansättningen av den inhalerade och utandningsvätskan bestämdes vid inloppet och utloppet av lösningen från lungorna hos hundar. Den syrerika vätskan kom in i den sövda hundens kropp genom en gummislang som fördes in i luftstrupen. Flödet reglerades av en ventilpump.

Med varje inandning strömmade lösningen, under påverkan av gravitationen, in i lungorna, och under utandning kom vätskan, enligt samma princip, in i en speciell mottagare. Mängden syre som absorberades i lungorna och mängden frigjord koldioxid bestämdes som skillnaden mellan motsvarande värden i lika volymer inandad och utandad vätska.

Djuren kyldes inte. Det visade sig att hunden under dessa förhållanden extraherar ungefär samma mängd syre ur vattnet som den brukar göra ur luften. Som väntat andades inte djuren ut tillräckligt med koldioxid, så koldioxidhalten i blodet ökade gradvis.

I slutet av experimentet, som varade upp till fyrtiofem minuter, avlägsnades vatten från hundens lungor genom ett speciellt hål i luftstrupen. Lungorna spolades med flera portioner luft. Ytterligare procedurer för "revitalisering" genomfördes inte. Sex av sexton hundar överlevde experimentet utan några uppenbara konsekvenser.

Interaktion mellan tre element

Andningen hos både fiskar och däggdjur är baserad på en komplex interaktion av tre element:

1) kroppens behov av gasutbyte,

2) fysikaliska egenskaper miljö och

3) strukturen hos andningsorganen.

För att höja sig över en rent intuitiv bedömning av betydelsen av organstrukturen i anpassningsprocessen, är det nödvändigt att noggrant förstå alla dessa interaktioner. Det är uppenbart att sådana frågor bör ställas. Hur kommer en syremolekyl från omgivningen till blodet? Vad är hennes exakta väg? Att svara på dessa frågor är mycket svårare än man kan tro.

När bröstet expanderar kommer luft (eller vatten) in i djurets lungor. Vad händer med vätskan som kommer in i lungornas gränsluftsäckar? Låt oss titta på detta fenomen med ett enkelt exempel.

Om en liten mängd bläck långsamt injiceras genom en nål i en spruta som är delvis fylld med vatten, bildar de först en tunn ström i mitten av kärlet. Efter att "inandningen" upphör sprids bläcket gradvis över hela vattenvolymen.

Om bläcket injiceras snabbt, så att flödet blir turbulent, kommer blandningen naturligtvis att ske mycket snabbare. Baserat på de erhållna uppgifterna, och även med hänsyn till luftrörens storlek, kan man dra slutsatsen att inandningsluften eller vattenflödet kommer in i luftsäckarna långsamt, utan turbulens.

Därför kan det antas att vid inandning frisk luft(eller vatten) syremolekyler kommer först att koncentreras i mitten av luftsäckarna (alveolerna). Nu måste de övervinna betydande avstånd genom diffusion innan de når väggarna genom vilka de kommer in i blodet.

Dessa avstånd är många gånger större än tjockleken på membranen som separerar luft från blod i lungorna. Om mediet som ska inandas är luft, gör detta inte det Av stor betydelse: syre fördelas jämnt i alveolen i miljondelar av en sekund.

Hastigheten för utbredning av gaser i vatten är 6 tusen gånger mindre än i luft. Därför är det en skillnad när man andas vatten partiella tryck syre i de centrala och perifera regionerna. På grund av den låga diffusionshastigheten av gaser blir syretrycket i mitten av alveolerna högre med varje andningscykel än vid väggarna. Koncentrationen av koldioxid som lämnar blodet är större nära väggarna i alveolerna än i mitten.

Gasutbyte i lungorna

Dessa teoretiska förutsättningar har uppkommit på grundval av studien gassammansättning utandad vätska under experiment på hundar. Vatten som strömmade från hundens lungor samlades upp i ett långt rör.

