Как рыба в воде. Глубокое дыхание

Жизнь на нашей планете зародилась, по-видимому, в воде - в среде, где запасы кислорода весьма скудны. При атмосферном давлении содержание кислорода в воздухе на уровне моря составляет 200 миллилитров на литр, а в литре поверхностного слоя воды растворено меньше семи миллилитров кислорода.

Первые обитатели нашей планеты, приспособившись к водной среде, дышали жабрами, назначение которых — экстрагировать максимальное количество кислорода из воды.

В ходе эволюции животные освоили богатую кислородом атмосферу суши и начали дышать легкими. Функции дыхательных органов остались прежними.

Как в легких, так и в жабрах кислород через тонкие мембраны проникает из окружающей среды в кровеносные сосуды, а углекислый газ выбрасывается из крови в окружающую среду. Итак, и в жабрах и в легких протекают одни и те же процессы. Отсюда возникает вопрос: смогло бы животное с легкими дышать в водной среде, если бы в ней содержалось достаточное количество кислорода?

Ответ на этот вопрос заслуживает внимания по нескольким причинам. Во-первых, мы смогли бы узнать, почему дыхательные органы сухопутных животных так отличаются по строению от соответствующих органов водных животных.

Кроме того, ответ на этот вопрос имеет и чисто практический интерес. Если бы специально подготовленный человек смог дышать в водной среде, то это облегчило бы и освоение глубин океана и путешествия к далеким планетам. Все это и послужило основанием к постановке ряда экспериментов по изучению возможности дыхания сухопутных млекопитающих водой.

Проблемы при дыхании водой

Эксперименты проводились в лабораториях Нидерландов и США. Дыхание водой связано с двумя основными проблемами. Об одной уже говорилось: при обычном атмосферном давлении в воде растворено слишком мало кислорода.

Вторая проблема заключается в том, что вода и кровь — жидкости с очень различными физиологическими свойствами. При «вдохе» вода может повредить ткани легких и вызвать фатальные изменения объема и состава находящихся в организме жидкостей.

Предположим, мы приготовили специальный изотонический раствор, где состав солей такой же, как и в плазме крови. Под большим давлением раствор насыщают кислородом (его концентрация примерно такая же, как в воздухе). Сможет ли животное дышать таким раствором?

Первые подобные эксперименты были проведены в Лейденском университете. Через шлюз, подобный спасательному шлюпу подводной лодки, мышей вводили в камеру, заполненную специально подготовленным раствором, и который под давлением был введен кислород. Через прозрачные стенки камеры можно было наблюдать за поведением мышей.

В первые несколько мгновений животные пытались выбраться на поверхность, но им мешала проволочная сетка. После первых волнений мыши успокаивались и, казалось, не очень страдали в подобной ситуации. Они совершали медленные, ритмичные дыхательные движения, по-видимому, вдыхая и выдыхая жидкость. Некоторые из них прожили в таких условиях в течение многих часов.

Главная трудность дыхания водой

После ряда опытов стало ясно, что решающим фактором, определяющим продолжительность жизни мышей, является не недостаток кислорода (который мог быть введен в раствор в любом нужном количестве простым повышением его парциального давления), а трудность выделения из организма углекислого газа в необходимой степени.

Мышь, прожившая самое длительное время - 18 часов,- находилась в растворе, в который было добавлено небольшое количество органического буфера, трис(оксиметил)аминометана. Последний сводит к минимуму неблагоприятный эффект накопления углекислого газа в организме животных. Снижение температуры раствора до 20 С (примерно половина нормальной температуры тела мыши) также способствовало продлению жизни.

В данном случае это обусловливалось общим замедлением процессов обмена веществ.

Обычно в литре выдыхаемого животным воздуха содержится 50 миллилитров углекислого газа. При прочих равных условиях (температура, парциальное давление углекислого газа) в одном литре солевого раствора, идентичного по своему солевому составу крови, растворяется только 30 миллилитров этого газа.

