Дыхание жидкостью при погружениях. Мыши как рыбы

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.

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.

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.

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.

Кадр из фильма Бездна (The Abyss), 1989 год

МОСКВА, 25 дек — РИА Новости, Татьяна Пичугина. С тех пор как в 2016 году Фонд перспективных исследований (ФПИ) одобрил проект жидкостного дыхания, общественность живо интересуется его успехами. Недавняя демонстрация возможностей этой технологии буквально взорвала интернет. На встрече зампреда правительства Дмитрия Рогозина с президентом Сербии Александром Вучичем таксу погрузили на две минуты в аквариум со специальной жидкостью, насыщенной кислородом. После процедуры собака, по словам вице-премьера, жива и здорова. Что это была за жидкость?

"Ученые синтезировали несуществующие в природе вещества — перфторуглероды, в которых межмолекулярные силы настолько малы, что их считают чем-то промежуточным между жидкостью и газом. Они растворяют в себе кислород в 18-20 раз больше, чем вода", — рассказывает доктор медицинских наук Евгений Маевский, профессор, заведующий лабораторией энергетики биологических систем Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, один из создателей перфторана, так называемой голубой крови. Он работает над медицинскими приложениями перфторуглеродов с 1979 года.

При парциальном давлении в одну атмосферу в 100 миллилитрах воды растворяется всего 2,3 миллилитра кислорода. При тех же условиях перфторуглероды могут содержать до 50 миллилитров кислорода. Это делает их потенциально пригодными для дыхания.

"Например, при погружении на глубину через каждые 10 метров давление увеличивается как минимум на одну атмосферу. В итоге грудная клетка и легкие сожмутся до такой степени, что дышать в газовой среде станет невозможно. А если в легких находится переносящая газ жидкость, существенно большей плотности, чем воздух и даже вода, то они смогут функционировать. В перфторуглеродах можно растворить кислород без примеси азота, которого много в воздухе и растворение которого в тканях является одной из наиболее существенных причин кессонной болезни при подъеме с глубины", — продолжает Маевский.

Кислород будет поступать в кровь из жидкости, наполняющей легкие. В ней же может растворяться переносимый кровью углекислый газ.

Принцип дыхания жидкостью прекрасно освоен рыбами. Их жабры пропускают через себя колоссальный объем воды, забирают растворенный там кислород и отдают в кровь. У человека нет жабр, а весь газообмен идет через легкие, площадь поверхности которых примерно в 45 раз превосходит площадь поверхности тела. Чтобы прогнать через них воздух, мы делаем вдох и выдох. В этом нам помогают дыхательные мышцы. Поскольку перфторуглероды плотнее, чем воздух, то дышать на поверхности с их помощью весьма проблематично.

"В этом и состоят наука и искусство подобрать такие перфторуглероды, чтобы облегчить работу дыхательных мышц и не допустить повреждения легких. Многое зависит от длительности процесса дыхания жидкостью, от того, насильственно или спонтанно оно происходит", — заключает исследователь.

Однако принципиальных препятствий к тому, чтобы человек дышал жидкостью, нет. Евгений Маевский полагает, что продемонстрированную технологию российские ученые доведут до практического применения в ближайшие несколько лет.

От реанимации до спасения подводников

Ученые стали рассматривать перфторуглероды как альтернативу дыхательным газовым смесям в середине прошлого века. В 1962 году вышла голландского исследователя Йоханнеса Килстры (Johannes Kylstra) "О мышах-рыбах" (Of mice as fish), где описан опыт с грызуном, помещенным в насыщенный кислородом солевой раствор при давлении 160 атмосфер. Животное оставалось живым в течение 18 часов. Затем Килстра стал экспериментировать с перфторуглеродами, и уже в 1966 году в детском госпитале Кливленда (США) физиолог Леланд Кларк (Leland C. Clark) попытался применить их, чтобы наладить дыхание новорожденных, больных муковисцидозом. Это генетическое заболевание, при котором ребенок рождается с недоразвитыми легкими, его альвеолы схлопываются, что препятствует дыханию. Легкие таких пациентов промывают физраствором, насыщенным кислородом. Кларк решил, что лучше делать это кислородсодержащей жидкостью. Этот исследователь впоследствии много сделал для развития жидкостного дыхания.

