Дыхание водой. Как рыба в воде
Фото: РИА "Новости"
Сергей Пятаков
Человек будущего сможет погружаться на огромные глубины, но ему придется научиться дышать жидкостью.
Жидкостное дыхание, или дыхание с помощью хорошо растворяющей кислород жидкости давно стало идеей фикс для ученых всего мира. Прибор «человека-амфибии» способен сохранить жизни аквалангистам и подводникам, эта технология может быть использована в медицине, а в перспективе будет полезна при совершении длительных космических полетов при освоении других планет. Реальные разработки по созданию аппарата жидкостного дыхания велись в 1970-1980 е годы в СССР и США, тогда эксперименты проводились на животных, но больших успехов добиться не удалось. Насколько перспективной и реалистичной остается эта технология, разбирался корреспондент «Совершенно секретно».
Нужно отметить, что жидкостное дыхание на первый взгляд кажется фантастическим вымыслом, но на самом деле имеет вполне научную основу, и под эту идею подведена серьезная теоретическая база. Вместо кислорода ученые предлагают использовать особые химические соединения, которые способны очень хорошо растворять кислород и углекислый газ.
ЖИДКОСТНОЕ ДЫХАНИЕ ИЗБАВИТ ВОДОЛАЗОВ ОТ КЕССОННОЙ БОЛЕЗНИ
Вице-адмирал, Герой Социалистического Труда, доктор технических наук, профессор, действительный член РАЕН, председатель Комитета по проведению подводных работ особого назначения при Правительстве РФ в 1992-1994 годах Тенгиз Борисов рассказал «Совершенно секретно», что опыты с жидкостным дыханием ведутся на протяжении нескольких десятков лет.
«В настоящее время человек ограничен в возможностях - водолаз, в дыхательных баллонах которого находится обычный воздух, может без риска для здоровья погрузиться на глубину 60 метров. В исключительных случаях самые опытные пловцы достигали 90 метров, дальше человеческий организм подвергается токсическому воздействию азота. После того как появились специальные гелийсодержащие газовые смеси, в которых поддерживается небольшое постоянное давление кислорода и отсутствует азот, стало возможным в жестких скафандрах погружаться до 300 метров, и это предел.
Главный враг водолазов - кессонная болезнь: при всплытии с большой глубины из-за быстрого понижения давления вдыхаемой дыхательной смеси газы, которые растворяются в крови, начинают бурно выделяться, как будто бутылку шампанского встряхнули, и вино внутри вспенилось. Газы разрушают стенки клеток и кровеносных сосудов, забивают капилляры, блокируют кровоток, последствия ужасные - при тяжелой форме декомпрессионная болезнь может привести к параличу или смерти.
Чтобы дальше двигаться на глубину, нужны новые технологии. И сегодня как самый перспективный рассматривается принцип жидкостного дыхания. Этот метод должен преодолеть основные проблемы водолазов: при погружении и всплытии решится вопрос с компрессией, не будет происходить обжатия грудной клетки, поскольку жидкости практически не сжимаются.
Однако, даже если специальные жидкие смеси будут созданы, придется разработать методы применения жидкостного дыхания. Ведь для того, чтобы человеку заполнить свои легкие тягучим веществом, придется преодолеть жесточайшее психологическое сопротивление организма. Были проведены эксперименты на людях: при попытке заполнить легкие у человека непроизвольно происходит срабатывание рефлексов, начинает сжиматься гортань и перекрываются легкие.
У человека существует врожденная реакция на воду - достаточно капле попасть на чувствительные клетки бронхов, как кольцевая мышца сдавливает горло, возникают спазмы, а затем наступает удушье. Хотя специальная жидкость никакого вреда причинить не может, но организм отказывается это понимать, и мозг дает команду сопротивляться. В завершение не менее неприятная процедура, когда эту жидкость нужно удалять из легких. Но если решение будет найдено, это будет серьезный прорыв - тогда водолазы получат возможность работать на очень больших глубинах.