Значит, чтобы выделить необходимое количество углекислого газа, животное должно вдыхать воды вдвое больше, чем воздуха. (А ведь для прокачивания жидкости через бронхиальные сосуды требуется в 36 раз больше энергии, так как вязкость воды в 36 раз превышает вязкость воздуха.)

Отсюда очевидно, что даже при отсутствии турбулентного движения жидкости в легких для дыхания водой необходимо в 60 раз больше энергии, чем для дыхания воздухом.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что подопытные животные постепенно ослабевали, а потом - вследствие истощения и накопления в организме углекислого газа — дыхание прекращалось.

Результаты эксперимента

На основании проведенных опытов нельзя было судить о том, какое количество кислорода поступает в легкие, насколько насыщена им артериальная кровь и какова степень накопления в крови животных углекислого газа. Постепенно мы подошли к серии более совершенных экспериментов.

Они проводились на собаках в большой камере, снабженной дополнительным оборудованием. Камера наполнялась воздухом под давлением в 5 атмосфер. Здесь же находилась ванна с солевым раствором, насыщенным кислородом. В нее погружали подопытное животное. Перед экспериментом, чтобы снизить общую потребность организма в кислороде, собак анестезировали и охлаждали до 32°С.

Во время погружения собака совершала бурные дыхательные движения. Струйки воды, поднимающиеся с поверхности, ясно показывали, что она прокачивала раствор через легкие. По окончании эксперимента собаку вытаскивали из ванны, удаляли из легких воду и вновь наполняли их воздухом. Из шести животных, подвергшихся испытанию, одно выжило. Собака дышала в воде 24 минуты.

Результаты эксперимента можно сформулировать следующим образом: в определенных условиях животные, которые дышат воздухом, в течение ограниченного промежутка времени могут дышать водой. Главный недостаток водного дыхания - накопление углекислого газа в организме.

Во время опыта давление крови выжившей собаки было несколько меньше нормального, но оставалось постоянным; пульс и дыхание были медленными, но равномерными, артериальная кровь насыщена кислородом. Содержание углекислого газа в крови постепенно увеличивалось.

Это означало, что бурная дыхательная деятельность собаки была недостаточной для удаления необходимых количеств углекислого газа из организма.

Новая серия опытов дыхания водой

В Нью-Йоркском государственном университете я продолжил работу совместно с Германом Рааном, Эдвардом X. Ланфиром и Чарльзом В. Паганелли. В новой серии опытов были применены приборы, позволившие получить конкретные данные по газообмену, происходящему в легких собаки при дыхании жидкостью. Как и прежде, животные дышали солевым раствором, насыщенным кислородом под давлением в 5 атмосфер.

Газовый состав вдыхаемой и выдыхаемой жидкости определяли на входе и выходе раствора из легких собак. Насыщенная кислородом жидкость попадала в организм находящейся под наркозом собаки через резиновую трубку, вставленную в трахею. Поток регулировался клапанным насосом.

При каждом вдохе раствор под действием силы тяжести стекал в легкие, а при выдохе жидкость по такому же принципу поступала в специальный приемник. Количество кислорода, поглощенного в легких, и количество выделенного углекислого газа определяли как разность соответствующих величин в равных объемах вдыхаемой и выдыхаемой жидкости.

Животных не охлаждали. Оказалось, что в этих условиях собака экстрагирует примерно такое же количество кислорода из воды, как обычно из воздуха. Как и следовало ожидать, животные не выдыхали достаточного количества углекислого газа, поэтому содержание его в крови постепенно увеличивалось.

По окончании эксперимента, продолжительность которого доходила до сорока пяти минут, воду из легких собаки удаляли через специальное отверстие в трахее. Легкие продували несколькими порциями воздуха. Дополнительных процедур по «оживлению» не проводили. Шесть из шестнадцати собак перенесли эксперимент без видимых последствий.

