Защо човек се задушава под водата? Океанското дъно никога няма да стане постоянно място за пребиваване на хората

МОСКВА, 27 януари - РИА Новости, Олга Коленцова.Въпреки че плодът живее във вода девет месеца и плуването е полезно за здравето, водната среда е опасна за хората. Всеки може да се удави - дете, възрастен, добре обучен плувец... А спасителите нямат много време да спасят живота и разсъдъка на човек.

Преодолейте напрежението

Когато човек се удави, водата влиза в дробовете му. Но защо хората не могат да живеят поне за кратко, като черпят кислород от водата? За да разберем това, нека да разберем как диша човек. Белите дробове са като чепка грозде, където бронхите се разклоняват, като издънки, в много дихателни пътища (бронхиоли) и са увенчани с плодове - алвеоли. Влакната в тях се компресират и разширяват, позволявайки на кислород и други газове от атмосферата да навлязат в кръвоносните съдове или освобождавайки CO 2 навън.

„За обновяване на въздуха е необходимо да се извърши дихателно движение, което включва междуребрените мускули, диафрагмата и част от мускулите на врата, но повърхностното напрежение на водата е много по-голямо от това на въздуха във вътрешността на веществото се привличат една към друга равномерно поради факта, че има съседи от всички страни. Молекулите на повърхността имат по-малко съседи и те се привличат по-силно, за да могат малките алвеоли да изтеглят вода в себе си. изисква се неизмеримо по-голямо усилие от мускулния комплекс, отколкото при вдишване на въздух“, казва докторът на медицинските науки Алексей Умрюхин, ръководител на катедрата по нормална физиология на Първия Московски държавен медицински университет на името на И. М. Сеченов.

Белите дробове на възрастен съдържат 700-800 милиона алвеоли. Общата им площ е около 90 кв.м. Не е лесно да разкъсате дори две гладки чаши, ако между тях има слой вода. Представете си колко усилия трябва да положите при вдишване, за да отворите такава огромна площ от алвеолите.

Между другото, именно силата на повърхностното напрежение представлява огромен проблем при развитието на течното дишане. Можете да наситете разтвора с кислород и да изберете неговите параметри така, че връзките между молекулите да бъдат отслабени, но във всеки случай силата на повърхностното напрежение ще остане значителна. Мускулите, участващи в дишането, ще изискват много повече усилия, за да избутат разтвора в алвеолите и да го изхвърлят оттам. Можете да издържите на течно дишане няколко минути или час, но рано или късно мускулите просто ще се уморят и няма да могат да се справят с работата.

Няма да е възможно да се преродиш

Алвеолите на новородено са пълни с определено количество амниотична течност, т.е. те са в слепено състояние. Детето поема първия си дъх, а алвеолите се отварят - за цял живот. Ако водата попадне в белите дробове, повърхностното напрежение кара алвеолите да се слепват и е необходима огромна сила, за да ги раздърпате. Две, три, четири вдишвания във вода е максимумът за човек. Всичко това е придружено от спазми - тялото работи до краен предел, белите дробове и мускулите горят, опитвайки се да изстискат всичко от себе си.

Такъв епизод има в популярния сериал "Игра на тронове". Претендент за трона се посвещава в крал по следния начин: главата му се държи под вода, докато спре да се клати и покаже признаци на живот. След това тялото се изтегля на брега и се изчаква човекът да си поеме въздух, да се прокашля и да се изправи. След което кандидатът се признава за пълноправен владетел. Но създателите на сериала разкрасиха реалността: след поредица от вдишвания и издишвания във вода тялото се отказва - и мозъкът спира да изпраща сигнали, че е необходимо да се опита да диша.

Умът е слабото звено

Човек може да задържи дъха си за три до пет минути. Тогава нивото на кислород в кръвта намалява, желанието за поемане на въздух става непоносимо и напълно неконтролируемо. Водата навлиза в белите дробове, но в нея няма достатъчно кислород за насищане на тъканите. Мозъкът е първият, който страда от липса на кислород. Други клетки са в състояние да оцелеят известно време при анаеробно, т.е. безкислородно дишане, въпреки че ще произведат 19 пъти по-малко енергия, отколкото при аеробния процес.

„Мозъчните структури консумират кислород по различен начин. Той контролира съзнателната сфера на дейност, тоест отговаря за креативността, висшите социални функции и нейните неврони ще бъдат използвани първи увеличават кислородните резерви и умират“, отбелязва експертът.

Ако удавен човек бъде върнат към живота, съзнанието му може никога да не се върне към нормалното. Разбира се, много зависи от времето, прекарано под водата, състоянието на тялото и индивидуалните характеристики. Но лекарите смятат, че средно мозъкът на удавен човек умира в рамките на пет минути.

Често удавените остават инвалиди - лежат в кома или са почти напълно парализирани. Въпреки че формално тялото е нормално, засегнатият мозък не може да го контролира. Това се случи със 17-годишния Малик Ахмадов, който през 2010 г. спаси давещо се момиче с цената на здравето си. Вече седем години човекът е подложен на рехабилитация след курс, но мозъкът му не се е възстановил напълно.

Изключенията са редки, но се случват. През 1974 г. петгодишно момче в Норвегия стъпи на леда на река, пропадна и се удави. Изваден е от водата едва след 40 минути. Лекарите са направили изкуствено дишане, сърдечен масаж, реанимацията е преминала успешно. Детето лежа в безсъзнание два дни, след което отвори очи. Лекарите го прегледали и с изненада установили, че мозъкът му е абсолютно нормален. Може би ледената вода е забавила метаболизма в тялото на детето толкова много, че мозъкът му изглеждаше замръзнал и не се нуждаеше от кислород, както останалите му органи.