Det visade sig att i den första delen av vattnet, som tydligen kom från den centrala delen av alveolerna, fanns det mer syre än i den sista delen, som kom från väggarna. Under andning av hundar i luften observerades ingen märkbar skillnad i sammansättningen av den första och sista delen av utandningsluften.

Det är intressant att notera att gasutbytet som sker i lungorna på en hund när man andas vatten är mycket lik den process som sker i en enkel droppe vatten när ett utbyte utförs på dess yta: syre - koldioxid. Baserat på denna analogi byggdes en matematisk modell av lungorna, och en sfär med en diameter på cirka en millimeter valdes som en funktionell enhet.

Beräkningen visade att lungorna utgör cirka en halv miljon av dessa sfäriska gasutbytesceller, i vilka överföringen av gas endast sker genom diffusion. Det beräknade antalet och storleken på dessa celler stämmer noga överens med antalet och storleken av vissa lungstrukturer som kallas "primära lobuler" (lobuli).

Tydligen är dessa lobuler de huvudsakliga funktionella enheterna i lungorna. På liknande sätt, med inblandning av anatomiska data, är det möjligt att konstruera en matematisk modell av fiskens gälar, vars primära gasutbytesenheter kommer att ha en motsvarande annan form.

Konstruktionen av matematiska modeller gjorde det möjligt att dra en tydlig gräns mellan andningsorganen hos däggdjur och fiskar. Det visar sig att det viktigaste ligger i den geometriska strukturen hos andningscellerna. Detta blir särskilt tydligt när man studerar beroendet som kopplar ihop fiskens behov av gasutbyte och miljöns egenskaper med formen på fiskens andningsorgan.

Ekvationen som uttrycker detta beroende inkluderar sådana kvantiteter som tillgängligheten av syre, det vill säga dess koncentration, diffusionshastighet och löslighet i djurets miljö.

Volymen luft eller vatten som andas in, antalet och storleken på gasutbytesceller, mängden syre som absorberas av dem och slutligen syretrycket i artärblodet. Antag att fiskar inte har gälar som andningsorgan, utan lungor.

Genom att ersätta i ekvationen de verkliga data om gasutbyte som inträffar under fiskens andning, finner vi att en fisk med lungor inte kommer att kunna leva i vatten, eftersom beräkningen visar den fullständiga frånvaron av syre i artärblodet hos din fisk modell.

Detta betyder att det fanns ett fel i antagandet, nämligen: den valda formen av gasväxlingscellen visade sig vara felaktig. Fisk lever i vatten tack vare gälarna, som består av platta, tunna, tätt packade plattor. I en sådan struktur - i motsats till de sfäriska cellerna i lungorna - finns det inga problem med diffusion av gaser.

Ett djur med lungliknande andningsorgan kan bara överleva i vatten om dess syrebehov är extremt lågt. Låt oss ta sjögurkan som exempel.

Gälar ger fiskar förmågan att leva i vattnet, och samma gälar tillåter dem inte att existera ur vattnet. I luften kollapsar de under påverkan av gravitationen. Ytspänningen vid luft-vatten-gränsytan gör att tätt packade gälplattor klibbar ihop.

Den totala arean av gälarna som är tillgängliga för gasutbyte minskar så mycket att fisken inte kan andas, trots överflöd av syre i luften. Lungornas alveoler skyddas från förstörelse, för det första av bröstet, och för det andra av ett vätmedel som frigörs i lungorna, vilket avsevärt minskar ytspänningen.

Andning av däggdjur i vatten

Studiet av däggdjurens andningsprocesser i vatten gav alltså ny information om andningsprinciperna i allmänhet. Å andra sidan fanns det ett verkligt antagande att en person utan skadliga konsekvenser kunde begränsad tid andas in vätska. Detta kommer att tillåta dykare att gå ner till mycket större djup av havet än nu.

Den största faran med djupdykning är förknippad med vattentrycket bröst och lungor. Som ett resultat stiger trycket av gaser i lungorna, och en del av gaserna kommer in i blodomloppet, vilket leder till allvarliga konsekvenser. Vid höga tryck är de flesta gaser giftiga för kroppen.