Предполагается, что эта технология будет использоваться в военных целях, для разведки нефтегазовых месторождений и обслуживания глубоководных скважин, а также для подъема ценностей с затонувших на больших глубинах кораблей. Сегодня в мире ведется несколько разработок, которые позволяют надеяться, что эта технология получит путевку в будущее».
ИССЛЕДОВАНИЯ ПОМОГЛИ В РАБОТЕ АМЕРИКАНСКИХ НЕОНАТОЛОГОВ
Американцы обратились к идее жидкостного дыхания в 1960 х. И пожалуй, самое большое их достижение - зарегистрированный патент на водолазный костюм, оснащенный баллоном со специальной жидкостью, обогащенной кислородом. Согласно идее автора, так называемый жидкий воздух, который подается из баллона в шлем дайвера, заполняет собою все пространство вокруг головы, вытесняет воздух из легких, полостей носоглотки и ушей, насыщая легкие человека достаточным количеством кислорода. Жидкость для дыхания предполагалось создать на основе перфторуглеродов, в которых можно растворить требуемое количество газа.
В свою очередь, углекислый газ, который выделяется в процессе дыхания, должен был выводиться при помощи своеобразного аналога жабр, прикрепленного к бедренной вене ныряльщика. В итоге кислород поступает в кровь через легкие, а углекислый газ выводится прямо из крови. Правда, для использования такой системы человек должен будет научиться обходиться без использования основных функций дыхательной системы - вдохов и выдохов.
Первые опыты, связанные с дыханием при помощи жидкости, американцами были проведены в 1960 е годы. Проводились они на грызунах. Ученые осуществили полную замену крови крыс эмульсией с большой концентрацией жидкого кислорода. Какое-то время животные мог-ли дышать жидкостью, но их организм не смог выводить углекислый газ, что через непродолжительное время привело к разрушению легких. В последующие годы формула была доработана.
Одной из самых удачных разработок стала жидкость, которая используется в LiquiVent - препарате, созданном для лечения тяжелого расстройства дыхания у недоношенных новорожденных. По своей консистенции это чистая маслянистая жидкость, обладающая малой плотностью, которая содержит больше кислорода, чем воздух. Поскольку эта жидкость инертна, она не наносит вреда легким, так как у нее весьма низкая температура кипения и она быстро и легко выводится из легких.
Это вещество привлекает специалистов еще и потому, что оно бесцветно, не имеет запаха и нетоксично - почти как воздух. Эта жидкость удерживает гораздо большее, чем воздух, количество кислорода на единицу объема. Во время следующих экспериментов мыши и кошки, погруженные в насыщенную кислородом перфторуглеводородную жидкость, жили уже в течение нескольких дней. Однако во время опытов также выяснилось, что нежные легкие млекопитающих плохо приспособлены к тому, чтобы постоянно вкачивать и выкачивать жидкость - поэтому заменять ею воздух можно только на очень непродолжительное время.
Идею системы жидкостного дыхания сегодня используют в своей практике врачи-неонатологи, которые уже более 20 лет применяют подобные технологии для ухода за недоношенными младенцами. В этой отрасли медицины жидкостное дыхание получило широкое применение. Этот способ используют для спасения новорожденных. Легочная ткань таких младенцев к рождению сформирована не до конца, поэтому с помощью специальных устройств дыхательную систему насыщают как раз кислородсодержащим раствором на основе перфторуглеродов. Неслучайно в состав групп по созданию жидкостного дыхания американские экспериментаторы непременно включают врачей этого профиля.
КРУПНЫЕ МЛЕКОПИТАЮЩИЕ ДЫШАТЬ ЖИДКОСТЬЮ ТАК И НЕ НАУЧИЛИСЬ
В дальнейшем за счет усовершенствования дыхательной жидкости удалось добиться многочасового жидкостного дыхания у мелких лабораторных животных - мышей и крыс и у щенков собак. Однако ученые столкнулись с новой проблемой - добиться устойчивого жидкостного дыхания у крупных лабораторных животных (взрослых собак, диаметр трахеи и устройство легких которых близки к человеку) так и не получилось. Взрослые собаки выдерживали не более 10-20 минут и погибали от легочной недостаточности. Перевод на искусственную вентиляцию жидкостью легких с помощью клинической аппаратуры улучшал показатели, но дополнительное оборудование для дыхательного снаряжения разработчиками не рассматривается.