Взаимодействие трех элементов

Дыхание и рыб и млекопитающих основано на сложном взаимодействии трех элементов:

1) потребности организма в газообмене,

2) физических свойств окружающей среды и

3) строения органов дыхания.

Чтобы подняться выше чисто интуитивной оценки значения строения органов в процессе приспособления, необходимо точно понимать все эти взаимодействия. Следует, очевидно, поставить такие вопросы. Как молекула кислорода попадает из окружающей среды в кровь? Каков ее точный путь? Ответить на эти вопросы куда более сложно, чем можно предположить.

При расширении грудной клетки в легкие животного попадает воздух (или вода). Что же происходит с жидкостью, попавшей в пограничные воздушные мешочки легких? Рассмотрим это явление на простом примере.

Если в частично заполненный водой шприц медленно вводить через иглу небольшое количество чернил, то они сначала образуют тоненькую струйку в центре сосуда. После прекращения «вдоха» чернила постепенно распространяются по всему объему воды.

Если же чернила вводить быстро, так, чтобы поток был турбулентным, смешивание произойдет, конечно, гораздо быстрее. На основании полученных данных, а также учитывая размер бронхиальных трубок, можно заключить, что вдыхаемый поток воздуха или воды входит в воздушные мешочки медленно, без турбулентности.

Следовательно, можно предположить, что при вдохе свежего воздуха (или воды) молекулы кислорода сначала сосредоточатся в центре воздушных мешочков (альвеол). Теперь им предстоит преодолеть посредством диффузии значительные расстояния, прежде чем они достигнут стенок, через которые попадут в кровь.

Эти расстояния во много раз больше толщины мембран, отделяющих в легких воздух от крови. Если вдыхаемой средой является воздух, это не имеет большого значения: кислород распределяется равномерно по всей альвеоле за миллионные доли секунды.

Скорость распространения газов в воде в 6 тысяч раз меньше, чем в воздухе. Поэтому при дыхании водой возникает разность парциальных давлений кислорода в центральной и периферийной областях. Вследствие малой скорости диффузии газов давление кислорода в центре альвеолы с каждым циклом дыхания становится выше,чем у стенок. Концентрация же углекислого газа, уходящего из крови, больше у стенок альвеолы, чем в центре.

Газообмен в легких

Такие теоретические предпосылки возникли на основании изучения газового состава выдыхаемой жидкости во время экспериментов на собаках. Воду, вытекающую из легких собаки, собирали в длинную трубку.

При этом оказалось, что в первой порции воды, поступившей, по-видимому, из центральной части альвеол, кислорода больше, чем в последней, поступившей от стенок. При дыхании собак в воздушной среде ощутимой разницы в составах первой и последней порций выдыхаемого воздуха не наблюдалось.

Интересно отметить, что газообмен, происходящий в легких собаки при дыхании водой, очень напоминает процесс, протекающий в простой капле воды, когда на ее поверхности осуществляется обмен: кислород - углекислый газ. На основании такой аналогии была построена математическая модель легких, а в качестве функциональной единицы выбрана сфера с диаметром примерно в один миллиметр.

Расчет показал, что легкие составляют около полумиллиона таких сферических газообменных ячеек, передача газа в которых осуществляется только при помощи диффузии. Вычисленное количество и размер этих ячеек близко совпадают с количеством и размером определенных структур легких, называемых «первичными дольками» (лобулями).

По-видимому, эти дольки и являются главными функциональными единицами легких. Аналогично — с привлечением анатомических данных — можно построить математическую модель жабр рыб, первичные газообменные единицы которых будут иметь соответственно другую форму.

Построение математических моделей позволило провести четкую грань между органами дыхания млекопитающих и рыб. Оказывается, главное заключается в геометрической структуре дыхательных ячеек. Это становится особенно очевидным при исследовании зависимости, связывающей потребность рыбы в газообмене, а свойства окружающей среды с формой органов дыхания рыб.