Лекарите предупреждават: ако човек вече е потънал под вода, спасителят има буквално минута, за да го спаси. Колкото по-бързо жертвата отстрани водата от белите дробове чрез предизвикване на рефлекс за повръщане, толкова по-голям е шансът за пълно възстановяване. Важно е да запомните, че давещият се човек рядко се издава, като крещи или активно се опитва да остане на повърхността; той просто няма достатъчно сила за това. Затова, ако подозирате, че нещо не е наред, по-добре попитайте дали всичко е наред и ако няма отговор, вземете мерки за спасяването на давещия се.

Животът на нашата планета очевидно се е зародил във вода - в среда, където доставките на кислород са много оскъдни. При атмосферно налягане съдържанието на кислород във въздуха на морското равнище е 200 милилитра на литър, а по-малко от седем милилитра кислород се разтварят в литър повърхностна вода.

Първите жители на нашата планета, след като се адаптираха към водната среда, дишаха с хриле, чиято цел беше да извлекат максимално количество кислород от водата.

По време на еволюцията животните са усвоили богатата на кислород атмосфера на сушата и са започнали да дишат през белите си дробове. Функциите на дихателните органи остават същите.

И в белите дробове, и в хрилете кислородът прониква през тънки мембрани от околната среда в кръвоносните съдове, а въглеродният диоксид се отделя от кръвта в околната среда. И така, едни и същи процеси протичат както в хрилете, така и в белите дробове. Това повдига въпроса: би ли могло животно с бели дробове да диша във водна среда, ако съдържа достатъчно количество кислород?

Отговорът на този въпрос е забележителен поради няколко причини. Първо, бихме могли да разберем защо дихателните органи на сухоземните животни са толкова различни по структура от съответните органи на водните животни.

Освен това отговорът на този въпрос е от чисто практически интерес. Ако специално обучен човек можеше да диша във водна среда, това би улеснило изследването на дълбините на океана и пътуването до далечни планети. Всичко това послужи като основа за серия от експерименти за изследване на възможността сухоземните бозайници да дишат вода.

Проблеми с дишането на вода

Експериментите са проведени в лаборатории в Холандия и САЩ. Вдишването на вода има два основни проблема. Един вече беше споменат: при нормално атмосферно налягане във водата има твърде малко разтворен кислород.

Вторият проблем е, че водата и кръвта са течности с много различни физиологични свойства. При „вдишване“ водата може да увреди белодробната тъкан и да причини фатални промени в обема и състава на телесните течности.

Да предположим, че сме подготвили специален изотоничен разтвор, в който съставът на солите е същият като в кръвната плазма. Под високо налягане разтворът се насища с кислород (концентрацията му е приблизително същата като във въздуха). Ще може ли животното да диша такъв разтвор?

Първите подобни експерименти са проведени в Лайденския университет. Чрез въздушен шлюз, подобен на подводна спасителна лодка, мишките бяха въведени в камера, пълна със специално приготвен разтвор и беше въведен кислород под налягане. През прозрачните стени на камерата беше възможно да се наблюдава поведението на мишките.

В първите няколко мига животните се опитаха да излязат на повърхността, но телената мрежа им попречи. След първите смущения мишките се успокоиха и не изглеждаше да страдат много в такава ситуация. Правеха бавни, ритмични дихателни движения, очевидно вдишвайки и издишвайки течност. Някои от тях са живели в такива условия в продължение на много часове.

Основната трудност при дишане на вода

След поредица от експерименти стана ясно, че решаващият фактор, определящ продължителността на живота на мишките, не е липсата на кислород (който може да бъде въведен в разтвора във всяко необходимо количество чрез просто увеличаване на парциалното му налягане), а трудността при отстраняване въглероден диоксид от тялото в необходимата степен.

Мишката, която оцеля най-дълго, 18 часа, беше държана в разтвор, към който беше добавено малко количество органичен буфер, трис(хидроксиметил)аминометан. Последното минимизира неблагоприятните ефекти от натрупването на въглероден диоксид в животните. Намаляването на температурата на разтвора до 20 C (около половината от нормалната телесна температура на мишката) също допринесе за удължаване на живота.

В този случай това се дължи на общо забавяне на метаболитните процеси.

Обикновено един литър въздух, издишан от животно, съдържа 50 милилитра въглероден диоксид. При равни други условия (температура, парциално налягане на въглеродния диоксид) само 30 милилитра от този газ се разтварят в един литър физиологичен разтвор, идентичен по своя солев състав с кръвта.

Това означава, че за да освободи необходимото количество въглероден диоксид, животното трябва да вдиша два пъти повече вода, отколкото въздух. (Но изпомпването на течност през бронхиалните съдове изисква 36 пъти повече енергия, тъй като вискозитетът на водата е 36 пъти по-висок от вискозитета на въздуха.)

От това е очевидно, че дори при липса на турбулентно движение на течност в белите дробове, дишането на вода изисква 60 пъти повече енергия от дишането на въздух.

Ето защо не е изненадващо, че експерименталните животни постепенно отслабват, а след това - поради изтощение и натрупване на въглероден диоксид в тялото - дишането спира.

