Дыхание под водой – возможно!
Тема жидкостного дыхания давно волнует умы людей – сначала фантастов, а затем и серьёзных учёных. Как выяснилось после долгих лет исследований, наши лёгкие всё же способны работать наподобие рыбьих жабр: для этого необходимо заполнить их специальной жидкостью, которая будет регулярно обновляться. Эти разработки являются победой человека над силами природы и законами физики, а понятие кессонной болезни скоро безнадёжно устареет.
Декомпрессионная, или кессонная болезнь, известна с середины 19 века. Заболевание связано с тем, что в баллонах со сжатым воздухом, которыми пользуются водолазы, находится обычный по составу воздух. В нём содержится всего 20% кислорода, который наш организм полностью использует и перерабатывает в углекислый газ. Остальные 80% составляют, в основном, азот, гелий, водород и незначительные примеси. Когда дайвер быстро поднимается из глубины моря на поверхность, давление этих балластных газов изменяется. В результате они начинают выделяться в виде пузырьков в кровь и разрушать стенки клеток и кровеносных сосудов, блокировать кровоток. При тяжёлой форме декомпрессионная болезнь может привести к параличу или смерти.
Поэтому увлечённые дайвингом люди долгое время не могли себе позволить нырять глубже 70 метров, потому что это крайне опасно. На большие глубины способны погружаться лишь уникальные специалисты — их всего несколько человек в мире. Мировой рекордсмен здесь — южно-африканец Нуно Гомес. Его погружение в 2005 году на глубину 318 метров заняло всего 14 минут, тогда как подъём продолжался около 12 часов. При этом Гомес потратил 35 баллонов (почти 450 литров) сжатого воздуха.
Группа риска включает в себя не только дайверов и рабочих, работающих в кессонах (камерах с повышенным давлением, обычно использующиеся для строительства туннелей под реками и закрепления в донном грунте опор мостов), но и пилотов на большой высоте, а так же космонавтов, использующих для выхода в открытый космос костюмы, поддерживающие низкое давление. К сожалению, заменить дыхательную смесь чистым кислородом – тоже не вариант. Он вызывает головные боли и общую слабость, а при продолжительном использовании наступает перекисное окисление липидов и активацию свободнорадикального окисления, что приводит к истощению антиоксидантов и возникновению окислительного стресса организма. А это уже практически 100%-ный риск развития онкологических заболеваний.
Первые опыты, связанные с дыханием при помощи жидкости, были проведены в 1966 году на мышах. Кларк Леланд осуществил замену воздуха в легких у подопытных животных жидкими перфторуглеродными соединениями. Результаты были вполне удачными — мыши смогли дышать, будучи погруженными в жидкость на несколько часов, а затем снова дышать воздухом. Уже более 20 лет неонатологи используют подобные технологи для ухода за недоношенными младенцами. Лёгочная ткань таких детишек к рождению сформирована не до конца, поэтому с помощью специальных устройств дыхательную систему насыщают как раз кислородсодержащим раствором на основе перфторуглеродов.
Эти вещества представляют собой углеводороды, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. Перфторуглероды обладают аномально высокой способностью растворять газы, например, кислород и углекислый газ. Они так же высокоинертны и не метаболизируются в организме, что позволяет использовать их не только для вентиляции лёгких, но даже в качестве искусственной крови. В последние год ведутся исследования по улучшению свойств дыхательной жидкости: новая формула получила название «перфлуброн» Это чистая, маслянистая жидкость, обладающая малой плотностью. Так как у нее весьма низкая температура кипения, она быстро и легко выводится (испаряется) из легких.
К погружению готов!
Арнольд Лэнди (Arnold Lande), бывший хирург, а ныне обычный американский пенсионер-изобретатель, зарегистрировал патент на водолазный костюм, оснащенный баллоном с «жидким воздухом». Оттуда он подаётся в шлем дайвера, заполняет собой все пространство вокруг головы, вытесняет воздух из легких, полостей носоглотки и ушей, насыщая легкие человека достаточным количеством кислорода. В свою очередь, углекислый газ, который выделяется в процессе дыхания, выходит наружу при помощи своеобразного подобия жабр, прикрепленных к бедренной вене ныряльщика.
Таким образом сам процесс дыхания становится попросту не нужен – кислород поступает в кровь через легкие, а углекислый газ выводится прямо из крови. Да и давление толщи воды на по-настоящему большой глубине слишком большое: пытаясь сделать вдох где-нибудь на дне Марианской впадины, водолаз рискует сломать рёбра. Так что во главе угла теперь стоит психологический момент: нужно отучить водолазов дышать, при этом не испытывая вполне понятной тревоги. Для этого дайверам потребуется проходить курс обучения, и только приобретя все необходимые навыки, из бассейна отправляться в «открытое плавание».
