Главная » Кухня » Почему человек задыхается под водой. Можем ли мы дышать под водой. Новая серия опытов дыхания водой

Почему человек задыхается под водой. Можем ли мы дышать под водой. Новая серия опытов дыхания водой

Фокусник-иллюзионист Гарри Гудини прославился своим умением задерживать дыхание на три минуты. Но сегодня опытные дайверы могут задерживать дыхание на десять, пятнадцать и даже двадцать минут. Как дайверы это делают, и как тренироваться, чтобы задержать дыхание на долгий срок?

Мой лучший результат по задержке дыхания в статичном положении вообще не впечатляет, я думаю, он около 5,5 минут. Марк Хели, серфер

Кажется, что такой результат просто нереальный, а Хели просто скромничает. Кто-то скажет, что задержать дыхание на такой срок просто невозможно, но это не так для людей, практикующих «статическое апноэ».

Это спортивная дисциплина, в которой дайвер задерживает дыхание и «зависает» под водой без движения настолько долго, насколько это возможно. Так вот, для таких дайверов пять с половиной минут — действительно небольшое достижение.

В 2001 году знаменитый фридайвер Мартин Степанек задержал дыхание на восемь минут шесть секунд. Его рекорд продержался три года, до июня 2004, когда фридайвер Том Сиетас повысил планку на 41 секунду с лучшим временем под водой 8:47.

Этот рекорд был побит восемь раз (пять из них самим Томом Сиетасом), но самое впечатляющее время на сегодня принадлежит французскому фридайверу Стефану Мифсуду. В 2009 году Мифсуд провел под водой 11 минут 35 секунд.

Что такое статическое апноэ

Статическое апноэ - это единственная дисциплина во фридайвинге, измеряемая по времени, но она является чистым проявлением этого вида спорта, его основой. Длительная задержка дыхания важна для всех остальных дисциплин фридайвинга, как в бассейне, так и в открытой воде.

Фридайвер, выступающий в дисциплине «Динамика в ластах» , на соревнованиях в Лондоне, 2009 год

У фридайверов есть разные дисциплины, такие как «динамика в ластах» или без, когда дайверу надо как можно дальше проплыть под водой, или «без ограничений» - самая сложная дисциплина, в которой дайвер погружается с помощью тележки так глубоко, как может, а потом с помощью шара всплывает обратно.

Но и та, и другая дисциплины основаны на апноэ - умении как можно дольше продержаться без воздуха.

Изменения в организме

Кислород, который вы вдыхаете, поступает в кровь и доставляется к разным тканям тела, где трансформируется в энергию. В конце этого процесса образуется CO2, который поступает обратно в легкие и выводится из организма с выдохом.

Когда вы задерживаете дыхание, кислород также превращается в CO2, но ему некуда выходить. Он циркулирует по вашим венам, окисляя кровь и подавая сигналы организму, что пора вдохнуть. Сначала это горящие легкие, а потом - сильные и болезненные спазмы диафрагмы.

Фридайверы тратят годы тренировок, чтобы прокачать задержку дыхания, и в процессе постепенно меняется их физиология. Кровь фридайверов окисляется медленнее, чем кровь обычных людей, которые всю жизнь вдыхают и выдыхают рефлекторно.

Активация симпатической нервной системы заставляет их периферические кровеносные сосуды сжиматься вскоре после того, как они перестали дышать. Кровь, богатая кислородом, сохраняется в теле и перенаправляется от конечностей к самым важным органам, в основном, к сердцу и мозгу.

Некоторые фридайверы также практикуют медитацию, чтобы успокоить сердце. Они замедляют естественные ритмы, и кислород медленнее превращается в углекислый газ.

Медитация оказывает успокаивающий эффект и на разум тоже, потому что основная сложность в задержке дыхания как раз заключается в сознании. Вы должны знать, что ваше тело может существовать на кислороде, который уже в нем есть и успешно игнорировать потребность организма вдохнуть.

На это требуются годы тренировок, но есть и другие, более быстрые способы для задержки дыхания.

«Щечная накачка» и гипервентиляция

Есть способ, который дайверы называют личным «хранилищем газа» или «щечной накачкой» . Его давным-давно придумали рыбаки-ныряльщики. Способ включает в себя наиболее глубокое дыхание, с использованием мышц рта и глотки для увеличения запасов воздуха.