Резултати от експеримента

Въз основа на проведените експерименти беше невъзможно да се прецени колко кислород навлиза в белите дробове, колко наситена е артериалната кръв с него и каква е степента на натрупване на въглероден диоксид в кръвта на животните. Постепенно стигнахме до поредица от по-напреднали експерименти.

Те бяха извършени на кучета в голяма камера, оборудвана с допълнително оборудване. Камерата беше пълна с въздух под налягане от 5 атмосфери. Имаше и вана с физиологичен разтвор, наситен с кислород. В него е потопено опитно животно. Преди експеримента, за да се намали общата нужда от кислород на тялото, кучетата бяха анестезирани и охладени до 32°C.

По време на гмуркането кучето правело бурни дихателни движения. Струйките вода, издигащи се от повърхността, ясно показваха, че тя изпомпва разтвора през дробовете си. В края на експеримента кучето било извадено от ваната, водата била отстранена от белите дробове и те отново били напълнени с въздух. От шестте тествани животни едно оцеля. Кучето диша във водата в продължение на 24 минути.

Резултатите от експеримента могат да бъдат формулирани по следния начин: при определени условия животните, които дишат въздух, могат да дишат вода за ограничен период от време. Основният недостатък на водното дишане е натрупването на въглероден диоксид в тялото.

По време на експеримента кръвното налягане на оцелялото куче беше малко по-ниско от нормалното, но остана постоянно; пулсът и дишането бяха бавни, но редовни, артериалната кръв беше наситена с кислород. Съдържанието на въглероден диоксид в кръвта постепенно се повишава.

Това означава, че енергичното дишане на кучето не е достатъчно, за да премахне необходимите количества въглероден диоксид от тялото.

Нова серия от експерименти с водно дишане

В държавния университет на Ню Йорк продължих работата си с Херман Раан, Едуард Х. Ланфеър и Чарлз V. Паганел. В нова серия от експерименти бяха използвани инструменти, които направиха възможно получаването на конкретни данни за обмена на газ, протичащ в белите дробове на куче при дишане на течност. Както и преди, животните дишат физиологичен разтвор, наситен с кислород, под налягане от 5 атмосфери.

Газовият състав на вдишаната и издишаната течност се определя на входа и изхода на разтвора от белите дробове на кучета. Кислородната течност навлиза в тялото на анестезираното куче през гумена тръба, поставена в трахеята. Потокът се контролира от помпа с клапан.

При всяко вдишване разтворът се вливаше в белите дробове под въздействието на гравитацията, а при издишване течността се вливаше в специален приемник по същия принцип. Количеството кислород, абсорбиран в белите дробове, и количеството отделен въглероден диоксид се определят като разликата между съответните стойности в равни обеми вдишана и издишана течност.

Животните не са били охлаждани. Оказа се, че при тези условия кучето извлича приблизително същото количество кислород от водата, както обикновено от въздуха. Както може да се очаква, животните не издишват достатъчно въглероден диоксид, така че съдържанието му в кръвта постепенно се увеличава.

В края на експеримента, който продължи до четиридесет и пет минути, водата беше отстранена от белите дробове на кучето през специален отвор в трахеята. Белите дробове бяха прочистени с няколко порции въздух. Не са извършвани допълнителни процедури за „съживяване“. Шест от шестнадесет кучета преживели експеримента без видими последствия.

Взаимодействие на три елемента

Дишането както на рибите, така и на бозайниците се основава на сложното взаимодействие на три елемента:

1) нуждите на тялото за обмен на газ,

2) физични свойства на околната среда и

3) структурата на дихателните органи.

За да се издигнем над чисто интуитивната оценка на значението на органната структура в процеса на адаптация, е необходимо точно да разберем всички тези взаимодействия. Очевидно тези въпроси трябва да бъдат зададени. Как една кислородна молекула попада от околната среда в кръвта? Какъв е нейният точен път? Да се отговори на тези въпроси е много по-трудно, отколкото може да си представим.

Когато гърдите се разширяват, въздухът (или водата) навлиза в белите дробове на животното. Какво се случва с течността, която попада в граничните въздушни торбички на белите дробове? Нека да разгледаме това явление с прост пример.

Ако малко количество мастило се инжектира бавно през игла в спринцовка, частично пълна с вода, то първо ще образува тънка струйка в центъра на съда. След спиране на "вдишването" мастилото постепенно се разпространява в целия обем вода.

Ако мастилото се въведе бързо, така че потокът да е турбулентен, смесването, разбира се, ще се случи много по-бързо. Въз основа на получените данни, както и като се вземе предвид размерът на бронхите, можем да заключим, че вдишаният поток от въздух или вода навлиза във въздушните торбички бавно, без турбулентност.

Следователно може да се предположи, че при вдишване на чист въздух (или вода) молекулите на кислорода първо ще се концентрират в центъра на въздушните торбички (алвеолите). Сега те трябва да преодолеят значителни разстояния чрез дифузия, преди да достигнат стените, през които влизат в кръвта.

Тези разстояния са многократно по-големи от дебелината на мембраните, които разделят въздуха от кръвта в белите дробове. Ако вдишаната среда е въздух, това няма голямо значение: кислородът се разпределя равномерно в алвеолите за милионни от секундата.

Скоростта на разпространение на газовете във водата е 6 хиляди пъти по-малка от тази във въздуха. Следователно при дишане на вода възниква разлика в парциалното налягане на кислорода в централните и периферните области. Поради ниската скорост на дифузия на газа, налягането на кислорода в центъра на алвеолите става по-високо с всеки дихателен цикъл, отколкото по стените. Концентрацията на въглероден диоксид, напускащ кръвта, е по-голяма близо до стените на алвеолите, отколкото в центъра.