Så kväve som kommer in i dykarens blod orsakar berusning redan på ett djup av 30 meter och sätter honom praktiskt taget ur funktion på ett djup av 90 meter på grund av den resulterande kvävebedövningen. (Detta problem kan lösas genom att använda ädelgaser som helium, som inte är giftiga även vid mycket höga koncentrationer.)

Dessutom, om dykaren återvänder för snabbt från djupet till ytan, frigörs gaser lösta i blodet och vävnaderna i form av bubblor, vilket orsakar tryckfallssjuka.

Denna fara kan undvikas om dykaren inte andas luft, utan en syreberikad vätska. Vätskan i lungorna kommer att motstå betydande yttre tryck, och dess volym kommer praktiskt taget inte att förändras. Under sådana förhållanden kommer en dykare, som går ner till ett djup av flera hundra meter, snabbt att kunna återvända till ytan utan några konsekvenser.

För att bevisa att tryckfallssjuka inte uppstår när man andas vatten, utfördes följande experiment i mitt laboratorium. I experiment med en mus som andades vätska bringades ett tryck på 30 atmosfärer till en atmosfär under tre sekunder. Det fanns inga tecken på sjukdomen. Denna grad av tryckförändring motsvarar effekten av att lyfta från 910 meters djup med en hastighet av 1 100 kilometer i timmen.

En person kan andas vatten

Vätskeandning kan vara användbar för människor under framtida rymdresor. När du återvänder från avlägsna planeter, till exempel från Jupiter, kommer det att finnas ett behov av enorma accelerationer, vilket gör att du kan lämna planetens attraktionszon. Dessa accelerationer är mycket större än vad människokroppen, särskilt de lätt sårbara lungorna, tål.

Men samma belastningar kommer att bli ganska acceptabla om lungorna är fyllda med vätska, och astronautens kropp är nedsänkt i en vätska med en densitet som är lika med blodets, precis som ett foster är nedsänkt i fostervattnet i moderns livmoder.

De italienska fysiologerna Rudolf Margaria, T. Gualterotti och D. Spinelli satte upp ett sådant experiment 1958. Stålcylindern som innehöll de dräktiga råttorna kastades från olika höjder på en blybas. Syftet med experimentet var att testa om fostret skulle överleva den hårda inbromsningen och påverkan av landningen. Retardationshastigheten beräknades från djupet av intryckningen av cylindern i blybasen.

Djuren själva dog omedelbart under experimentet. Obduktioner visade betydande lungskador. De kirurgiskt frigivna embryona levde dock och utvecklades normalt. Fostret, skyddat av livmodervätska, kan uthärda negativa accelerationer upp till 10 tusen g.

Efter försök som visat att landdjur kan andas vätska är det rimligt att anta en sådan möjlighet för människor. Vi har nu några direkta bevis för detta antagande. Till exempel använder vi nu en ny metod för behandling av vissa lungsjukdomar.

Metoden består i att spola ena lungan med en koksaltlösning som tar bort patologisk flytning från alveolerna och bronkierna. Andra lungan medan du andas syrgas.

Framgången med denna operation inspirerade oss att sätta upp ett experiment som en modig djupdykare, Francis D. Faleichik, anmälde sig som frivillig.

Under narkos fördes en dubbelkateter in i hans luftstrupe, vars varje rör nådde lungorna. Vid normal kroppstemperatur ersattes luften i ena lungan med en 0,9% lösning bordssalt. "Andningscykeln" bestod av att införa en saltlösning i lungan och sedan ta bort den.

Cykeln upprepades sju gånger, med 500 milliliter lösning som togs för varje "andning". Faleychik, som var vid fullt medvetande under hela proceduren, sa att han inte märkte någon signifikant skillnad mellan ljuset, andningsluften och det lätta andningsvattnet. Han upplevde inte heller obehag under in- och utträdet av vätskeflödet från lungan.