Человек полностью наполняет легкие воздухом, после чего с помощью мышц глотки перекрывает доступ, чтобы воздух не выходил. После этого он набирает воздух в рот, и при закрытии рта с помощью мышц щек вталкивает дополнительный воздух в легкие. Повторив такое дыхание 50 раз, дайвер может увеличить запас легких литра на три.

В 2003 году провели исследование по измерению емкости легких у дайверов, и получили такие результаты: «щечная накачка» увеличивает объем легких с 9.28 литров до 11.02.

Емкость легких также может отличаться в зависимости от человека. Примерный объем легких женщины составляет четыре литра, мужчины - шесть, но может быть и больше. Например, известный фридайвер Герберт Нич имел объем легких 14 литров.

Есть ещё один способ - гипервентиляция легких , которую часто используют дайверы. Этот способ позволяет избавить организм от углекислого газа и наполнить тело кислородом. Самая экстремальная версия этой техники включает в себя дыхание только кислородом за 30 минут до погружения.

В воздухе содержится только 21% кислорода, так что, если дышать атмосферным воздухом перед погружением, кислорода в организме будет меньше, чем если вдыхать чистый кислород.

Именно эта техника позволила фокуснику Дэвиду Блэйну побить мировой рекорд по задержке дыхания в 2008 году, продержавшись без воздуха 17 минут и 4 секунды. С её же помощью Стиг Северинесен побил этот рекорд в 2012 году со временем 22 минуты.

В отличие от «статического апноэ», в котором не разрешается дышать чистым кислородом перед погружением, Книга рекордов Гиннеса не так сурова, поэтому рекорд в 22 минуты сейчас считается первым в мире.

Опасности апноэ

Но все эти техники и тренировки по-своему опасны. Длительная задержка дыхания и кислородное голодание организма может плохо сказаться на здоровье, а гипервентиляция может привести к потере сознания и другим рискам. Что касается метода щечной накачки, от этого может случиться разрыв легких.

И по этой причине фридайверы не проводят тренировки в одиночку, только под присмотром. Даже когда они находятся в неглубокой воде, поскольку нет различия, на какой глубине ты находишься, если потерял сознание.

Так что, если вы решили потренироваться задерживать дыхание, лучше не делайте этого в одиночестве, мало ли что может случиться.

Наверняка, каждый из вас пытался задерживать дыхание. Кто-то продержался несколько секунд, самые же смелые не дышали до появления головокружения. Однако результаты все равно не превышали 1 минуты. Как тогда с виду обычный человек умудрился продержаться под водой без дыхания более 20 минут и попал в Книгу мировых рекордов Гиннеса?

Известно, что обычный человек может задерживать дыхание до 1 минуты. Максимальная задержка дыхания под водой у ловцов жемчуга и спортсменов достигает 6 минут . Далее наступает кислородное голодание мозга, конвульсии и смерть.

35-летний фридайвер из Германии Том Ситас вышел «сухим из воды», задержав дыхание на целых 22 мин 22 сек! Этим самым он побил ранее установленные рекорды иллюзиониста Дэвида Блейна , ныряльщика из Италии Джанлука Генони и свой собственный рекорд в 17 мин 28 сек.

Как же удается задержать дыхание на такое длительное время? Понятно, что максимальная задержка дыхания под водой совершенно невозможна без тренировки предварительной подготовки. Во-первых, согласно правилам установления рекорда, участник перед погружением может дышать 30 мин чистым кислородом. Во-вторых, сам Ситас признался, что за 5 часов до установления рекорда не ел и по специальным методикам замедлял метаболизм в своем организме. В-третьих, участники находятся под водой в спокойном, неподвижном состоянии, что значительно снижает потребность в кислороде. И еще. Все фридайверы владеют методикой полувдохов-полувыдохов. Если бы у рекордсменов был зажим на носу и заткнут рот, вряд ли бы они смогли так долго продержаться без дыхания.

Несмотря на это, рекорд Тома Ситаса сам по себе является подтверждением неограниченных возможностей человеческого организма. К примеру, и способны задерживать дыхание на 20 мин, тюлени и другие ластоногие — до 70 мин, а киты — на 1,5 часа. Так что человек, как существо сухопутное, способный задерживать дыхание, словно житель водной стихии, заслуживает уважения и славы.

Видео

P.S. Обычным, неподготовленным людям не рекомендуется пытаться устанавливать рекорды подобного рода . Такие попытки могут в рекордные сроки отправить вас в мир иной.