Газообмен в белите дробове

Такива теоретични предпоставки произтичат от изучаването на газовия състав на издишаната течност по време на експерименти върху кучета. Водата, изтичаща от белите дробове на кучето, се събираше в дълга тръба.

Оказа се, че в първата порция вода, която очевидно идва от централната част на алвеолите, има повече кислород, отколкото в последната порция, която идва от стените. Когато кучетата вдишваха въздух, нямаше забележима разлика в състава на първата и последната част от издишания въздух.

Интересно е да се отбележи, че обменът на газ, който се случва в белите дробове на кучето при вдишване на вода, е много подобен на процеса, който се случва в обикновена капка вода, когато се извършва обмен на нейната повърхност: кислород - въглероден диоксид. Въз основа на тази аналогия е изграден математически модел на белите дробове и като функционална единица е избрана сфера с диаметър приблизително един милиметър.

Изчисленията показват, че белите дробове се състоят от около половин милион такива сферични газообменни клетки, в които преносът на газ се извършва само чрез дифузия. Изчисленият брой и размер на тези клетки съвпада много с броя и размера на определени белодробни структури, наречени "първични лобули" (лобули).

Очевидно тези лобули са основните функционални единици на белите дробове. По същия начин, като се използват анатомични данни, е възможно да се изгради математически модел на рибни хриле, чиито първични газообменни единици ще имат съответно различна форма.

Изграждането на математически модели позволи да се направи ясна граница между дихателните органи на бозайниците и рибите. Оказва се, че основното се крие в геометричната структура на респираторните клетки. Това става особено очевидно при изучаване на връзката, свързваща нуждата на рибата от газообмен и свойствата на околната среда с формата на дихателните органи на рибата.

Уравнението, изразяващо тази зависимост, включва такива количества като наличието на кислород, тоест неговата концентрация, скорост на дифузия и разтворимост в околната среда около животното.

Обемът на вдишания въздух или вода, броят и размерът на газообменните клетки, количеството кислород, абсорбирано от тях, и накрая, налягането на кислорода в артериалната кръв. Нека приемем, че рибите имат бели дробове, а не хриле като дихателни органи.

Замествайки в уравнението реални данни за обмена на газ, който се случва по време на дишането на рибата, ще открием, че риба с бели дробове няма да може да живее във вода, тъй като изчислението показва пълно отсъствие на кислород в артериалната кръв на вашия модел на риба .

Това означава, че е имало грешка в предположението, а именно: избраната форма на газообменната клетка се е оказала неправилна. Рибите живеят във вода благодарение на хрилете, състоящи се от плоски, тънки, плътно опаковани плочи. При такава структура - за разлика от сферичните клетки на белите дробове - няма проблем с дифузията на газа.

Животно с дихателни органи, подобни на белите дробове, може да оцелее във вода само ако нуждата на тялото му от кислород е изключително ниска. Да вземем за пример морската краставица.

Хрилете дават на рибите способността да живеят във вода и същите тези хриле им пречат да съществуват извън водата. Във въздуха те се унищожават от гравитацията. Повърхностното напрежение на границата въздух-вода кара плътно опакованите хрилни пластини да се слепват.

Общата площ на хрилете, достъпна за обмен на газ, намалява толкова много, че рибата не може да диша, въпреки изобилието от кислород във въздуха. Алвеолите на белите дробове са защитени от разрушаване, първо, от гръдния кош, и второ, от омокрящ агент, освободен в белите дробове, което значително намалява повърхностното напрежение.

Дишане на бозайници във вода

По този начин изследването на дихателните процеси на бозайниците във вода предостави нова информация за основните принципи на дишането като цяло. От друга страна, имаше реално предположение, че човек ще може да диша течност за ограничено време без вредни последици. Това ще позволи на водолазите да се спуснат до много по-големи океански дълбочини, отколкото в момента.

Основната опасност от дълбоководното гмуркане е свързана с натиска на водата върху гърдите и белите дробове. В резултат на това налягането на газовете в белите дробове се повишава и част от газовете навлизат в кръвта, което води до сериозни последствия. При високо налягане повечето газове са токсични за тялото.

По този начин азотът, попаднал в кръвта на водолаза, причинява интоксикация още на дълбочина 30 метра и практически го извежда от строя на дълбочина 90 метра поради получената азотна наркоза. (Този проблем може да бъде решен чрез използване на редки газове като хелий, които са нетоксични дори при много високи концентрации.)

Освен това, ако водолазът се върне твърде бързо от дълбочина на повърхността, газовете, разтворени в кръвта и тъканите, се освобождават като мехурчета, причинявайки декомпресионна болест.

Тази опасност може да бъде избегната, ако водолазът диша течност, обогатена с кислород, а не въздух. Течността в белите дробове ще издържи на значително външно налягане и нейният обем ще остане практически непроменен. При такива условия водолазът, който се спуска на дълбочина от няколкостотин метра, ще може бързо да се върне на повърхността без никакви последствия.

За да докажа, че декомпресионната болест не възниква при вдишване на вода, в моята лаборатория бяха проведени следните експерименти. При експерименти с мишка, която диша течност, налягането от 30 атмосфери е доведено до една атмосфера за три секунди. Нямаше признаци на заболяване. Тази степен на промяна на налягането е еквивалентна на ефекта от издигане от дълбочина 910 метра със скорост 1100 километра в час.

