Жидкостное дыхание
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.
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.
Источник
Подводное дыхание фторуглеродами
Вододышащие мыши
Оказывается, ещё в первой половине прошлого века биологи, химики и физиологи занимались решением этой проблемы. «Социальным заказом» исследований послужило лечение людей, пострадавших от отравляющих газов во время Первой мировой войны. Хлор, синильная кислота, иприт, хлорпикрин, фосген и дифосген не оставляли шансов на выживание попавшим под их прямое воздействие; однако на периферии газовой атаки было немало солдат, «отделавшихся» более или менее серьёзным поражением лёгких.
Тогда, возможно, и возникла идея ингаляции повреждённых лёгких особой жидкостью — не водой, конечно, а соляным раствором, обогащённым кислородом. О первых опытах на животных, проводившихся в то время, не сохранилось практически никакой информации; скорее всего, они не дали положительных результатов.
Тем не менее в 60-х годах прошлого века опыты были возобновлены. Они проводились независимо в СССР и США, и их объектами стали обычные лабораторные мыши. Есть информация о том, что мышь, полностью погружённая в сильно обогащённый кислородом соляной раствор (на вид ничем не отличающийся от воды), не захлёбывалась, а вполне нормально себя чувствовала и даже совершала плавательные движения. Впрочем, такое продолжалось недолго.
Дело в том, что при таком «жидкостном дыхании» организм мыши получал кислород, но не мог избавляться от углекислого газа. Что и приводило, в конце концов, к гибели животного. Казалось бы, на этом следовало поставить точку и не мучить больше бедных грызунов. Однако…
Вместо водорода — фтор
Некоторое время спустя в чью-то гениальную голову пришла мысль использовать в качестве раствора жидкие фторуглероды. Мы говорим — в чью-то, потому что не знаем, чья это была голова: большинство результатов экспериментов с жидкостным дыханием по сей день остаётся засекреченным. В открытом доступе есть лишь крохи информации по этой теме, но и эти крохи поражают воображение.
Что такое фторуглероды? Это сложные органические (то есть на основе углерода) соединения, в которых атомы водорода заменены атомами фтора. В природе таких соединений не найдено, но они без особых трудов могут быть синтезированы в лаборатории.
Выбор жидких фторуглеродов был обусловлен в первую очередь их аномально высокой способностью растворять и кислород, и углекислый газ.
К тому же они инертны, прозрачны, без вкуса, цвета и запаха и не наносят вреда тканям лёгких. Вдобавок фторуглероды не метаболизируются в организме (не участвуют в обмене веществ).
В середине 70-х годов были получены и первые обнадёживающие результаты. Имеется информация о том, что в 1975 году в советском Институте сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева была успешно осуществлена полная жидкостная вентиляция лёгких (ПЖВ). Попросту говоря, газовая среда в лёгких подопытного животного (на сей раз это была собака) полностью заменялась жидким фторуглеродом, которым животное могло дышать в течение определённого времени.
Но прежде чем продолжить рассказ об экспериментах с жидкостным дыханием, давайте остановимся на вопросе «зачем?». Для чего нужно дышать жидкостью тому, кто привык дышать воздухом?
На земле и в космосе
Есть три ответа на этот вопрос. Жидкостное дыхание нужно тем, кто летит в космос, погружается в морские глубины или страдает лёгочной недостаточностью на земле.
Начнём с последнего — с лёгочной недостаточности.
Особенно актуальным жидкостное дыхание может стать при выхаживании недоношенных младенцев. Дело в том, что эмбрион все время своего развития «в утробе матери находится в жидкой среде. Он получает кислород и выделяет углекислый газ не с помощью лёгких, а через пуповину. Это не дыхание в привычном для нас смысле, по системе «вдох-выдох».
К тому же лёгочная ткань у эмбриона развивается постепенно и созревает лишь к 35-й — 36-й неделе беременности. А это значит, что недоношенные дети, чтобы выжить, нуждаются в аппарате искусственного дыхания. Но что, если поместить недоношенного младенца целиком в жидкость? По возможности смоделировать условия развития в материнской утробе? Его лёгочная ткань продолжала бы развиваться естественным путём, а замена аппарата ИВЛ «жидкостным дыханием» позволила бы избежать множества дальнейших осложнений.