В 90-е в популярном фильме «Бездна» Джеймса Кэмерона среди прочих чудес была показана жидкость, в которой можно дышать. Мало кто знает, что в основе этого - советские разработки. В 1988 году в Ленинграде группа учёных создала жидкость, в которой свободно дышали не только мыши, но и собаки.

О том, чтобы дышать под водой, люди мечтали ещё с давних времён. О такой возможности упоминалось в сказках, в былинном эпосе «Садко» и других романах. Врач и учёный Андрей Филиппенко в советское время провёл первые успешные испытания техники жидкостного дыхания.

Американцы зашли в тупик

Ксения Якубовская, сайт: - Андрей Викторович, неужели возможно дышать жидкостью?

Андрей Филиппенко: - Конечно, в воде содержится кислород. Другое дело, что в обычной, в лучшем случае, 2,7% О2. А чтобы млекопитающее смогло дышать, этот показатель поднимается до 20-21%. Исследования доказали, когда в лёгкие попадает такая жидкость, то в кровь поступает достаточное количество кислорода.

Жидкостное дыхание - это технология, которая позволяет получать кислород не из воздуха, а из специальной жидкости. Идея свободно передвигаться, дышать под водой волновала умы многих учёных. Первые опыты провёл в 60-х годах прошлого века голландский исследователь Йоханнес Килстра. В 1968-м он наглядно показал, что млекопитающие могут получать кислород из жидкости. В его растворе мыши могли дышать и даже бегать.

Мой отец был офицером первого института ВМФ, который занимался кораблестроением и стратегией развития подводного флота. Ему пришло распоряжение от руководства оценить исследования Килстра. Он написал положительный отзыв. Я был ещё школьником, но идею запомнил. Когда я стал работать старшим научным сотрудником в НИИ Спасания и подводных технологий Вунц ВМФ ВМА, я поднял эту тему. Задача была интересная, и мне разрешили заниматься исследованием распространения газов в организме человека в условиях повышенного давления. Это был 1979 год.

- А мировые исследования к тому времени не продвинулись в этом направлении?

Первые опыты были на мышах в тех странах, которые занимались атомным оружием, могли работать с высокими энергиями. Требовались грамотные специалисты, огромные деньги и специализированное оборудование. У нас в Ленинграде всё это было. Технологией жидкостного дыхания занималась группа из 1500 человек. Американцы пошли по тупиковому пути. Они, например, заполняли только одно лёгкое водой, насыщенной кислородом. Были у них и системы вентиляции лёгких, то есть, человек самостоятельно не мог дышать жидкостью, ему нужно было помогать. Сложно представить себе подводника с аппаратом искусственной вентиляции лёгких.

Достигнуть Марса за неделю

- Зачем людям вообще дышать жидкостью?

Тут есть сразу несколько возможных применений - при спасательных операциях под водой, подводной археологии, полётах в космос, в медицине. Под водой человек испытывает давление, так как среда в 800 раз плотнее воздуха. Оно возрастает на одну атмосферу примерно каждые 10 метров глубины. Если водолаз быстро всплывает, то газы, растворённые в крови, начинают закипать в виде пузырьков, возникает кессонная болезнь.

При жидкостном дыхании раствор не содержит газов, это чистая смесь. То есть длительная декомпрессия не нужна. При этом давление снаружи и внутри также сравнивается. Когда мы проводили исследования, то создавали в барокамере давление, схожее на глубине 700, 800, 900 и 1000 метров, имитировали свободное всплытие. Животные абсолютно нормально переносили перепады температуры и давления.

Эти опыты доказали эффективность жидкостного дыхания в лечении кессонной болезни. При её применении угрозы баротравм просто нет. При такой технологии спасение людей с затонувших подводных лодок было бы лёгким делом. Они бы не погибали от недостатка кислорода или кессонной болезни при быстром подъёме. Да и спускаться к ним спасателям было бы легче. Более того, она пригодилась бы при подводных археологических исследованиях, изучения глубокого океана.

С такой жидкостью полёт на Марс мог бы занимать неделю, так как тело легко переносило бы перегрузки и ускорение, а полёт на Луну стоил бы, как поездка на Гавайи. В медицине применение жидкостного дыхания могло бы спасать недоношенных младенцев, а также помогать при серьёзных заболеваниях лёгких у взрослых.

Косметика интереснее науки

- Когда вам удалось добиться успеха?

