Как водные млекопитающие дышат под водой
Средний объём лёгких человека составляет 2500 миллилитров. При спокойном вдохе поглощается 500 миллилитров воздуха, из которых 140 остаётся в так называемом «вредном пространстве», а 360 поступает в лёгкие. Значит, альвеолярный воздух вентилируется всего лишь на одну седьмую часть (360/2500).
Водные млекопитающие киты за одно дыхательное движение обновляют содержимое лёгких на 90 процентов! Подвижная грудная клетка, мощные дыхательные мускулы, развитая мускулатура в лёгочной ткани – всё это приспособлено для того, чтобы сделать глубокий выдох – вытолкнуть бесполезный, отдавший кислород воздух и как можно быстрее заменить его новой порцией чистого атмосферного воздуха. С каждым дыхательным движением в лёгкие кита поступает в 4-5 раз больше кислорода, чем в лёгкие человека.
Кашалот перед длительным погружением делает 60-70 вдохов; можно представить себе, как основательно он «заряжает» свой организм кислородом.
У водных млекопитающих повышена так называемая кислородная ёмкость крови. Известно, что кислород по организму разносит особый, содержащийся в красных кровяных тельцах (эритроцитах) пигмент – гемоглобин. Проходя через лёгкие, гемоглобин присоединяет кислород и в виде оксигемоглобина устремляется по артериям во все уголки организма.
Один грамм гемоглобина крови человека связывает 1,23 кубических сантиметра кислорода, а тюленя – 1,78. К этому надо добавить, что процесс связывания кислорода гемоглобином идёт у ныряющих млекопитающих очень быстро.
Водные млекопитающие отличаются экономным расходованием кислорода во время ныряния. Так, у обыкновенного тюленя расход кислорода в течение одной минуты после погружения снижался в 15 раз! Эта экономия обеспечивается различными способами. Замедляется обмен веществ в организме зверя, уменьшается количество вырабатываемого тепла, происходят резкие изменения в кровообращении и характере кровоснабжения различных тканей.
У морского льва, например, уже через 10 секунд после начала ныряния количество сокращений сердца падает от 130-140 до 30-40 в минуту, а у серого кита – со 100 до 10 ударов. Но особенно отличается в этом отношении нутрия. У неё частота сердцебиений при погружении в воду уменьшается с 216 до 4! Разница колоссальная. У северного морского слона частота сокращений сердца в конце 40 – минутного ныряния также падала до 4, но исходный уровень у этого вида гораздо ниже, чем у нутрии: 60 ударов в минуту.
Специальные измерения показали, что при нырянии давление крови в магистральных сосудах сохраняется в норме. Зато в малых артериях оно уменьшается до уровня венозного, а иногда и вовсе сходит на нет, то есть пульс перестаёт прощупываться.
Перераспределение кровопотока имеет огромнейшее значение для зверя. В любых условиях его головной мозг нормально омывается кровью, в достатке снабжается кислородом. Болезненно реагирует головной мозг на недостаток кислорода: 4-5 минут – и в нежных клетках наступают необратимые изменения. «Оживление» организма становится невозможным. Другие органы могут побыть и на голодной диете, они гораздо выносливее и неприхотливы.
Нервные клетки дыхательного центра животных находятся в передней трети продолговатого мозга. Водные млекопитающие очень чувствительны к концентрации углекислого газа в крови. Чуть содержание его превышает норму – дыхательный центр даёт «команду» усилить вентиляцию лёгких, увеличить приток кислорода, улучшить вывод углекислоты из крови. И здоровый организм выполняет эти команды, дыхание становится глубоким, нормальный состав газов крови восстанавливается. Но вот что удивительно – дыхательный центр головного мозга водных млекопитающих чрезвычайно устойчив к повышению концентрации в крови углекислого газа.
Поразмыслив, учёные поняли в чём суть дела: сохранение у этих зверей свойственной для наземных млекопитающих чувствительности к углекислоте могло позволить дыхательному центру сыграть злую шутку со своим хозяином – заставить его усилить «вентиляцию» лёгких в самый неподходящий момент, во время ныряния. Конечно, вдох под водой был бы для зверя последним…
Перераспределение кровяного потока, усиленное питание головного мозга, когда зверь находится под водой, — эти механизмы обнаружены не только у водных млекопитающих – они есть у бобра, ондатры и некоторых других зверей.
Гемоглобин есть не только в крови, но и в форме миоглобина присутствует в мышечной ткани животных. Миоглобин запасает кислород и отдаёт его по мере надобности. У водных млекопитающих этого пигмента очень много, у дельфинов, например, его столько же, сколько и гемоглобина. В мышцах сердца и головы дельфинов миоглобина в 4-5 раз больше, чем у кролика или морской свинки, а в спинных и брюшных мышцах – в 15 раз!