Для того чтобы человек мог дышать жидкостью, она должна выполнять две главные функции: поставлять кислород легким и выводить углекислый газ. Этим свойством обладает кислород, который человек вдыхает, и еще несколько газов, а также, как доказали ученые, некоторые жидкости тоже способны выполнять подобные функции. При этом неудачные эксперименты с жидкостным дыханием также имеют объяснение: человеческие легкие намного тяжелее воспринимают и выводят жидкость, чем воздух, поэтому процесс замены углекислого газа кислородом происходит с большим замедлением.
Действительно, человеческие легкие технически способны «дышать» определенной богатой кислородом жидкостной смесью, но только на протяжении нескольких минут. Если предположить, что жидкое дыхание получит распространение, то больным людям, использующим жидкий воздух в медицинских целях, придется постоянно использовать дополнительные устройства, по сути, таскать на себе аппарат искусственной вентиляции легких для стимулирования дыхания. Водолазам, которые и так под водой испытывают жесточайший дискомфорт, придется нести на себе дополнительное оборудование, при этом дышать жидкостью во время длительных и глубоких погружений будет нелегко.
В США ЗАПАТЕНТОВАН ВОДОЛАЗНЫЙ КОСТЮМ, В КОТОРОМ ИСПОЛЬЗОВАН ПРИНЦИП ЖИДКОСТНОГО ДЫХАНИЯ
В РОССИИ, ВОЗМОЖНО, ПОСТАВИЛИ ОПЫТ НАД ЧЕЛОВЕКОМ
В Советском Союзе также существовали программы жидкостного дыхания. В одном из советских НИИ добились значительных результатов в реализации жидкостного дыхания. Были разработаны специальные аппараты, ставились опыты на животных и были достигнуты определенные результаты. Мыши и собаки, действительно, дышали жидкостью, причем достаточно длительное время. Есть информация, что в 1991 году должны были состояться первые опыты на волонтерах. Нужно отметить, что в Советском Союзе эти программы не имели коммерческой направленности и были связаны исключительно с военными разработками.
Поэтому в связи с прекращением финансирования, все работы были свернуты, а позднее - полностью прекращены. Однако недавно некоторые проекты были реанимированы. Как удалось узнать «Совершенно секретно», в одном из оборонных НИИ России провели эксперимент с добровольцем, у которого в результате хирургической операции в связи с опасной патологией была удалена гортань (поэтому кольцевая мышца отсутствовала, это позволило успешно провести эксперимент).
Человеку залили специальный раствор сначала в легкие, а затем погрузили под воду в специально изготовленной маске. После эксперимента жидкость из его легких была безболезненно откачана. Воодушевленные этим успехом российские специалисты утверждают, что в будущем дышать под водой смогут обычные люди с нормальным горлом, поскольку преодоление рефлекторной реакции организма на жидкость вполне реально.
Член-корреспондент РАЕН, кандидат медицинских наук Андрей Филиппенко, который продолжительное время работает над проектом жидкостного дыхания, рассказал «Совершенно секретно», что в настоящее время об этих разработках практически ничего нельзя говорить из-за их закрытости.
«Сегодня эти разработки ведутся как в интересах военных, так и в гражданской сфере. Существует множество технологических трудностей, которые стопорят продвижение этих проектов. В настоящее время эта технология работает исключительно в лаборатории и совершенно непригодна для эксплуатации в реальных условиях. Например, на больших глубинах. Эта технология плохо работает не только в России, но и за рубежом. Чтобы продвинуться вперед, необходимо усовершенствовать множество технологий, в том числе те, которые связаны с преодолением большого давления».