Naturligtvis är detta experiment fortfarande väldigt långt ifrån att försöka genomföra andningsprocessen med båda lungorna i vatten, men det har visat att fyllning av en persons lungor med saltlösning, om proceduren utförs korrekt, inte orsakar allvarlig vävnadsskada och ger inte obehagliga känslor.

Det svåraste problemet med att andas vatten

Förmodligen den mest svårt problem, som ska lösas, är associerad med frigöring av koldioxid från lungorna när man andas vatten. Som vi redan har sagt är vattnets viskositet cirka 36-40 gånger luftens viskositet. Det betyder att lungorna pumpar vatten minst fyrtio gånger långsammare än luft.

Med andra ord kan en frisk ung dykare som kan andas 200 liter luft per minut bara andas 5 liter vatten per minut. Det är ganska uppenbart att med sådan andning kommer koldioxid inte att frigöras i tillräckliga mängder, även om personen är helt nedsänkt i vatten.

Kan detta problem lösas genom att använda ett medium där koldioxid löser sig bättre än i vatten? I vissa flytande syntetiska fluorkolväten löses koldioxid till exempel tre gånger mer än i vatten och syre - trettio gånger. Leland S. Clark och Frank Gollan visade att en mus kan leva i syrehaltig flytande kolfluorid vid atmosfärstryck.

Kolfluorid innehåller inte bara mer syre än vatten, utan gasdiffusionshastigheten är också fyra gånger högre i detta medium. Men även här förblir det lilla problemet en stötesten. genomströmning vätskor genom lungorna: Fluorkolväten är ännu mer trögflytande än saltlösning.

Översättning från engelska av N. Poznanskaya.

Det här är nog en klyscha Science fiction: någon viskös substans kommer in i dräkten eller kapseln mycket snabbt, och huvudpersonen upptäcker plötsligt själv hur snabbt han förlorar resten av luften från sina egna lungor, och hans inre är fyllda med en ovanlig vätska av en nyans från lymfa till blod. Till slut får han till och med panik, men tar några instinktiva klunkar, eller snarare suckar, och blir förvånad över att han kan andas denna exotiska blandning som om han andades vanlig luft.

Är vi så långt ifrån att förverkliga idén med flytande andning? Är det möjligt att andas flytande blandning, och finns det ett verkligt behov av detta?
Det finns tre lovande sätt att använda denna teknik: medicin, dykning till stora djup och astronautik.

Trycket på en dykare ökar med en atmosfär för var tionde meter. På grund av en kraftig minskning av trycket kan tryckfallssjuka börja, med manifestationerna av vilka gaserna lösta i blodet börjar koka med bubblor. Även kl högt tryck eventuell syre- och narkotisk kväveförgiftning. Allt detta bekämpas med användning av speciella andningsblandningar, men de ger inga garantier, utan minskar bara sannolikheten för obehagliga konsekvenser. Naturligtvis kan du använda dykardräkter som upprätthåller trycket på dykarens kropp och hans andningsblandning till exakt en atmosfär, men de är i sin tur stora, skrymmande, försvårar rörelser och även mycket dyra.

Vätskeandning skulle kunna tillhandahålla en tredje lösning på detta problem med bibehållen rörlighet hos elastiska våtdräkter och de låga riskerna med stela dräkter. Andningsvätska, till skillnad från dyra andningsblandningar, mättar inte kroppen med helium eller kväve, så det behövs inte heller långsam dekompression för att undvika tryckfallssjuka.

Inom medicin kan vätskeandning användas vid behandling av för tidigt födda barn för att undvika skador på de underutvecklade bronkerna i lungorna genom tryck, volym och syrekoncentration i luften i ventilatorer. Urval och testning av olika blandningar för att säkerställa överlevnaden av ett prematurt foster började redan på 90-talet. Det är möjligt att använda en flytande blandning med fullständiga stopp eller partiella andningssvikt.