Човек може да диша вода

Течното дишане може да бъде полезно за хората при бъдещи пътувания в космоса. Когато се връщате от далечни планети, например от Юпитер, ще има нужда от огромни ускорения, за да избягате от гравитационната зона на планетата. Тези ускорения са значително по-големи от това, което човешкото тяло, особено лесно уязвимите бели дробове, може да издържи.

Но същите натоварвания ще станат напълно приемливи, ако белите дробове са пълни с течност и тялото на астронавта е потопено в течност с плътност, равна на плътността на кръвта, точно както плодът е потопен в околоплодната течност на утробата на майката.

Италианските физиолози Рудолф Маргария, Т. Гултероти и Д. Спинели извършват такъв експеримент през 1958 г. Стоманен цилиндър, съдържащ бременни плъхове, беше пуснат от различни височини върху оловна опора. Целта на експеримента беше да се тества дали плодът ще оцелее при рязкото спиране и шока при приземяването. Скоростта на спиране се изчислява от дълбочината на вдлъбнатина на цилиндъра в оловната основа.

Самите животни умират веднага по време на експеримента. Аутопсията показа значителни белодробни увреждания. Оперативно освободените ембриони обаче бяха живи и се развиха нормално. Плодът, защитен от маточната течност, може да издържи отрицателни ускорения до 10 хиляди g.

След като експериментите показаха, че сухоземните животни могат да дишат течност, разумно е да се приеме същата възможност и за хората. Сега имаме някои преки доказателства в подкрепа на това предположение. Например сега използваме нов метод за лечение на някои белодробни заболявания.

Методът се състои в промиване на един бял дроб с физиологичен разтвор, който отстранява патологичния секрет от алвеолите и бронхите. Вторият бял дроб диша кислороден газ.

Успешното изпълнение на тази операция ни вдъхнови да проведем експеримент, за който доброволно се включи смелият водолаз, дълбоководният гмуркач Франсис Д. Фалейчик.

Под анестезия в трахеята му беше поставен двоен катетър, като всяка тръба стигаше до белите му дробове. При нормална телесна температура въздухът в единия бял дроб беше заменен с 0,9% разтвор на готварска сол. „Дихателният цикъл“ се състоеше от въвеждане на физиологичен разтвор в белия дроб и след това отстраняването му.

Цикълът се повтаря седем пъти, като за всяко „вдишване“ се вземат 500 милилитра разтвор. Фалейчик, който е бил в пълно съзнание по време на процедурата, каза, че не е забелязал значителна разлика между белодробния дишащ въздух и белодробната дишаща вода. Той също така не изпитва никакви неприятни усещания, когато потокът от течност влиза и излиза от белия дроб.

Разбира се, този експеримент все още е много далеч от опита за извършване на процеса на дишане с двата бели дроба във вода, но показа, че пълненето на белите дробове на човек с физиологичен разтвор, ако процедурата се извършва правилно, не причинява сериозно разрушаване на тъканите и не предизвиква неприятни усещания.

Най-трудният проблем с дишането на вода

Може би най-трудният проблем за разрешаване е този с освобождаването на въглероден диоксид от белите дробове при вдишване на вода. Както вече казахме, вискозитетът на водата е приблизително 36-40 пъти по-голям от вискозитета на въздуха. Това означава, че белите дробове ще изпомпват вода поне четиридесет пъти по-бавно от въздуха.

С други думи, здрав млад гмуркач, който може да вдиша 200 литра въздух на минута, ще може да вдиша само 5 литра вода на минута. Съвсем очевидно е, че при такова дишане въглеродният диоксид няма да се отделя в достатъчни количества, дори ако човекът е напълно потопен във вода.

Възможно ли е да се реши този проблем, като се използва среда, в която въглеродният диоксид се разтваря по-добре, отколкото във вода? В някои втечнени синтетични флуоровъглероди въглеродният диоксид се разтваря например три пъти повече, отколкото във вода, а кислородът - тридесет пъти. Leland S. Clark и Frank Gollan показаха, че мишката може да живее в съдържащ кислород течен въглероден флуорид при атмосферно налягане.

Въглеродният флуорид не само съдържа повече кислород от водата, но в тази среда скоростта на дифузия на газа е четири пъти по-висока. Но дори и тук препъникамъкът остава ниският капацитет на течността през белите дробове: флуоровъглеводородите имат дори по-голям вискозитет от физиологичния разтвор.

Превод от английски Н. Познанская.

Мечтата за човек-амфибия, завладяването на водната стихия от човека - писателите на научна фантастика са били съблазнени от тази мечта повече от веднъж. Кой от нас не е чувал за мащабни научни изследвания, провеждани в различни страни с цел преместването на хората от сушата във водата. Но как може човек да диша под вода?

На някои изглежда, че „небесният свод“ на нашата топка вече е твърде малък за човек. Всички са запознати с произведенията на французина Жак Ив Кусто, които показват големи перспективи в тази посока. Ученият не постави проблема за радикално „счупване“ на човешката физиология, тъй като - поне на този етап - подобно намерение би било утопия. Той възнамеряваше да премести човешките жилища под водата и да разработи структури, необходими за живот и работа в морските стихии.

Но се появиха и други посоки. Как някои насекоми дишат във вода? Когато се гмуркат, въздушно мехурче обгражда тялото им. Парциалното налягане на азота в мехурчето е по-високо, така че той постепенно се превръща във вода. Освен това има разлика в съдържанието на кислород във въздушния мехур и в околната водна среда. Следователно кислородът навлиза в мехурчето от водата и въглеродният диоксид се отделя от него във водата. И насекомото може да диша перфектно в среда, която изглежда необичайна за него.