В уравнение, выражающее данную зависимость, входят такие величины, как доступность кислорода, то есть его концентрация, скорость диффузии и растворимость в окружающей животное среде.

Объем вдыхаемого воздуха или воды, число и размер газообменных ячеек, количество кислорода, поглощаемого ими, и, наконец, давление кислорода в артериальной крови. Предположим, что рыбы имеют в качестве органов дыхания не жабры, а легкие.

Подставив в уравнение реальные данные газообмена, протекающего при дыхании рыбы, мы обнаружим, что рыба с легкими не сможет жить в воде, так как расчет показывает полное отсутствие кислорода в артериальной крови вашей модели рыбы.

Значит, в предположении была ошибка, а именно: выбранная форма газообменной ячейки оказалась неверной. Рыбы живут в воде благодаря жабрам, состоящим из плоских, тонких, плотно упакованных пластинок. В такой структуре - в отличие от сферических ячеек легких - не возникает проблемы диффузии газов.

Животное с органами дыхания, подобными легким, может выжить в воде только в том случае, если потребность его организма в кислороде крайне мала. В качестве примера назовем голотурию (морской огурец).

Жабры дают рыбам возможность жить в воде, и эти же жабры не позволяют им существовать вне воды. На воздухе они разрушаются под действием силы тяжести. Поверхностное натяжение на границе воздух - вода вызывает слипание плотно упакованных жаберных пластинок.

Общая площадь жабр, доступная для газообмена, уменьшается настолько, что рыба не может дышать, несмотря на обилие кислорода в воздухе. Альвеолы легких предохраняются от разрушения, во-первых, грудной клеткой, во-вторых, выделяющимся в легких смачивающим агентом, который значительно уменьшает поверхностное натяжение.

Дыхание млекопитающих в воде

Изучение процессов дыхания млекопитающих в воде дало, таким образом, новые сведения об основных принципах дыхания вообще. С другой стороны, возникло реальное предположение, что человек сможет без вредных последствий ограниченное время дышать жидкостью. Это позволит водолазам спускаться на значительно большие глубины океана, чем сейчас.

Главная опасность глубоководного погружения связана с давлением воды на грудную клетку и легкие. В результате в легких повышается давление газов, и часть газов попадает в кровь, что приводит к серьезным последствиям. При высоких давлениях большинство газов токсично для организма.

Так, азот, попадающий в кровь водолаза, вызывает интоксикацию уже на глубине 30 метров и практически выводит его из строя на глубине 90 метров благодаря возникающему азотному наркозу. (Эта проблема может быть решена использованием редких газов, таких, как гелий, которые не токсичны даже при очень высоких концентрациях.)

Кроме того, если водолаз возвращается слишком быстро с глубины на поверхность, газы, растворенные в крови и тканях, выделяются в виде пузырьков, вызывая кессонную болезнь.

Этой опасности можно избежать, если водолаз будет дышать не воздухом, а жидкостью, обогащенной кислородом. Жидкость в легких выдержит значительные внешние давления, а объем ее при этом практически не изменится. В таких условиях водолаз, опускаясь на глубину в несколько сот метров, сможет быстро, без всяких последствий вернуться на поверхность.

В доказательство того, что кессонная болезнь не возникает при дыхании водой, в моей лаборатории были проведены следующие опыты. В экспериментах с мышью, которая дышала жидкостью, давление в 30 атмосфер в течение трех секунд доводили до одной атмосферы. Признаков заболевания не наблюдалось. Такая степень изменения давления эквивалентна эффекту подъема с глубины 910 метров со скоростью 1 100 километров в час.

Человек может дышать водой

Дыхание жидкостью может пригодиться человеку во время будущих путешествий в космос. При возвращении с далеких планет, например, с Юпитера, возникнет потребность в огромных ускорениях, позволяющих выйти из зоны притяжения планеты. Эти ускорения значительно больше того, что может вынести организм человека, особенно легко уязвимые легкие.