«Моё изобретение позволяет полностью избежать развития кессонной болезни, поскольку вдыхаемая жидкость не содержит азота, гелия и водорода, собственно и образующих пузырьки, закупоривающих сосуды и приводящих к серьезным поражениям внутренних органов», -торжествующе заявил Арнольд Лэнди, выступая на Международной конференции по прикладной бионике и биомеханике, состоявшейся в Италии.
Таким образом, изобретатель сделал ценный подарок не только одним лишь покорителям морских глубин. Предполагается, что жидкостное дыхание так же может быть успешно использовано при космических полётах и в качестве одного из средств комплексной терапии некоторых болезней. Порадоваться могли бы и защитники природы: к примеру, печально известный разрыв на нефтяной скважине в Мексиканском заливе произошёл на глубине полторы тысячи метров, что многовато даже для техники. А вот дайверы, дышащие как рыбы, смогли бы в данной ситуации быстро справиться с ремонтом.
Источник
Люди умеют не дышать по 20 минут, игнорируя защитные рефлексы. Возможно, это вредит работе мозга
О борьбе физиологии с волей.
Если вы сейчас перестанете дышать, то, скорее всего, продержитесь не больше минуты – потом задержка станет невыносимой.
Человек вообще не очень приспособлен под то, чтобы долго обходиться без воздуха. Мы теплокровные, и из-за этого в крови растворяется не очень много кислорода, необходимого для функционирования организма, и его запасы нужно постоянно пополнять. Плюс, у нас большой и сложно устроенный мозг, который забирает примерно пятую часть всего потребляемого организмом кислорода.
И все же тренированный человек может подобраться к результату среднестатистического бобра – тот умеет не дышать 15 минут, а среди людей мировой рекорд принадлежит Стефану Мифсуду и составляет 11 минут и 35 секунд. Рекорд Гиннесса еще выше – 11:54 Бранко Петровича, но этот результат не признает AIDA International (международная ассоциация фридайвинга).
При помощи некоторых хитростей (о них чуть ниже) результат увеличивается в два раза – по данным той же Книги рекордов Гиннесса, дольше всех не дышал Будимир Шобат, протянувший 24 минуты и 11 секунд.
Видео рекордной попытки Шобата нет, но можно посмотреть, как ставился рекорд, который он побил. Тогда Алекс Сегура не дышал 24:03.
У большинства рекордсменов по статическому апноэ (именно так называется дисциплина, когда фридайвер просто задерживает дыхание на поверхности воды) есть к нему природная предрасположенность. Например, у обычного человека объем легких составляет 4-6 литров, а у дайверов – больше 10.
Кроме того, у них, как правило, медленный метаболизм – например, датчанин Стиг Северинсен, однажды не дышавший 22 минуты, рассказывал, что у него пульс в состоянии покоя составляет 39-40 биений в минуту. Для взрослого человека норма – 60-80, а для подготовленного спортсмена – 50.
Теперь о тех самых хитростях.
Во-первых, перед нырком спортсмены делают серию выдохов, чтобы выкинуть весь углекислый газ. Но если с этим перестараться, можно потерять сознание.
Во-вторых, рекорды ставятся при так называемом набивании легких – когда при помощи мышц горла и языка дайвер упаковывает больше воздуха, чем влезает при обычном глубоком вдохе. Говорят, что за счет этой техники профи добавляют три лишних литра. Но если выполнять прием неправильно, можно порвать ткани легких.
Вот так набивание легких выглядит со стороны.
А вот так – на рентгене.
И наконец главная хитрость – подышать чистым кислородом. На соревнованиях ассоциации фридайвинга это не практикуется, но все нырки дольше 12 минут совершались именно за счет этого приема. Перед задержкой дыхания спортсменам разрешают полчаса дышать 100-процентным кислородом, поэтому запаса хватает на большее время – ведь для жизни нам нужен не воздух, а именно O2, который в итоге из легких всасывается в кровь.
А кроме технических приемов рекорды по статическому апноэ раскрывают еще два важных сюжета – о человеческой биологии и воле.
У человека есть нырятельный рефлекс, показанный на задушенных утках
Почему статическая задержка дыхания, которой без проблем можно заниматься на суше, входит в программу дайвинга? Отчасти, чтобы облегчить борьбу с жуликами – когда человек лежит в воде, ему трудно тихонько подсосать откуда-нибудь воздуха. Но куда важнее то, что вода позволяет максимизировать возможности организма.