Гмуркачът, потъващ на дъното на морето, в някои отношения прилича на насекомо, заобиколено от въздушен мехур... Но водолазите и гмуркачите често са изправени пред ужасна опасност - декомпресионна болест. Виновникът е азотът, чиято смес дишаме с кислород. При бързо издигане от голяма дълбочина започва да се отделя от кръвта под формата на мехурчета и запушва малки кръвоносни съдове. Ако човек можеше да диша под вода, тогава декомпресионната болест не би била проблем за него.

Експериментите с мишки и кучета дадоха невероятни резултати. Ако потопите тези животни в обикновена вода, съдбата им не е трудно да се отгатне: след няколко минути те ще умрат. Ами ако промените някои свойства на водата? Така и направиха. Водата се насища с кислород под налягане от 5-8 атмосфери, към нея се добавят соли, създавайки физиологичен разтвор. След това мишките се поставят в този разтвор. В една серия от експерименти мишките остават живи под вода за около 6 часа: те дишат и са изложени на различни външни стимули. Извадените от водата животни са живели още 2 часа.

Експериментите с кучета бяха проведени по различен начин. Животните са били упоявани, прилагани са им антибиотици и в това състояние са били поставяни в разтвор. Кучетата дишат вода от 23 до 38 минути, от 6 опитни животни две оцеляват след края на експеримента. Една от женските впоследствие роди нормално.

Животните дишат течност и остават живи!

Критичният момент за животните, върху които се провеждат такива опити, настъпва при обратния преход от водно дишане към въздушно дишане. Останалата течност се отстранява бавно от белите дробове и докато алвеолите и бронмиолите се изчистят от разтвора, животните могат да се задушат. Ако с помощта на специален апарат животните се осигурят с кислород през този период, те ще останат живи.

Някои учени решиха директно да следват принципа, който съществува в природата, и да създадат изкуствен въздушен мехур – не около насекомите, а около бозайниците.

В лабораторията на американската компания General Electric са получили синтетичен силиконов филм, който има много интересни свойства - пропуска кислорода в една посока, а въглеродния диоксид в другата. Хамстерът беше поставен в торба, направена от такова фолио, и поставен под вода.

Животното прекара няколко часа в необичайна среда, без да навреди на здравето му. Ученият, който получи силиконовия филм, смята, че човек ще може да диша под вода не по-зле от хамстер в торба от този материал, ако „балонът“ е достатъчно голям.

Научните изследвания не спират дори за ден, прогресът продължава, давайки на човечеството все повече и повече нови открития. Стотици учени и техните помощници работят в областта на изучаването на живи същества и синтезирането на необичайни вещества. Цели отдели провеждат експерименти, тествайки различни теории и понякога откритията удивляват въображението - в крайна сметка това, за което човек може само да мечтае, може да стане реалност. Те развиват идеи и въпросите за замразяването на човек в криокамера и след това размразяването му след век или за възможността за вдишване на течност не са просто фантастичен сюжет за тях. Тяхната упорита работа може да превърне тези фантазии в реалност.

Учените отдавна се занимават с въпроса: може ли човек да диша течност?

Има ли нужда човек от течно дишане?

За такова изследване не се пестят усилия, време или пари. И един от тези въпроси, който вълнува най-просветените умове от десетилетия, е следният – възможно ли е дишането с течност за хората? Ще могат ли белите дробове да абсорбират кислород не от специална течност? За тези, които се съмняват в истинската нужда от този вид дишане, можем да цитираме поне 3 обещаващи области, в които то ще служи добре на човек. Ако, разбира се, успеят да го реализират.

Първата посока е гмуркане на голяма дълбочина. Както знаете, когато се гмурка, водолазът изпитва налягането на водна среда, която е 800 пъти по-плътна от въздуха. И се увеличава с 1 атмосфера на всеки 10 метра дълбочина. Такова рязко повишаване на налягането е изпълнено с много неприятен ефект - газовете, разтворени в кръвта, започват да кипят под формата на мехурчета. Това явление се нарича "кесонна болест" и често засяга тези, които активно се занимават със спорт. Освен това по време на дълбоководно плуване съществува риск от отравяне с кислород или азот, тъй като при такива условия тези жизненоважни газове стават много токсични. За да се борят по някакъв начин с това, те използват или специални дихателни смеси, или твърди скафандри, които поддържат налягане от 1 атмосфера вътре. Но ако дишането с течност беше възможно, това би било третото най-лесно решение на проблема, тъй като дишането с течност не насища тялото с азот и инертни газове и няма нужда от дълга декомпресия.
Вторият начин на приложение е лекарството. Използването на дихателни течности в него може да спаси живота на недоносени бебета, тъй като бронхите им са недоразвити и апаратите за изкуствена белодробна вентилация могат лесно да ги повредят. Както е известно, в утробата белите дробове на ембриона са пълни с течност и към момента на раждането той натрупва белодробен сърфактант - смес от вещества, които предотвратяват слепването на тъканите при вдишване на въздух. Но при преждевременно раждане дишането изисква твърде много усилия от бебето и това може да доведе до смърт.

Има исторически прецедент за използването на метода на тоталната течна вентилация на белите дробове и той датира от 1989 г. Използван е от Т. Шафър, който е работил като педиатър в университета Темпъл (САЩ), спасявайки недоносени бебета от смърт. Уви, опитът беше неуспешен; трима малки пациенти не оцеляха, но си струва да споменем, че смъртта е причинена от различни причини, а не от самия метод на дишане с течност.