Но те же нагрузки станут вполне допустимыми, если легкие будут заполнены жидкостью, а тело космонавта погружено в жидкость с плотностью, равной плотности крови, подобно тому, как плод погружен в амниотическую жидкость материнской утробы.

Итальянские физиологи Рудольф Маргариа, Т. Гволтеротти и Д. Спинелли в 1958 году ставили такой опыт. Стальной цилиндр, в котором находились беременные крысы, бросали с разных высот на свинцовую опору. Целью эксперимента было проверить, выживет ли плод в условиях резкого торможения и толчка при приземлении. Скорость торможения вычисляли по глубине вдавливания цилиндра в свинцовую основу.

Сами животные в ходе опыта немедленно погибали. Вскрытия показывали значительное повреждение легких. Однако освобожденные хирургическим путем эмбрионы были живыми и развивались нормально. Плод, защищенный утробной жидкостью, способен перенести отрицательные ускорения до 10 тысяч g.

После экспериментов, показавших, что сухопутные животные могут дышать жидкостью, резонно предположить такую возможность и для человека. В настоящее время мы располагаем некоторыми прямыми доказательствами в пользу этого предположения. Так, например, нами используется сейчас новый метод лечения некоторых заболеваний легких.

Метод состоит в промывании одного легкого солевым раствором, удаляющим патологические выделения из альвеол и бронхов. Второе легкое дышит при этом газообразным кислородом.

Успешное осуществление этой операции вдохновило нас поставить эксперимент, на который добровольно вызвался мужественный водолаз — глубинник Фрэнсис Д. Фалейчик.

Под наркозом в его трахею был введен двойной катетер, каждая трубка которого доходила до легких. При нормальной температуре тела воздух в одном легком заменили 0,9-процентным раствором поваренной соли. «Дыхательный цикл» заключался в ведении солевого раствора в легкое и последующем удалении его.

Цикл был повторен семь раз, причем для каждого «вдоха» брали 500 миллилитров раствора. Фалейчик, находившийся в течение всей процедуры в полном сознании, рассказал, что он не заметил значительной разницы между легким, дышащим воздухом, и легким, дышащим водой. Он не испытывал также неприятных ощущений при входе и выходе потока жидкости из легкого.

Конечно, этот опыт еще очень далек от попытки осуществить процесс дыхания обоими легкими в воде, но он показал, что заполнение легких человека солевым раствором, если процедура выполнена правильно, не вызывает серьезных разрушений тканей и не производит неприятных ощущений.

Самая трудная проблема дыхания водой

Вероятно, самая трудная проблема, которую предстоит разрешить, связана с выделением из легких углекислого газа при дыхании водой. Как мы уже говорили, вязкость воды примерно в 36-40 раз больше вязкости воздуха. Это значит, что легкие будут прокачивать воду, по крайней мере, в сорок раз медленнее, чем воздух.

Другими словами, здоровый молодой водолаз, способный вдыхать 200 литров воздуха в минуту, сможет вдохнуть в минуту всего 5 литров воды. Вполне очевидно, что при таком дыхании углекислый газ не будет выделяться в достаточном количестве, даже если человек целиком погружен в воду.

Можно ли разрешить эту проблему использованием среды, в которой углекислый газ растворяется лучше, чем в воде? В некоторых сжиженных синтетических фтороуглеродах углекислого газа растворяется, например, в три раза больше, чем в воде, а кислорода - в тридцать раз. Леланд С. Кларк и Франк Голлан показали, что мышь может жить в содержащем кислород жидком фтористом углероде при атмосферном давлении.

Во фтористом углероде не только содержится больше кислорода, чем в воде, но в этой среде в четыре раза выше и скорость диффузии газа. Однако и здесь по-прежнему остается камнем преткновения малая пропускная способность жидкости через легкие: фтороуглероды обладают еще большей вязкостью, чем солевой раствор.