В начале 1970-х "дыхательной" жидкостью заинтересовались в СССР, в значительной мере благодаря руководителю лаборатории ленинградского НИИ переливания крови Зое Александровне Чаплыгиной. Этот институт стал одним из лидеров проекта по созданию кровезаменителей — переносчиков кислорода на основе эмульсий перфторуглеродов и растворов модифицированного гемоглобина.

Над применением этих веществ для промывания легких активно работали в Институте сердечно-сосудистой хирургии Феликс Белоярцев и Халид Хапий.

"В наших экспериментах у мелких животных несколько страдали легкие, но все они выживали", — вспоминает Евгений Маевский.

Систему дыхания с помощью жидкости разрабатывали по закрытой тематике в институтах Ленинграда и Москвы, а с 2008 года — на кафедре аэрогидродинамики Самарского государственного аэрокосмического университета. Там сделали капсулу типа "Русалка" для отработки жидкостного дыхания в случае экстренного спасения подводников с большой глубины. С 2015 года разработку испытывали в Севастополе по теме "Терек", поддерживаемой ФПИ.

Наследие атомного проекта

Перфторуглероды (перфторуглеводороды) — это органические соединения, где все атомы водорода замещены на атомы фтора. Это подчеркивает латинская приставка "пер-", означающая завершенность, целостность. Эти вещества не обнаружены в природе. Их пытались синтезировать еще в конце XIX века, но реально преуспели только после Второй мировой, когда они понадобились для атомной промышленности. Их производство в СССР наладил академик Иван Людвигович Кнунянц, основатель лаборатории фторорганических соединений в ИНЭОС РАН.

"Перфторуглероды использовали в технологии получения обогащенного урана. В СССР их крупнейшим разработчиком был Государственный институт прикладной химии в Ленинграде. В настоящее время их выпускают в Кирово-Чепецке и Перми", — говорит Маевский.

Внешне жидкие перфторуглероды выглядят как вода, но ощутимо более плотные. Они не вступают в реакцию с щелочами и кислотами, не окисляются, разлагаются при температуре более 600 градусов. Фактически их считают химически инертными соединениями. Благодаря этим свойствам перфторуглеродные материалы применяют в реанимационной и регенеративной медицине.

"Есть такая операция — бронхиальный лаваж, когда человеку под наркозом промывают одно легкое, а потом другое. В начале 80-х вместе с волгоградским хирургом А. П. Савиным мы пришли к выводу, что эту процедуру лучше делать перфторуглеродом в виде эмульсии", — приводит пример Евгений Маевский.

Эти вещества активно применяют в офтальмологии, для ускорения заживления ран, при диагностике заболеваний, в том числе онкологических. В последние годы метод ЯМР-диагностики с применением перфторуглеродов разрабатывают за рубежом. В нашей стране эти исследования успешно проводит коллектив ученых из МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством академика Алексея Хохлова, ИНЭОС, ИТЭБ РАН и ИИФ (Серпухов).

Нельзя не упомянуть и то, что из этих веществ делают масла, смазки для систем, работающих в условиях высоких температур, включая реактивные двигатели.

Российский фонд перспективных исследований начал испытывать на собаках технологию жидкостного дыхания для подводников.

Об этом рассказал заместитель гендиректора Фонда Виталий Давыдов. По его словам, уже идут натурные испытания.

В одной из его лабораторий ведутся работы по жидкостному дыханию. Пока эксперименты проводят над собаками. При нас рыжую таксу погрузили в большую колбу с водой мордой вниз. Казалось бы, зачем над животным издеваться, сейчас захлебнется же. Ан нет. Она просидела под водой 15 минут. А рекорд - 30 минут. Невероятно. Оказывается, легкие собаки заполнились жидкостью, насыщенной кислородом, что дало ей возможность дышать под водой. Когда ее вытащили, она была немного вялая - говорят, из-за переохлаждения (а я думаю, кому понравится под водой в банке у всех на глазах торчать), но через несколько минут стала вполне себе. Скоро опыты будут проводить на людях, - рассказывает журналист "Российской газеты" Игорь Черняк, ставший очевидцем необычных испытаний.