Оттогава не се осмеляват да вентилират напълно белите дробове на човек, но през 90-те години пациентите с тежко възпаление бяха подложени на частична течна вентилация. В този случай белите дробове се пълнят само частично. Уви, ефективността на метода беше спорна, тъй като конвенционалната въздушна вентилация не работи по-зле.

Приложение в космонавтиката. При сегашното ниво на технологиите астронавтът по време на полет изпитва претоварвания, достигащи 10 g. След този праг е невъзможно да се поддържа не само работоспособност, но и съзнание. И натоварването върху тялото е неравномерно, а в опорните точки, които могат да бъдат елиминирани при потапяне в течност, налягането ще се разпредели еднакво във всички точки на тялото. Този принцип е в основата на дизайна на твърдия скафандър Libelle, пълен с вода и позволяващ увеличаване на лимита до 15–20 g и дори тогава поради ограничената плътност на човешката тъкан. И ако не само потопите астронавта в течност, но и напълните дробовете му с нея, тогава ще бъде възможно той лесно да издържи екстремни претоварвания далеч над границата от 20 g. Не безкрайно, разбира се, но прагът ще бъде много висок, ако е изпълнено едно условие - течността в белите дробове и около тялото трябва да е равна по плътност на водата.

Възникване и развитие на течното дишане

Първите експерименти датират от 60-те години на миналия век. Първите, които изпробваха нововъзникващата технология за течно дишане, бяха лабораторни мишки и плъхове, принудени да дишат не с въздух, а с физиологичен разтвор, който беше под налягане от 160 атмосфери. И дишаха! Но имаше проблем, който не им позволи да оцелеят в такава среда за дълго време - течността не позволи на въглеродния диоксид да бъде отстранен.

Но експериментите не спряха дотук. След това те започнаха да провеждат изследвания на органични вещества, чиито водородни атоми бяха заменени с флуорни атоми - така наречените перфлуоровъглероди. Резултатите са много по-добри от тези на древната и примитивна течност, тъй като перфлуоровъглеродът е инертен, не се усвоява от тялото и перфектно разтваря кислорода и водорода. Но това беше далеч от съвършенството и изследванията в тази посока продължиха.

Сега най-доброто постижение в тази област е перфлуброн (търговско наименование - "Liquivent"). Свойствата на тази течност са невероятни:

Алвеолите се отварят по-добре, когато тази течност навлезе в белите дробове и обменът на газ се подобрява.
Тази течност може да пренесе 2 пъти повече кислород в сравнение с въздуха.
Ниската точка на кипене позволява да бъде отстранен от белите дробове чрез изпаряване.

Но дробовете ни не са предназначени за напълно течно дишане. Ако ги напълните изцяло с перфлуброн, ще ви трябва мембранен оксигенатор, нагревателен елемент и вентилация на въздуха. И не забравяйте, че тази смес е 2 пъти по-гъста от водата. Следователно се използва смесена вентилация, при която белите дробове се пълнят с течност само с 40%.

Но защо не можем да дишаме течност? Всичко това се дължи на въглеродния диоксид, който се отстранява много слабо в течна среда. Човек с тегло 70 кг трябва да пропуска през себе си всяка минута 5 литра от сместа и то в спокойно състояние. Следователно, въпреки че нашите дробове са технически способни да извличат кислород от течности, те са твърде слаби. Така че можем само да се надяваме на бъдещи изследвания.

Водата е като въздуха

За да обявим най-накрая гордо на света - "Сега човек може да диша под вода!" - Понякога учените създават невероятни устройства. И така, през 1976 г. биохимици от Америка създадоха чудотворно устройство, способно да регенерира кислород от водата и да го предостави на водолаз. С достатъчен капацитет на батерията водолазът може да остане и да диша на дълбочина почти неограничено дълго време.

Всичко започна, когато учените започнаха изследване, основаващо се на факта, че хемоглобинът доставя въздух еднакво добре както от хрилете, така и от белите дробове. Те използвали собствена венозна кръв, смесена с полиуретан – тя се потапяла във вода и тази течност поглъщала кислород, който бил щедро разтворен във вода. След това кръвта беше заменена със специален материал и резултатът беше устройство, което действаше като обикновените хриле на всяка риба. Съдбата на изобретението е следната: определена компания го придобива, харчейки за него 1 милион долара и оттогава нищо не се чува за устройството. И, разбира се, не влезе в продажба.

Но това не е основната цел на учените. Тяхната мечта не е устройство за дишане, те искат да научат самия човек да диша течност. И опитите тази мечта да се сбъдне все още не са изоставени. Така един от руските изследователски институти, например, проведе тестове за течно дишане на доброволец, който имаше вродена патология - липса на ларинкс. И това означаваше, че той просто не е имал реакция на тялото към течност, при която най-малката капка вода върху бронхите е придружена от компресия на фарингеалния пръстен и задушаване. Тъй като той просто нямаше този мускул, експериментът беше успешен. В белите му дробове се налива течност, която той разбърква по време на експеримента с коремни движения, след което тя спокойно и безопасно се изпомпва. Характерно е, че солният състав на течността съответства на солния състав на кръвта. Това може да се счита за успех и учените твърдят, че скоро ще намерят метод за течно дишане, който е достъпен за хора без патологии.

Така че мит или реалност?