ЖИДКОСТНОЕ ДЫХАНИЕ МОЖЕТ БЫТЬ ВОСТРЕБОВАНО В КОСМОСЕ И У ПОДВОДНИКОВ
В Советском Союзе одно время рассматривалась идея межпланетного перелета. Так как космический полет сопряжен с большими перегрузками космонавтов, анализировались варианты, как их уменьшить. Среди прочего предлагался вариант погружения космических путешественников в жидкость. Действительно, если человека погрузить водообразный раствор, то при перегрузках давление будет распространяться равномерно на все тело. Таков принцип использовался при создании антиперегрузочного костюма, который применяется в ВВС Германии. Производитель - немецко-швейцарская компания AutoflugLibelle - заменила воздушные подушки герметичными сосудами с жидкостью. Таким образом, костюм представляет собой жесткий скафандр, наполненный водой. Это позволяет пилоту сохранять сознание и работоспособность даже при огромных (свыше 10 g) перегрузках.
Однако использование положительных свойств жидкости для дыхания в авиации и космонавтике может навсегда остаться мечтой - вещество для костюма защиты от перегрузок должно обладать плотностью воды, а единственная рабочая на сегодняшний день перфторуглеводородная жидкость в два раза тяжелее. Если идею удастся реализовать, погруженный в жидкую среду и дышащий твердым кислородом космонавт практически не будет ощущать эффекта экстремально высоких перегрузок, поскольку силы будут распределяться равномерно во всех направлениях.
Несомненно, что технология жидкостного дыхания в первую очередь нужна морякам-подводникам. Как это ни парадоксально звучит, но в настоящее время нет надежных способов спасения людей, терпящих бедствие на больших глубинах. Не только у нас, но и во всем мире методы и техника спасения терпящих бедствие на большой глубине много лет практически не развиваются. То, что средства аварийного спасения экипажей безнадежно устарели и нуждаются в скорейшей модернизации, показала трагедия подлодки «Курск».
Субмарина была оснащена оборудованием, помогающим покинуть ее в случае аварии, но всплывающая спасательная камера была повреждена взрывом, и воспользоваться ею не удалось. Кроме того, для каждого члена команды было предусмотрено штатное индивидуальное спасательное средство, которое позволяло спасаться с глубины до 120 метров. Несколько минут, необходимых для подъема, человек в этом снаряжении может дышать кислородно-гелиевой смесью. Но и этими средствами люди воспользоваться не смогли. Помимо прочего, это связано и с тем, что баллоны с гелием на подлодке не хранятся, поскольку при высокой концентрации в воздухе этот газ может вызвать удушье и состояние кислородной недостаточности.
Таков большой недостаток индивидуального снаряжения. Спасатели должны были передать баллоны членам команды снаружи, через люки шлюзовой камеры. Нужно отметить, что все это оборудование было разработано в далеком 1959 году и с тех пор никак не менялось. Да и сегодня никаких альтернатив не видно. Возможно, поэтому о применении дыхания жидкостью в морском аварийно-спасательном деле говорят как о самом перспективном методе будущего.
Ихтиандры среди нас. Российские ученые начали испытывать технологию жидкостного дыхания у подводников. Опыты сейчас пока проходят на собаках. Рекорд дыхания в жидкости — уже 30 минут. Как чудеса из романов и фильмов претворяются в жизнь, выяснял корреспондент «Вестей ФМ» Сергей Гололобов.
Наблюдение за экспериментом. Таксу погружают в ванну с жидкостью мордой вниз. Удивительно, но собака не захлебнулась, а начала дышать той самой жидкостью. Заглатывая её судорожно, рывками. Но ведь дышала. Спустя 15 минут ее вытащили. Собака была вялой, причем, скорее, от переохлаждения, но, главное, живой. А спустя некоторое время и во все пришла в свое обычное игривое настроение. Чудо. Что-то похожее демонстрировалось в знаменитом голливудском фильме «Бездна» 1989 года. Там, залив в колбу с водой некие присадки, запускали туда белую крысу. Причем снято все натурально. И крыса действительно дышала якобы под водой.