В начале 80-х. Я понял, что у американцев ничего не вышло из-за жидкости. Если попадалась хотя бы какая-то примесь, то дышать было невозможно. Мы с химиками несколько лет добивались идеального качества. И как только достигли его, то мышки свободно задышали, а потом и собаки. Они спокойно находились в этой жидкости в течение двух часов, реагировали на голос. И после испытаний чувствовали себя прекрасно, давали потомство и жили ещё очень долго. Позже я показывал нашу жидкость в Англии, США и Германии. Специалисты не могли понять, как нам удалось создать такой уникальный чистый состав.

В 1988 году фильм о наших успешных испытаниях демонстрировали на закрытых показах различным начальникам: руководителям академии наук, академии медицинских наук, госкомитету по науке и технике, минобороны. По плану, уже в 1991 году должны были сделать волонтёрские первые испытания. Однако известные исторические события помешали. Все программы свернули, исследования - закрыли, а людей сократили.

- Иностранцы не предлагали вам поработать над этим у них?

Конечно, предлагали. Но мне всё-таки хотелось, чтобы мы стали первыми в этом деле. В конце концов, в меня и мои исследования страна вложила немало средств. И отдавать свою работу другим не хотелось. Да и когда я посмотрел на их уровень исследований, что понял, что они безнадёжно отстали. Нужно было сначала дотягивать их специалистов до уровня наших, снова работать над созданием жидкости идеального качества.

- Джеймс Кэмерон показал жидкостное дыхания в своём фильме. Интересно, он знал о советских разработках?

Конечно! Более того, видел наш фильм. Когда я начал выезжать заграницу, то американские коллеги неожиданно передали его номер телефона и сказали, что он разыскивает меня. Я подумал, что надо сначала попробовать с нашими кинематографистами поговорить. Предлагал идею Ленфильму, в Москве, но наши не заинтересовались.

- А сегодня власти помогают довести работу до конца?

Сейчас мы на науку тратим 1% ВВП (Израиль - 5%). Это не самая для нашей страны интересная сфера. В Россию ввозят компонентов для косметики ежегодно на 15 млрд долларов. По мировым оценкам, земная цивилизация, в принципе, тратит на косметику больше, чем на космические исследования и термоядерные. Цивилизация хочет, чтобы мы себя украшали, пели и танцевали. Авторское право на музыку - всю жизнь, а на научный патент - всего 10 лет. Не надо удивляться, что нет жидкостного дыхания.

К тому же, наши законы не позволят проводить исследования на людях. Юридически всё это очень сложно. Сам человек на себе, конечно, может провести. Однако всех, кто в этот момент будет рядом, можно посадить. При этом испытаний новых препаратов у нас проводят на людях больше, чем в Китае.

Если бы было можно, то через три месяца люди уже смогли бы дышать в воде. Думаю, в Китае или Индии достигнут успеха, так как у них более лояльные законы.

МОСКВА, 27 янв — РИА Новости, Ольга Коленцова. Хотя плод девять месяцев живет в воде, а плавание полезно для здоровья, водная среда для человека опасна. Утонуть может любой — ребенок, взрослый, прекрасно подготовленный пловец… А у спасателей не так много времени, чтобы сохранить человеку не только жизнь, но и рассудок.

Преодолеть натяжение

Когда человек тонет, вода попадает в его легкие. Но почему люди не могут хотя бы недолго прожить, черпая кислород из воды? Чтобы понять это, разберемся, как человек дышит. Легкие похожи на гроздь винограда, где бронхи разветвляются, словно веточки-побеги, на множество воздухоносных путей (бронхиол) и венчаются ягодами — альвеолами. Волокна в них сжимаются и разжимаются, пропуская кислород и другие газы из атмосферы в кровеносные сосуды или выпуская наружу CO 2 .

"Для обновления воздуха необходимо совершить дыхательное движение, в котором участвуют межреберные мышцы, диафрагма и часть мышц шеи. Однако поверхностное натяжение воды намного больше, чем у воздуха. Молекулы внутри вещества притягиваются друг к другу равномерно благодаря тому, что со всех сторон есть соседи. У молекул на поверхности соседей меньше, и они притягиваются друг к другу сильнее. Значит, чтобы крохотные альвеолы смогли втянуть в себя воду, от комплекса мышц требуется неизмеримо большее усилие, чем при вдохе воздуха", — рассказывает доктор медицинских наук Алексей Умрюхин, заведующий кафедрой нормальной физиологии Первого МГМУ имени И. М. Сеченова.