Все это было похоже на фантастический сюжет знаменитого фильма "Бездна", где на огромную глубину человек мог спуститься в скафандре, шлем которого был заполнен жидкостью. Ею подводник и дышал. Теперь это уже не фантастика.

Технология жидкостного дыхания предполагает заполнение легких специальной жидкостью, насыщенной кислородом, который проникает в кровь. Фонд перспективных исследований одобрил реализацию уникального проекта, работы ведет НИИ медицины труда. Планируется создать специальный скафандр, который пригодится не только подводникам, но и летчикам, а также космонавтам.

Как рассказал корреспонденту ТАСС Виталий Давыдов, для собак создали специальную капсулу, которую погружали в гидрокамеру с повышенным давлением. На данный момент собаки могут без последствий для здоровья более получаса дышать на глубине до 500 метров. "Все собаки-испытатели выжили и чувствуют себя после длительного жидкостного дыхания хорошо", - заверил замглавы ФПИ.

Мало кто знает, что опыты по жидкостному дыханию на людях в нашей стране уже проводились. Дали потрясающие результаты. Акванавты дышали жидкостью на глубине в полкилометра и больше. Вот только народ о своих героях так и не узнал.

В 1980-х годах в СССР разработали и стали осуществлять серьезную программу по спасению людей на глубине.

Проектировались и даже вводились в строй специальные спасательные подводные лодки. Изучались возможности адаптации человека к глубинам в сотни метров. Причем находиться на такой глубине акванавт должен был не в тяжелом водолазном скафандре, а в легком утепленном гидрокостюме с аквалангами за спиной, движения его не были ничем стеснены.

Поскольку человеческий организм состоит почти целиком из воды, то ему не опасно страшное давление на глубине само по себе. Организм надо просто готовить к нему, повышая в барокамере давление до необходимого значения. Главная проблема в другом. Чем дышать при давлении в десятки атмосфер? Чистый воздух для организма становится ядом. Его необходимо разбавлять в специально подготовленных газовых смесях, как правило азотно-гелиево-кислородных.

Их рецептура - пропорции различных газов - самая большая тайна во всех странах, где идут аналогичные исследования. Но на очень большой глубине и гелиевые смеси не спасают. Легкие, чтобы их не разорвало, должны заполняться жидкостью. Что из себя представляет жидкость, которая, попав в легкие, не приводит к удушью, а передает через альвеолы кислород в организм - тайна из тайн.

Поэтому-то все работы с акванавтами в СССР, а затем и в России велись под грифом "совершенно секретно".

Тем не менее есть вполне достоверная информация о том, в конце 1980-х на Черном море существовала глубоководная аквастанция, в которой жили и работали подводники-испытатели. Они выходили в море, облаченные лишь в гидрокостюмы, с аквалангами за спиной, и работали на глубинах от 300 до 500 метров. В их легкие под давлением подавалась специальная газовая смесь.

Предполагалось, что если подлодка терпит бедствие и легла на дно, то к ней направят субмарину-спасатель. Акванавтов заранее подготовят к работам на соответствующей глубине.

Самое тяжелое - суметь выдержать наполнение легких жидкостью и просто не умереть со страха

И когда спасательная субмарина подойдет к месту бедствия, водолазы в легком снаряжении выйдут в океан, обследуют аварийную лодку и помогут эвакуировать экипаж с помощью специальных глубоководных аппаратов.

До конца те работы довести не удалось из-за распада СССР. Впрочем, тех, кто работал на глубине, все-таки успели наградить звездами Героев Советского Союза.

Наверное, даже более интересные исследования были продолжены уже в наше время под Санкт-Петербургом на базе одного из НИИ ВМФ.

Там тоже велись опыты по газовым смесям для глубоководных исследований. Но, самое главное, может быть, впервые в мире люди там научились дышать жидкостью.