У человека нет очевидных адаптаций дыхательной системы, способных спасти жизнь в экстремальной ситуации. Мы не черепахи, который обычно пользуются легкими, но зимой переключаются на клоачное дыхание – у них участки тела рядом с органами выделения умеют поглощать кислород прямо из окружающей их воды. Это особенно помогает, когда они зимуют в замерзших водоемах и не могут выбраться из-подо льда. За счет адаптации черепахи способны протянуть в воде до 100 дней.
Человек задницей дышать не умеет, но, как и у многих животных, у него есть так называемый нырятельный рефлекс. Его одним из первых продемонстрировал французский ученый и нобелевский лауреат в области физиологии и медицины Шарль Рише в конце XIX века. Эксперимент был жестоким: он пережимал дыхательное горло уткам и засекал, через какое время они умрут. На открытом воздухе смерть наступала в среднем через семь минут. Но когда он опускал уток под воду, они мучились в среднем 23 минуты.
Все из-за нырятельного рефлекса, который есть и у человека и включается на полную при соблюдении двух условий: задержка дыхания и охлаждение лица. Оба этих условия соблюдаются, если опускаться в воду температурой не выше 21 градуса.
В результате запускаются два процесса:
• Замедление сердцебиения. У тренированных пульс может снизиться в два раза, но и у обычных людей он замедляется на 10-30%.
• Организм сокращает приток крови в конечности и отдает приоритет наиболее зависимым от содержащегося в ней кислорода и наиболее важным для жизнеобеспечения органам – мозгу и сердцу.
Связь между этими процессами и задержкой дыхания более-менее понятная и прямая (организм чувствует дефицит и замедляет работу для экономии ресурсов), а вот с охлаждением лица все интереснее. Оно работает из-за тройничного нерва – он находится в районе скул и связан с участком нервной системы, управляющим сердцем. Когда на тройничный нерв воздействует что-то холодное, сердце через посредников получает сигнал замедлиться.
Ученые до сих пор не знают, почему и как возникла эта связь, но она существует. Поэтому, например, считается, что умывание прохладной водой помогает успокоиться.
Кроме того, в воде легче не дышать, потому что в ней проще выполнить основное требование для успеха в статическом апноэ – расслабиться. Какими бы человек ни обладал биологическими механизмами, если он будет напряжен, сердцебиение не замедлится, и накопленный в организме кислород сгорит быстрее.
Поэтому в статическом апноэ главный допинг – препараты из категории бета-адреноблокаторов. Они снижают пульс, давление и количество прокачиваемой сердцем крови.
Основа успеха – расслабление и умение не слушать собственное тело
Нырятельный рефлекс – один из защитных механизмов организма. Но фридайверы демонстрируют, что умеют не только использовать эти механизмы, но и игнорировать.
Порыв сделать вдох в первую очередь возникает не из-за того, что человеку не хватает кислорода, – а из-за того, что в организме накапливается углекислый газ. Тело это чувствует, рефлекс пытается победить волю, и запускаются непроизвольные дыхательные движения. Профессиональные дайверы умеют их терпеть – некоторые сдаются, только выдержав больше сотни порывов ко вдоху.
В 2016-м физиолог и специалист по экстремальной задержке дыхания Энтони Бэйн провел эксперимент. Чтобы заглушить сигналы от организма, запускающие дыхательные движения, испытуемым давали небольшие дозы дофамина. В итоге обычные люди при его помощи могли задержать дыхание дольше.
Но на результаты тренированных фридайверов гормон никак не влиял – им не надо было заглушать защитные системы организма, потому что они уже умели их не слушать. И дышать они начинали, только когда уровень кислорода в крови опускался критически низко. «В отличие от нетренированных людей дайверы удивительно легко задерживают дыхание до потери сознания», – говорил Бэйн. Именно поэтому фридайвингом ни в коем случае нельзя заниматься без страхующих.
Способность доводить организм до физических пределов истощения интересна и с общеспортивной точки зрения.
Сейчас в научной среде идет спор о природе утомления. В классическом представлении утомление – механический процесс: организм уже не может прокачивать кислород в мышцы, они закисляются и – на фоне идущего одновременно нарушения связи с мозгом – перестают работать.
Но британский физиолог Самуэль Маркора утверждает, что в утомлении огромную роль играет психология. Конечно, внешние условия и подготовка важны, но на их важность влияет восприятие усилия. Как это сформулировали в The New Yorker, физическая реакция организма на нагрузку «не заставляет человека остановиться, а заставляет его хотеть остановиться». И Маркора утверждает, что чаще всего человек останавливается не из-за механического отказа организма, а в результате сознательного решения.
Поэтому в контексте утомления интересно изучать не только физиологию, но и то, что влияет на сознательное решение остановиться. Например, в Уэльсе в результате эксперимента показали, что велосипедисты уставали быстрее, когда во время теста на выносливость им показывали грустные картинки, и медленнее, когда видели радостные лица.
Источник