В легких взрослого человека содержится 700-800 миллионов альвеол. Их общая площадь — порядка 90 квадратных метров. Нелегко оторвать друг от друга даже два гладких стекла, если между ними есть слой воды. Представьте, какие усилия при вдохе нужно приложить, чтобы разлепить столь огромную площадь альвеол.

Кстати, именно сила поверхностного натяжения составляет огромную проблему разработки жидкостного дыхания. Можно насытить раствор кислородом и подобрать его параметры так, чтобы связи между молекулами были ослаблены, но в любом случае сила поверхностного натяжения останется значительной. Участвующим в дыхании мышцам все равно потребуется намного больше усилий, чтобы загнать раствор в альвеолы и выгнать его оттуда. На жидкостном дыхании можно продержаться несколько минут или час, но рано или поздно мышцы просто устанут и не смогут справляться с работой.

Переродиться не выйдет

Альвеолы новорожденного заполнены некоторым количеством околоплодной жидкости, то есть находятся в слипшемся состоянии. Ребенок делает первый вдох, и альвеолы открываются — уже на всю жизнь. Если в легкие попадает вода, поверхностное натяжение заставляет альвеолы склеиться, и требуется огромное усилие, чтобы их разлепить. Два, три, четыре вдоха в воде — вот максимум человека. Все это сопровождается судорогами — организм работает на пределе, легкие и мышцы горят, пытаясь выжать из себя все что можно.

В популярном сериале "Игра престолов" есть такой эпизод. Претендента на трон посвящают в короли следующим образом: голову держат под водой, пока он не перестанет барахтаться и подавать признаки жизни. Затем тело вытаскивают на берег и ждут, когда человек сам сделает вдох, откашляется и встанет. После чего претендент признается полноправным правителем. Но создатели сериала приукрасили реальность: после серии вдохов-выдохов в воде организм сдается — и мозг перестает посылать сигналы о том, что надо пробовать дышать.

Разум — слабое звено

Человек может задерживать дыхание на три-пять минут. Затем уровень кислорода в крови снижается, желание сделать вдох становится нестерпимым и совершенно неконтролируемым. Вода попадает в легкие, но в ней недостаточно кислорода, чтобы насытить ткани. От отсутствия кислорода страдает в первую очередь мозг. Другие клетки способны какое-то время продержаться на анаэробном, то есть бескислородном, дыхании, хотя и энергии будут производить в 19 раз меньше, чем в аэробном процессе.

"Структуры мозга расходуют кислород по-разному. Особой "прожорливостью" отличается кора больших полушарий. Именно она контролирует сознательную сферу деятельности, то есть ответственна за творчество, высшие социальные функции, интеллект. Ее нейроны первыми израсходуют запасы кислорода и погибнут", — отмечает эксперт.

Если утопленнику удается вернуть жизнь, его сознание может так и не прийти в норму. Конечно, многое зависит от времени нахождения под водой, состояния организма, индивидуальных особенностей. Но врачи считают, что в среднем мозг утонувшего погибает через пять минут.

Часто те, кто тонули, превращаются в инвалидов — лежат в коме или почти полностью парализованы. Хотя формально организм в норме, пострадавший мозг не может управлять им. Так случилось с 17-летним Маликом Ахмадовым, который в 2010 году спас тонувшую девушку ценой своего здоровья. Вот уже семь лет парень проходит реабилитацию курс за курсом, но полностью его мозг не восстановился.

Исключения редки, но случаются. В 1974 году пятилетний мальчик в Норвегии вышел на лед реки, провалился и утонул. Его достали из воды лишь спустя 40 минут. Врачи сделали искусственное дыхание, массаж сердца, и реанимация увенчалась успехом. Два дня ребенок пролежал без сознания, а потом открыл глаза. Врачи обследовали его и с удивлением констатировали, что головной мозг — в абсолютной норме. Возможно, ледяная вода настолько замедлила обмен веществ в организме ребенка, что его мозг словно заморозился и не нуждался в кислороде, как и остальные органы.

Врачи предупреждают: если человек уже ушел под воду, у спасателя есть буквально минута, чтобы его спасти. Чем быстрее пострадавшему удалить воду из легких, вызвав рвотный рефлекс, тем больше шансов на полное восстановление. Важно помнить, что тонущий человек редко выдает себя криком или активными попытками удержаться на воде, у него просто не хватает на это сил. Поэтому, если вы заподозрили неладное, лучше спросить, все ли в порядке, и если ответа нет, предпринять меры к спасению утопающего.

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.

Напечатать