Перевод с английского Н. Познанской.

МОСКВА, 25 дек — РИА Новости, Татьяна Пичугина. 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. Что это была за жидкость?

"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 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.

© 20th Century Fox Film Corporation Кадр из фильма "Бездна"

© 20th Century Fox Film Corporation

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.

Жидкостью, насыщенной растворённым кислородом, который проникает в кровь . Наиболее подходящими веществами для этой цели рассматриваются перфторуглеродные соединения , которые хорошо растворяют кислород и углекислый газ , имеют низкое поверхностное натяжение , высокоинертны , не метаболизируются 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 70 - 80-е годы XX века в СССР и США , однако 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 быть использовано при глубоководных погружениях, космических полётах , в качестве одного из средств в комплексной терапии некоторых болезней .

В культуре

Нечто подобное было показано в фильме Джеймса Кэмерона «Бездна » (затрагивает тему использования жидкостного дыхательного аппарата для сверхглубокого подводного погружения), а также затронуто в книге Дена Брауна «Утраченный Символ ».

В финале фантастического фильма Брайана де Пальмы «Миссия на Марс » герой Гэри Синиза оказывается на борту марсианского корабля, где также показано использование технологии жидкостного дыхания.

Напишите отзыв о статье "Жидкостное дыхание"

Примечания

Ссылки

• bja.oxfordjournals.org/content/91/1/143.full

Отрывок, характеризующий Жидкостное дыхание

Недавно Научно-технический совет государственного Фонда перспективных исследований одобрил «проект по созданию технологии спасения подводников свободным всплытием с использованием метода жидкостного дыхания», реализацией которого должен заняться московский Институт медицины труда (на момент написания статьи руководство института было недоступно для комментариев). «Чердак» решил разобраться, что скрывается за таинственным словосочетанием «жидкостное дыхание».

Наиболее впечатляюще жидкостное дыхание показано в фильме Джеймса Кэмерона «Бездна».

Правда, в таком виде опыты на людях еще никогда не проводились. Но в целом ученые не сильно уступают Кэмерону по части исследования этого вопроса.

Мыши как рыбы

Первым, кто показал, что млекопитающие в принципе могут получать кислород не из смеси газов, а из жидкости, был Йоханнес Килстра (Johannes Kylstra) из медицинского центра университета Дьюка (США). Вместе с коллегами он в 1962 году опубликовал работу «Мыши как рыбы » (Of mice as fish) в журнале Transactions of American Society for Artificial Internal Organs .

Килстра и его коллеги погружали мышей в физраствор. Чтобы растворить в нем достаточное для дыхания количество кислорода, исследователями «вгоняли» газ в жидкость под давлением до 160 атмосфер — как на глубине 1,5 километра. Мыши в этих экспериментах выживали, но не очень долго: кислорода в жидкости было достаточно, а вот сам процесс дыхания, втягивания и выталкивания жидкости из легких требовал слишком больших усилий.

«Вещество Джо»

Стало понятно, что нужно подобрать такую жидкость, в которой кислород будет растворяться намного лучше, чем в воде. Требуемыми свойствами обладали два типа жидкостей: силиконовые масла и жидкие перфторуглероды. После экспериментов Леланда Кларка (Leland Clark), биохимика из медицинской школы университета Алабамы, в середине 1960-х годов выяснилось, что оба типа жидкостей можно использовать для доставки кислорода в легкие. В опытах мышей и кошек полностью погружали и в перфторуглероды, и в силиконовые масла. Однако последние оказались токсичны — подопытные звери погибали вскоре после эксперимента. А вот перфторуглероды оказались вполне пригодны для использования.