А хитрость этого эпизода из фильма «Бездна» в том, что крыса дышала не водой как таковой, а некой специальной жидкостью. Именно на этом и основывается технология жидкостного дыхания. Наиболее подходящими веществами для этой цели считаются перфторуглеродные соединения. Они хорошо растворяют в себе кислород и углекислый газ и не приносят вред организму. То есть живые существа вдыхают не воду, а те самые жидкие углероды. Для чего это нужно людям, рассказал врач-пульмонолог, руководитель научной темы по жидкостному дыханию еще с восьмидесятых годов Андрей Филиппенко.
«Это нужня для спасения подводников. При большом давлении, если у них будет в легких жидкость, если они из этой жидкости извлекут кислород, то они смогут выйти на большой глубине, и быстро, без всякой декомпрессионной проблемы подняться к поверхности».
Известно, что выход с больших глубин у водолазов и подводников занимает часы. Если же подниматься на поверхность быстро, то вас настигнет кессонная болезнь. Попадающие с дыхательной смесью в кровь пузырьки азота вскипают из-за резкого перепада давления и разрушают сосуды. Если использовать аппарат со специальной дыхательной жидкостью, таких проблем не возникнет, поясняет Андрей Филиппенко.
«Фторуглеродная жидкость является носителем, так сказать, азот-кислорода, то есть переносчиком. Но в отличие от азота, который переходит в ткань организма при большом давлении, на глубине, и из-за этого возникает кессонная болезнь, здесь этого нет. То есть нет причин для кессонной болезни. Нет пересыщения инертным газом организма. То есть нет принципиально причин для пузырьков».
Опыты по жидкостному дыханию активно велись, начиная с 60-х, в Советском Союзе и США. Но дальше экспериментов с животными дело не доходило. После развала Союза у нас научный поиск в этом направлении сошел на нет. Но очень мощные наработки остались. И сейчас их решено использовать по новой, говорит Андрей Филиппенко.
«Большой задел по технологии жидкостного дыхания, и по жидкостям. И плюс еще у нас еще есть последствия этих жидкостей. Потому что все вводимые в кровь фторуглероды, а у нас уже 25 лет используется такое вещество, выходят через легкие. То есть мы знаем и последствия влияния на организм введения в него перфторуглеродов. У американцев или французов, англичан таких данных нет».
Недавно российские ученые создали специальную капсулу для собак, которую погружали в гидрокамеру с повышенным давлением. И сейчас собаки могут без последствий для здоровья более получаса дышать на глубине до полукилометра. А вскоре планируется перейти к экспериментам на людях. Самое страшное — это, конечно, заставить себя вдохнуть жидкость, размышляет президент Конфедерации подводной деятельности России Валентин Сташевский:
«Когда воду вдыхаешь, это просто кошмар. Это значит первый путь к тому, чтобы утонуть. Так было по всем историческим предшествующим событиям. Захлебываешься, как только вода попадает в дыхательные пути и так далее».
Тем не менее, желающие стать фактически утопленниками, но при этом начать дышать как человек-амфибия, ну или Садко, у нас есть, отмечает Андрей Филиппенко.
«Добровольцы есть. Но давайте сразу уточним, добровольцами здесь могут быть только те люди, которые очень хорошо понимают, что может произойти. То есть это фактически могут быть только те врачи, которые много занимались жидкостным дыханием. Вот такие в нашей команде есть. И не один. Нужно только правильно всё оорганизовать».
Сейчас работы по жидкостному дыханию переданы в НИИ медицины труда. Основная цель исследований — создать специальный скафандр, который пригодится не только подводникам, но и летчикам, а также космонавтам. Но, повторим, речь идет о дыхании специальными жидкостями. Дышать непосредственно водой, как ихтиандр, пока человеку недоступно.
December 28th, 2017
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.
Лично мне конечно непонятно, почему толпы жалеющих собаку в соцсетях не кидаются защищать например мышей и кроликов, которые вообще то гибнут пачками в институтах. А еще интересно, они считают например Королева тоже жестоким и бессердечным - он то не одну собаку подарил во благо человечества. А вот , а . Ну ладно, мы не об этом вообще то.