Въпреки упоритостта на човека, който страстно желае да завладее всички възможни местообитания, природата сама решава къде да живее. Уви, колкото и време да се отделя за изследвания, колкото и милиони да се харчат, едва ли на човек му е писано да диша под вода така добре, както на сушата. Хората и морският живот, разбира се, имат много общи неща, но все още има много повече разлики. Човек-амфибия не би издържал на условията на океана и ако беше успял да се адаптира, пътят обратно към сушата би бил затворен за него. И точно както водолазите с водолазно оборудване, хората-амфибии излизаха на плажа с водни костюми. И затова, каквото и да казват ентусиастите, присъдата на учените все още е твърда и разочароваща - дългосрочният човешки живот под вода е невъзможен, противопоставянето на майката природа в това отношение е неразумно и всички опити за течно дишане са обречени на провал.

Но не се обезсърчавайте. Въпреки че морското дъно никога няма да стане наш дом, ние имаме всички телесни механизми и технически възможности да бъдем чести гости там. Така че заслужава ли си да бъдем тъжни? В края на краищата тези среди до известна степен вече са завладени от човека и сега бездните на космоса лежат пред него.

И засега можем да кажем с увереност, че дълбините на океана ще се превърнат в прекрасно работно място за нас. Но постоянството може да доведе до много фина линия на действително дишане под вода, ако просто работите върху разрешаването на този проблем. И какъв ще бъде отговорът на въпроса дали да се смени земната цивилизация с подводна зависи само от самия човек.

Първият лекар, който е бил в околоземна орбита, съветският пилот-космонавт Борис Егоров, веднъж каза: „На дълбочина над 500-700 метра човек (поне на теория) има възможност да стане Ихтиандър, без да използва никакви технология! Той ще плува там като риба и ще живее възможно най-дълго. Просто трябва да...напълните дробовете си с вода. На дълбочина 500-700 метра човешките бели дробове очевидно ще абсорбират кислород директно от водата.

На пръв поглед тази идея изглежда невероятна. Не умират ли хиляди хора всяка година от удавяне в морска вода? Може ли водата да стане заместител на обикновения кислород? Нека мислено се пренесем в лабораторията на холандския физиолог Йоханес Килстра, където ученият провежда удивителните си експерименти. Ето един от тях.

Ученият напълва малък прозрачен резервоар с вода и добавя малко сол там. След това той затваря контейнера и изпомпва кислород в него под налягане през тръба. Съдът се разклаща и скоро бяла мишка се допуска вътре през междинната (въздушна) камера. Тя не може да се издигне - мрежа на повърхността на водата предотвратява това. Но... Минава половин час, час, два. Мишката, колкото и странно да изглежда, диша - да, да, диша вода! Но мишката не изглежда да се паникьосва. Белите дробове на животното действат като хрилете на рибата, получавайки кислород директно от водата. Разбира се, не може да се говори за някаква декомпресионна болест - във водата не е добавен азот. Подобни експерименти бяха проведени от учени в СССР, ръководени от кандидата на медицинските науки Владлен Козак.

И така, първата стъпка е направена. И то доста успешно. Учените обаче не бързат да обявят това. Ами ако само малки животни имат способността да дишат течност? За да се разсеят съмненията, методът е тестван върху кучета. И какво? При първите експерименти кучетата дишат солен разтвор, наситен с кислород, повече от половин час. Експериментите показват, че не само кучетата, но и котките могат да дишат течност дълго време. Понякога те оставаха под водата в продължение на много часове и след това спокойно се връщаха към обичайния си начин на дишане.

Способен ли е човек да диша вода? Окуражен от успеха на опитите върху животни, Йоханес Килстра прави опит да изясни този въпрос. Първият обект на теста беше водолазът с 20-годишен опит Франк Фалезчик. Когато единият бял дроб се напълни, той се почувства толкова добре, че поиска едновременно да напълни и другия. „Все още няма нужда от това“, каза ученият. След известно време обаче Килстра реши да направи такъв експеримент.

Двадесет лекари се събраха в лабораторията, за да станат свидетели на невероятното преживяване. Същият Франк Фалежчик се съгласи да бъде обект на теста. Поставена му е анестезия в гърлото, за да се потисне рефлексът му за преглъщане и му е поставена еластична тръба в трахеята (трахеята). Чрез него ученият започва постепенно да налива специален разтвор. Течността навлезе в двата бели дроба и всички напрегнато наблюдаваха Фалежчик, който не показваше признаци на паника. Нещо повече, той показа със знаци, че е готов да помогне на експериментаторите, а самият той започна да записва чувствата си. Мъжът е дишал течност повече от час! Отне обаче няколко дни, за да го изпомпвам най-накрая от белите дробове. „Не почувствах никакъв дискомфорт“, каза Франк Фалезчик след преживяването, „и не почувствах тежест в гърдите си, както първоначално очаквах.“ Разсъждавайки върху резултатите от тези интересни експерименти, д-р Килстра изрази убеждението, че човек с бели дробове, пълни с вода, може да се спусне половин километър напълно безболезнено и да се върне на повърхността за двадесет минути.

Преди много години Жак-Ив Кусто направи интересно предложение. „Ще дойде време“, пише той, „и човечеството ще създаде нова раса от хора - „Homo aquaticus“ („подводен човек“). Те ще заселят морското дъно, ще построят там градове и ще живеят като на земята. Кой знае, може би пророчеството на смелия капитан, признат старейшина на подводните плувци, някой ден ще се сбъдне?

Последвай ни