Учёные установили, что запас кислорода в организме человека составляет в среднем 2640 миллилитров, из них в лёгких – 900, в крови – 1160, тканевой жидкости – 245, в миоглобине – 335 миллилитров — одна седьмая часть общего запаса. У тюленя же из 5400 миллилитров кислорода миоглобин удерживает свыше 2500, то есть почти половину!
Итак, получить больше свежего воздуха, полнее использовать содержащийся в нём кислород, доставить тканям быстрее, лучше «выгрузить» его, создать резервы воздуха и кислорода при нырянии, экономнее расходовать драгоценный газ в погруженном состоянии, обеспечивать им в первую очередь жизненно важные центры – вот к чему сводятся, в сущности, все сложнейшие морфологические и физиологические приспособления, выработавшиеся у водных млекопитающих в процессе великого обратного пути с суши в воду.
Некоторые водные млекопитающие достигли высокой степени совершенства, другие же обладают менее яркими и полными приспособлениями, но принцип для всех общий. А это для нас главное.
Источник
Дышать под водой – теперь это реально?
На первый взгляд эта мысль кажется невероятной. Разве не погибают каждый год тысячи людей, захлебнувшиеся морской водой? Способна ли вода стать заменой обычному кислороду? Перенесемся мысленно в лабораторию голландского физиолога Иоганнеса Килстра, где ученый проводит свои удивительные опыты. Вот один из них.
Ученый заливает водой небольшой прозрачный резервуар и добавляет туда немного соли. Далее он закупоривает емкость и через трубку накачивает в нее кислород под давлением. Сосуд взбалтывают и вскоре через промежуточную (шлюзовую) камеру впускают внутрь белую мышь. Подняться она не может — этому препятствует сетка на поверхности воды. Но. Проходит полчаса, час, два. Мышь, как это ни кажется странным, дышит — да, да, именно дышит водой! Но никакой паники у мыши не наблюдается. Легкие зверька действуют подобно рыбьим жабрам, получая кислород напрямую из воды. Само собой, ни о какой кессонной болезни и речи быть не может — азот в воду не добавляли. Схожие эксперименты делали и ученые в СССР, возглавляемые кандидатом медицинских наук Владленом Козаком.
Итак, первый шаг сделан. И вполне успешно. Однако ученые не торопятся объявить об этом. Вдруг способностью к дыханию жидкостью обладают только мелкие животные? Чтобы рассеять сомнения, метод проверяют на собаках. И что же? В первых же экспериментах собаки дышали солоноватым раствором, насыщенным кислородом, более получаса. Опыты показали, что не только собаки, но и кошки могут долго дышать жидкостью. Иногда они оставались под водой много часов подряд и затем спокойно возвращались к привычному способу дыхания.
А способен ли дышать водой человек? Ободренный успехом опытов на животных, Иоганес Килстра сделал попытку прояснить и этот вопрос. Первым испытуемым стал водолаз с 20-летним опытом Фрэнк Фалежчик. Когда ему залили одно легкое, он чувствовал себя так хорошо, что просил одновременно заполнить и другое. «Пока в этом нет необходимости»,— сказал ученый. Однако через некоторое время Килстра решился на такой эксперимент.
В лаборатории собрались двадцать докторов, чтобы засвидетельствовать удивительный опыт. Подопытным согласился быть все тот же Фрэнк Фалежчик. Ему сделали анестезию горла для подавления глотательного рефлекса и ввели в трахею (дыхательное горло) эластичную трубку. Через нее ученый начал постепенно вливать специальный раствор. Жидкость поступала в оба легких, и все напряженно наблюдали за Фалежчиком, который не обнаруживал никаких признаков паники.
Более того, он показал знаками, что готов помогать экспериментаторам, и сам стал записывать свои ощущения. Человек дышал жидкостью не один час! Однако, потребовалось пара дней, чтобы окончательно откачать ее из легких. «Я не ощущал никакого дискомфорта, — сказал после опыта Фрэнк Фалежчик,— и не чувствовал тяжести в груди, как изначально предполагал». Размышляя над результатами этих интереснейших опытов, доктор Килстра высказал убеждение, что человек с залитыми водой легкими может совершенно безболезненно опуститься на полкилометра и через двадцать минут вернуться на поверхность.
Много лет назад Жак-Ив Кусто выдвинул любопытное предположение. «Придет время, — писал он, — и человечество выведет новую расу людей—«Гомо акватикус» («человек подводный»). Они заселят морское дно, построят там города и будут жить как на земле». Кто знает, может быть, пророчество отважного капитана, признанного старейшины подводных пловцов, когда-нибудь и сбудется? источник
PS: Рекомендую к просмотру фильм «Жидкостное дыхание»
Источник
Глубокое дыхание
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.
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.
Источник