Перфторуглероды были впервые синтезированы в ходе Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы: ученые искали вещества, которые бы не разрушались при взаимодействии с соединениями урана, и они проходили под кодовым названием «вещества Джо» (Joe’s stuff). Для жидкостного дыхания они подходят очень хорошо: «вещества Джо» не взаимодействуют с живыми тканями и прекрасно растворяют газы, в том числе кислород и углекислый газ при атмосферном давлении и нормальной температуре человеческого тела.

Килстра и его коллеги исследовали технологию жидкостного дыхания в поисках технологии, которая бы позволяла людям погружаться и всплывать на поверхность, не опасаясь развития кессонной болезни. Быстрый подъем с большой глубины с запасом сжатого газа очень опасен: газы лучше растворяются в жидкостях под давлением, поэтому по мере того, как водолаз всплывает, растворенные в крови газы, в частности азот, образуют пузырьки, которые повреждают кровеносные сосуды. Результат может быть печальным, вплоть до смертельного.

В 1977 году Килстра представил в Военно-морское министерство США заключение, в котором писал, что, по его расчетам, здоровый человек может получать необходимое количество кислорода при использовании перфторуглеродов, и, соответственно, их потенциально возможно использовать вместо сжатого газа. Ученый указывал, что такая возможность открывает новые перспективы для спасения подводников с больших .

Эксперименты на людях

На практике техника жидкостного дыхания, к тому времени получившая название жидкостной вентиляции легких, была применена на людях всего один раз, в 1989 году. Тогда Томас Шаффер (Thomas Shaffer), педиатр из медицинской школы Темпльского университета (США), и его коллеги использовали этот метод для спасения недоношенных младенцев. Легкие зародыша в утробе матери заполнены жидкостью, а когда человек рождается и начинает дышать воздухом, тканям легких на протяжении всей оставшейся жизни не дает слипаться смесь веществ, называемая легочным сурфактантом. У недоношенных младенцев он не успевает накопиться в нужном количестве, и дыхание требует очень больших усилий, что чревато летальным исходом. В тот раз, правда, жидкостная вентиляция младенцев не спасла: все трое пациентов вскоре умерли, однако этот печальный факт был отнесен на счет других причин, а не на счет несовершенства метода.

Больше экспериментов по тотальной жидкостной вентиляции легких, как эта технология называется по-научному, на людях не проводилось. Однако в 1990-х годах исследователи модифицировали метод и проводили на пациентах с тяжелым воспалительным поражением легких эксперименты по частичной жидкостной вентиляции, при которой легкие заполняются жидкостью не полностью. Первые результаты выглядели обнадеживающими, но в конечном счете до клинического применения дело не дошло — оказалось, что обычная вентиляция легких воздухом работает не хуже.

Патент на фантастику

В настоящее время исследователи вернулись к идее использования полной жидкостной вентиляции легких. Однако фантастическая картина водолазного костюма, в котором человек будет дышать жидкостью вместо специальной смеси газов, далека от реальности, хотя и будоражит воображение публики и умы изобретателей.

Так, в 2008 году отошедший от дел американский хирург Арнольд Ланде (Arnold Lande) запатентовал водолазный костюм с использованием технологии жидкостной вентиляции. Вместо сжатого газа он предложил использовать перфторуглероды, а избыток углекислоты, которая будет образовываться в крови, выводить при помощи искусственных жабр, «воткнутых» прямо в бедренную вену водолаза. Изобретение получило некоторую известность после того, как о нем написало издание The Inpependent .

Как считает специалист по жидкостной вентиляции из Шербрукского университета в Канаде Филипп Мишо (Philippe Micheau), проект Ланде выглядит сомнительным. «В наших экспериментах (Мишо и его коллеги проводят эксперименты на ягнятах и крольчатах со здоровыми и поврежденными легкими — прим. «Чердака») по тотальному жидкостному дыханию животные находятся под анестезией и не двигаются. Поэтому мы можем организовать нормальный газообмен: доставку кислорода и удаление углекислого газа. Для людей при физической нагрузке, такой как плавание и ныряние, доставка кислорода и удаление углекислоты будут проблемой, так как выработка углекислоты в таких условиях выше нормы», — прокомментировал Мишо. Ученый также отметил, что технология закрепления «искусственных жабр» в бедренной вене ему неизвестна.