По своей уникальности те работы были гораздо более сложными, чем, предположим, подготовка астронавтов к полетам на Луну. Испытатели подвергались огромным физическим и психологическим нагрузкам.

Сначала организм акванавтов в воздушной барокамере адаптировали к глубине в несколько сот метров. Затем они перемещались в камеру, заполненную жидкостью, где погружение продолжалось до глубин, говорят, почти в километр.

Самое тяжелое, как рассказывают те, кому все-таки довелось пообщаться с акванавтами, по их словам, было выдержать наполнение легких жидкостью и просто не умереть от страха. Это не говорит о трусости. Страх захлебнуться - естественная реакция организма. Могло случиться все. Спазм легких или сосудов головного мозга, даже инфаркт.

Когда же человек понимал, что жидкость в легких не несет смерть, а дарует жизнь на огромной глубине, возникали совершенно особые поистине фантастические ощущения. Но о них знают лишь те, кто такое погружение пережил.

Увы, потрясающие по своей значимости работы были прекращены по элементарной причине - из-за нехватки финансов. Героям-акванавтам дали звание Героев России и отправили на пенсию. Имена подводников засекречены по сей день.

Хотя чествовать их надо бы было как первых космонавтов, ведь они проложили путь в глубинный гидрокосмос Земли.

Сейчас эксперименты по жидкостному дыханию возобновили, проводят их на собаках, преимущественно таксах. Они тоже испытывают стресс.

Но исследователи их жалеют. Как правило, после подводных экспериментов забирают жить к себе домой, где кормят вкуснятиной, окружают лаской и заботой.

При подъеме в горы из-за падения атмосферного давления снижается парциальное давление кислорода в альвеолярном пространстве. Когда это давление становится ниже 50 мм рт. ст. (5 км высоты), неадаптированному человеку необходимо дышать газовой смесью, в которой повышено содержание кислорода. На высоте 9 км парциальное давление в альвеолярном воздухе падает до 30 мм рт. ст., и практически выдержать такое состояние невозможно. Поэтому используется вдыхание 100% кислорода. В этом случае при данном барометрическом давлении парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе составляет 140 мм рт. ст., что создает большие возможности для газообмена. На высоте 12 км при вдыхании обычного воздуха альвеолярное давление равно 16 мм рт. ст. (смерть), при вдыхании чистого кислорода - всего лишь 60 мм рт. ст., т. е. дышать еще можно, но уже опасно. В этом случае можно подавать чистый кислород под давлением и обеспечить дыхание при подъеме на высоту 18 км. Дальнейший подъем возможен только в скафандрах .

Дыхание под водой на больших глубинах

При опускании под воду растет атмосферное давление. Например, на глубине 10 м давление равно 2 атмосферам, на глубине 20 м - 3 атмосферам, и т. д. В этом случае парциальное давление газов в альвеолярном воздухе соответственно возрастает в 2 и 3 раза.

Это грозит высоким растворением кислорода. Но избыток его не менее вреден для организма, чем недостаток. Поэтому один из путей уменьшения этой опасности - использование газовой смеси, в которой процентное содержание кислорода уменьшено. Например, на глубине 40 м дают смесь, содержащую 5% кислорода, на глубине 100 м - 2%.

Второй проблемой является влияние азота. Когда парциальное давление азота возрастает, то это приводит к повышенному растворению азота в крови и вызывает наркотическое состояние. Поэтому, начиная с глубины 60 м, азотно-кислородная смесь заменяется гелиокислородной смесью. Гелий менее токсичен. Он начинает оказывать наркотический эффект лишь на глубине 200-300 м. Сейчас проводятся исследования по использованию водородно-кислородных смесей для работы на глубинах до 2 км, т. к. водород очень легкий газ.

Третья проблема водолазных работ - это декомпрессия. Если быстро подниматься с глубины, то растворенные в крови газы вскипают и вызывают газовую эмболию - закупорку сосудов. Поэтому требуется постепенная декомпрессия. Например, подъем с глубины 300 м требует 2-х недельной декомпрессии .

Главная » Полезно знать » Дыхание жидкостью при погружениях. Мыши как рыбы