Rymdfärd är förknippat med stora överbelastningar och vätskor fördelar trycket jämnt. Om en person är nedsänkt i en vätska, kommer trycket under överbelastning att gå till hela hans kropp, och inte specifika stöd (stolryggar, säkerhetsbälten). Denna princip användes för att skapa Libelle g-suit, som är en stel rymddräkt fylld med vatten, som gör att piloten kan förbli medveten och effektiv även vid g-krafter över 10 g.

Denna metod begränsas av densitetsskillnaden mellan mänsklig kroppsvävnad och den använda nedsänkningsvätskan, så gränsen är 15-20g. Men du kan gå längre och fylla lungorna med en vätska nära vatten. En astronaut helt nedsänkt i vätska och andningsvätska kommer att känna relativt lite effekten av extremt höga g-krafter, eftersom krafterna i vätskan är jämnt fördelade i alla riktningar, men effekten kommer fortfarande att bero på den olika tätheten i hans kroppsvävnader . Gränsen kommer fortfarande att finnas kvar, men den kommer att vara hög.

De första experimenten med vätskeandning utfördes på 60-talet av förra seklet på laboratoriemöss och råttor, som tvingades andas in en saltlösning med hög halt av löst syre. Denna primitiva blandning gjorde att djuren kunde överleva under en viss tid, men den kunde inte ta bort koldioxid, så djurens lungor skadades irreparabelt.

Senare började arbetet med perfluorkolväten, och deras första resultat var mycket bättre än saltlösningsexperimenten. Perfluorkolväten är organiskt material, där alla väteatomer är ersatta av fluoratomer. Perfluorkolföreningar har förmågan att lösa upp både syre och koldioxid, de är mycket inerta, färglösa, genomskinliga, kan inte orsaka skador på lungvävnad och tas inte upp av kroppen.

Sedan dess har andningsvätskor förbättrats, de mest avancerade det här ögonblicket lösningen kallas perflubron eller "Liquivent" (kommersiellt namn). Denna oljeliknande genomskinliga vätska med en densitet som är dubbelt så stor som vatten har många användbara egenskaper: den kan bära dubbelt så mycket syre som vanlig luft, har låg temperatur kokning, därför, efter användning, utförs dess slutliga avlägsnande från lungorna genom avdunstning. Alveolerna under påverkan av denna vätska öppnar sig bättre, och ämnet får tillgång till sitt innehåll, detta förbättrar utbytet av gaser.

Lungorna kan fyllas helt med vätska, vilket kommer att kräva en membransyresättare, ett värmeelement och forcerad ventilation. Men i klinisk praxis gör de oftast inte detta, utan använder flytande andning i kombination med konventionell gasventilation, fyller lungorna med perflubron endast delvis, cirka 40% av den totala volymen.

Ram från filmen The Abyss, 1989

Vad hindrar oss från att använda flytande andning? Andningsvätskan är trögflytande och tar dåligt bort koldioxid, så påtvingad ventilation av lungorna kommer att krävas. För att ta bort koldioxid från vanlig person väger 70 kg, kommer ett flöde på 5 liter per minut eller mer att krävas, och det är mycket med tanke på vätskornas höga viskositet. På fysisk aktivitet mängden flöde som krävs kommer bara att öka, och det är osannolikt att en person kommer att kunna flytta 10 liter vätska per minut. Våra lungor är helt enkelt inte designade för att andas vätska och kan inte pumpa sådana volymer på egen hand.

Användande positiva egenskaper andningsvätskor inom flyg och astronautik kan också för alltid förbli en dröm - vätskan i lungorna för en g-suit måste ha samma täthet som vatten, och perflubron är dubbelt så tung.

Ja, våra lungor är tekniskt kapabla att "andas" en viss syrerik blandning, men tyvärr kan vi bara göra det i några minuter för tillfället, eftersom våra lungor inte är starka nog att cirkulera andningsblandningen under längre perioder. . Situationen kan komma att förändras i framtiden, det återstår bara att vända våra förhoppningar till forskare inom detta område.