Что это была за жидкость? Можно ли дышать жидкостью? И как обстоят дела в этой сфере научных исследований?
Чтобы было понятно, почему открытие называют настоящим прорывом. Еще в конце 80-х годов жидкостное дыхание считалось научной фантастикой. Им пользовались герои фильма американского режиссера Джеймса Кэмерона "Бездна". И даже в картине оно называлось экспериментальной разработкой.
Научить человека и животных дышать жидкостью пытались давно. Первые опыты в 60-х были неудачными, подопытные мыши жили очень недолго. На людях технику жидкостной вентиляции легких проверяли один единственный раз в США, для спасения недоношенных детей. Однако ни одного из трех младенцев не удалось реанимировать.
Тогда для доставки кислорода в легкие использовали перфторан, его еще применяют в качестве кровезаменителей. Основной проблемой было то, что эту жидкость не удавалось достаточным образом очистить. В ней плохо растворялся углекислый газ, и для длительного дыхания нужна была принудительная вентиляция легких. В покое мужчина обычной комплекции среднего роста должен был пропускать через себя 5 литров жидкости в минуту, при нагрузках - 10 литров в минуту. Легкие для таких нагрузок не приспособлены. Нашим исследователям удалось эту проблему решить.
Жидкостное дыхание, жидкостная вентиляция лёгких — дыхание с помощью хорошо растворяющей кислород жидкости. На настоящий момент проводились лишь отдельные эксперименты подобных технологий.
Жидкостное дыхание предполагает заполнение лёгких жидкостью, насыщенной растворённым кислородом, который проникает в кровь. Наиболее подходящими веществами для этой цели рассматриваются перфторуглеродные соединения, хорошо растворяющие кислород и углекислый газ, имеющие низкое поверхностное натяжение, высокоинертные, и не метаболизирующиеся в организме.
Частичная жидкостная вентиляция лёгких в настоящее время находится в стадии клинических испытаний при различных нарушениях дыхания. Разработано несколько способов жидкостной вентиляции лёгких, в том числе вентиляции с помощью паров и аэрозолей перфторуглеродов.
Полная жидкостная вентиляция лёгких заключается в полном заполнении лёгких жидкостью. Эксперименты по полной жидкостной вентиляции лёгких проводились на животных в 1970 — 1980-е годы в СССР и США. Например, в 1975 г. в институте сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева профессор Ф. Ф. Белоярцев впервые в стране выполнил работы по длительной внелёгочной оксигенации с использованием фторуглеродных оксигенаторов и по замене газовой среды в лёгких на жидкий перфторуглерод. Однако, данные эксперименты до сих пор не вышли из этой стадии. Это связано с тем, что изученные соединения, пригодные для жидкостной вентиляции лёгких, обладают рядом недостатков, которые значительно ограничивают их применимость. В частности, не было найдено методов, которые могли бы применяться продолжительно.
Предполагается, что жидкостное дыхание может использоваться при глубоководных погружениях, космических полётах, в качестве одного из средств в комплексной терапии некоторых болезней.
В РФ экспериментами и разработками в области жидкостного дыхания занимается ученый, врач, разработчик технологии и изобретатель аппарата "Жидкостного дыхания" Андрей Викторович Филиппенко. Разработки ученого известны, как в России, так и за рубежом. Филиппенко - действующий кандидат медицинских наук, специалист по жидкостному дыханию, патофизиологии легких, восстановительной медицине, фармакологическим испытаниям и разработке медицинских приборов. Выпустил более 20 научно-технических отчетов и опубликовал около 30 научных статей в российской и зарубежной печати. Выступал на множестве конференций по теме жидкостного дыхания и спасения подводников, в том числе в России, Германии, Бельгии, Швеции, Великобритании и Испании. Имеет авторские свидетельства на метод ультразвуковой локации декомпрессионных газовых пузырьков и др. В 2014 году Андрей Викторович Филиппенко заключил договор с Фондом перспективных исследований, работа с которым продлилась вплоть до 2016 года.
"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 статья 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.
Источники:
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 .
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.