Для космонавтов жидкостное дыхание могло бы значительно увеличить работоспособность в условиях больших перегрузок. Если скафандр космонавта целиком заполнен жидкостью, нагрузка на его тело при ускорении, торможении и других необходимых манёврах космического корабля распределяется равномерно. Даже при 15-кратных перегрузках такой космонавт может находиться в сознании и сохранять работоспособность; в то время как сейчас при взлёте стараются ограничиваться 4-кратной перегрузкой, а пределом человеческих возможностей считается кратковременная (при аварийной посадке) 12-кратная перегрузка.
Жидкостное дыхание могло бы стать незаменимым и для погружения на большие глубины. Сегодня водолазам приходится не только использовать громоздкие и неудобные глубоководные скафандры, но они ещё при быстром подъёме страдают от кессонной болезни, когда растворённые в крови газы как бы «закипают» пузырьками.
Герой фантастического фильма «Бездна» (1989 г., режиссёр Дж. Кэмерон) как раз и пользуется жидкостным дыханием, чтобы в обычном скафандре опуститься на большую глубину, обезвредить ядерную бомбу и тем самым спасти человечество. На экране хорошо видно, как прозрачный шлем персонажа Эда Харриса целиком заполняется прозрачной жидкостью, а герой при этом не меняет стоического выражения лица.
И вот, говоря о глубоководном погружении, мы переходим из области фантастики к событиям, которые, возможно, действительно происходили в 80-х годах прошлого века.
Чёрное море. Акванавты
Хотя с тех пор прошло около 40 лет, истории о черноморской подводной базе спасателей всё ещё передаются из уст в уста и из гаджета в гаджет. Сразу хотим предупредить читателя: истории эти из серии «один хороший знакомый родственника друга рассказал». Однако их долговечность и сходство в некоторых важных деталях заставляют предположить — что-то подобное действительно происходило.
Суть историй заключается в следующем. В начале 80-х годов прошлого века в СССР разработали целую программу спасения людей на большой глубине. С этой целью на Чёрном море построили подводную базу для подготовки акванавтов-спасателей. Акванавты с лёгкими, заполненными фторуглеродной жидкостью, могли даже не в скафандрах — в обычных гидрокостюмах опускаться на глубину до 500 метров и несколько часов находиться там, выполняя необходимые действия.
База прекратила своё существование в начале 90-х годов по совершенно банальной причине — отсутствие финансирования. Не до морских глубин стало тогда стране… Акванавтов, впрочем, наградили правительственными наградами и отпустили на все четыре стороны, взяв строгую подписку о неразглашении.
Некоторые «знакомые родственников друзей» рассказывают, впрочем, что кое-кто из бывших глубоководников на старости лет всё-таки нарушил подписку и рассказал — каково оно, дышать жидкостью.
По их словам, совсем нетрудно. Очень трудно преодолеть психологический барьер — страх захлебнуться, когда надо «вдохнуть» жидкость и позволить ей заполнить свои лёгкие. Так что невозмутимая физиономия Эда Харриса в заполняемом жидкостью шлеме — не что иное, как выдумка. В отличие от самого жидкостного дыхания…
Были или не были в действительности люди, дышащие жидкостью на глубине 500 метров, — вопрос, мягко говоря, спорный. Но что касается экспериментов с животными, то они, похоже, проводились и проводятся на самом деле.
Во всяком случае четыре года назад российский Фонд перспективных исследований — Фпи — анонсировал продолжение опытов с жидкостным дыханием. Есть информация о том, что к 2020 году исследователи добились впечатляющего результата в опытах на собаках. По каким-то соображениям была выбрана одна порода — такса. Так вот, такса оказалась способна без вреда для здоровья выдержать 30 минут жидкого дыхания в условиях, имитирующих погружение на 500-метровую глубину. После чего из её лёгких откачали фторуглеродную жидкость, и животное вернулось к привычному (воздушному) способу дыхания.
Журнал: Тайны 20-го века №32, август 2020 года
Рубрика: Под грифом «Секретно»
Автор: Ольга Арсентьева
Источник