Главная проблема «жидкостного дыхания»

Более того, Мишо считает саму идею «жидкостного дыхания» сомнительной, поскольку для «дыхания» жидкостью человеческая мускулатура не приспособлена, а эффективная система насосов, которая бы помогала закачивать и выкачивать жидкость из легких человека, когда он двигается и выполняет какую-то работу, до сих пор не разработана.

«Я должен заключить, что на современном этапе развития технологий невозможно разработать водолазный костюм, используя метод жидкостной вентиляции», — считает исследователь.

Однако применение этой технологии продолжает исследоваться для других, более реалистичных целей. Например, для помощи утонувшим, промывания легких при различных заболеваниях или быстрого понижения температуры тела (применяется в случаях реанимации при остановке сердца у взрослых и новорожденных с гипоксически-ишемическим поражением мозга).

Дмитрий Рогозин показал сербскому президенту Александру Вучичу новейшие российские разработки. Среди них проект жидкостного дыхания. Для Вучича провели демонстрацию на таксе, которую поместили в резервуар с жидкостью, и уже через несколько секунд в новой среде она задышала. Эта система поможет дышать морякам на затонувшем судне или людям с ожогами легких. Как вообще возможно дышать жидкостью?

Это лишь одна из разработок, которые были созданы при содействии созданного государственного Фонда перспективных исследований. Он специализируется на прорывных исследованиях в различных областях науки и техники.

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.

"Проблема тех лет в том, что жидкость, которая была предназначена для дыхания, невозможно было очистить достаточным образом. И как следствие, под высоким давлением растворимые в ней побочные вещества вызывали токсический эффект. В семидесятые годы это были в основном перфтораны, они достаточно токсичны. Сейчас - это производные перфтордекалинов. Это вещества, которые используются в косметологической промышленности как прекрасный переносчик лекарственных и иных веществ через кожу в организм для насыщения кожи, в том числе и кислородом", — сказал руководитель направления химико-биологических и медицинских исследований Фонда перспективных исследований Федор Арсеньев.

Возможности, которые дает нынешнее открытие российских ученых, чрезвычайно высоки. Одна из них — борьба с перегрузками. Жидкость равномерно распределяет нагрузку по всем направлениям. Поэтому человек, помещенный в нее, способен выдерживать гораздо более высокие нагрузки, чем просто человек в скафандре. Их переносимость может увеличиться в несколько раз, существенно превысив 20 G, которые сейчас считаются пределом для человеческого организма.

При погружении в воду давление на человека возрастает на одну атмосферу каждые 10 метров. Поэтому на больших глубинах используются очень громоздкие костюмы. Когда легкие человека заполнены не воздухом, а жидкостью, давление внутри тела уравновешивает давление внешнее, и человек может погружаться на большие глубины без специальных костюмов. Кровь при этом не насыщается азотом и гелием, поэтому и не требуется длительной декомпрессии при подъеме на поверхность.

"Открытие поможет непосредственно спасаться экипажам подводных лодок без привлечения спасательных сил, специальных аппаратов - это то, что происходит на кораблях, это время идет на сутки - то, что случилось с "Курском". На больших глубинах с применением этих смесей жидкостных подводники вполне могут подниматься живыми-здоровыми с больших глубин", — отметил капитан 1-го ранга в отставке, заместитель главного редактора журнала Министерства обороны РФ "Воин России" Василий Дандыкин.

Российская разработка найдет применение не только в оборонной отрасли. Ее также можно будет использовать для помощи недоношенным младенцам и людям, получившим ожоги дыхательных путей.