Особенности дыхания в различных условиях. Дыхание под водой – возможно

Фото: РИА "Новости"
Сергей Пятаков

Человек будущего сможет погружаться на огромные глубины, но ему придется научиться дышать жидкостью.

Жидкостное дыхание, или дыхание с помощью хорошо растворяющей кислород жидкости давно стало идеей фикс для ученых всего мира. Прибор «человека-амфибии» способен сохранить жизни аквалангистам и подводникам, эта технология может быть использована в медицине, а в перспективе будет полезна при совершении длительных космических полетов при освоении других планет. Реальные разработки по созданию аппарата жидкостного дыхания велись в 1970-1980 е годы в СССР и США, тогда эксперименты проводились на животных, но больших успехов добиться не удалось. Насколько перспективной и реалистичной остается эта технология, разбирался корреспондент «Совершенно секретно».

Нужно отметить, что жидкостное дыхание на первый взгляд кажется фантастическим вымыслом, но на самом деле имеет вполне научную основу, и под эту идею подведена серьезная теоретическая база. Вместо кислорода ученые предлагают использовать особые химические соединения, которые способны очень хорошо растворять кислород и углекислый газ.

ЖИДКОСТНОЕ ДЫХАНИЕ ИЗБАВИТ ВОДОЛАЗОВ ОТ КЕССОННОЙ БОЛЕЗНИ

Вице-адмирал, Герой Социалистического Труда, доктор технических наук, профессор, действительный член РАЕН, председатель Комитета по проведению подводных работ особого назначения при Правительстве РФ в 1992-1994 годах Тенгиз Борисов рассказал «Совершенно секретно», что опыты с жидкостным дыханием ведутся на протяжении нескольких десятков лет.

«В настоящее время человек ограничен в возможностях - водолаз, в дыхательных баллонах которого находится обычный воздух, может без риска для здоровья погрузиться на глубину 60 метров. В исключительных случаях самые опытные пловцы достигали 90 метров, дальше человеческий организм подвергается токсическому воздействию азота. После того как появились специальные гелийсодержащие газовые смеси, в которых поддерживается небольшое постоянное давление кислорода и отсутствует азот, стало возможным в жестких скафандрах погружаться до 300 метров, и это предел.

Главный враг водолазов - кессонная болезнь: при всплытии с большой глубины из-за быстрого понижения давления вдыхаемой дыхательной смеси газы, которые растворяются в крови, начинают бурно выделяться, как будто бутылку шампанского встряхнули, и вино внутри вспенилось. Газы разрушают стенки клеток и кровеносных сосудов, забивают капилляры, блокируют кровоток, последствия ужасные - при тяжелой форме декомпрессионная болезнь может привести к параличу или смерти.

Чтобы дальше двигаться на глубину, нужны новые технологии. И сегодня как самый перспективный рассматривается принцип жидкостного дыхания. Этот метод должен преодолеть основные проблемы водолазов: при погружении и всплытии решится вопрос с компрессией, не будет происходить обжатия грудной клетки, поскольку жидкости практически не сжимаются.

Однако, даже если специальные жидкие смеси будут созданы, придется разработать методы применения жидкостного дыхания. Ведь для того, чтобы человеку заполнить свои легкие тягучим веществом, придется преодолеть жесточайшее психологическое сопротивление организма. Были проведены эксперименты на людях: при попытке заполнить легкие у человека непроизвольно происходит срабатывание рефлексов, начинает сжиматься гортань и перекрываются легкие.

У человека существует врожденная реакция на воду - достаточно капле попасть на чувствительные клетки бронхов, как кольцевая мышца сдавливает горло, возникают спазмы, а затем наступает удушье. Хотя специальная жидкость никакого вреда причинить не может, но организм отказывается это понимать, и мозг дает команду сопротивляться. В завершение не менее неприятная процедура, когда эту жидкость нужно удалять из легких. Но если решение будет найдено, это будет серьезный прорыв - тогда водолазы получат возможность работать на очень больших глубинах.

Предполагается, что эта технология будет использоваться в военных целях, для разведки нефтегазовых месторождений и обслуживания глубоководных скважин, а также для подъема ценностей с затонувших на больших глубинах кораблей. Сегодня в мире ведется несколько разработок, которые позволяют надеяться, что эта технология получит путевку в будущее».

ИССЛЕДОВАНИЯ ПОМОГЛИ В РАБОТЕ АМЕРИКАНСКИХ НЕОНАТОЛОГОВ

Американцы обратились к идее жидкостного дыхания в 1960 х. И пожалуй, самое большое их достижение - зарегистрированный патент на водолазный костюм, оснащенный баллоном со специальной жидкостью, обогащенной кислородом. Согласно идее автора, так называемый жидкий воздух, который подается из баллона в шлем дайвера, заполняет собою все пространство вокруг головы, вытесняет воздух из легких, полостей носоглотки и ушей, насыщая легкие человека достаточным количеством кислорода. Жидкость для дыхания предполагалось создать на основе перфторуглеродов, в которых можно растворить требуемое количество газа.

В свою очередь, углекислый газ, который выделяется в процессе дыхания, должен был выводиться при помощи своеобразного аналога жабр, прикрепленного к бедренной вене ныряльщика. В итоге кислород поступает в кровь через легкие, а углекислый газ выводится прямо из крови. Правда, для использования такой системы человек должен будет научиться обходиться без использования основных функций дыхательной системы - вдохов и выдохов.

Первые опыты, связанные с дыханием при помощи жидкости, американцами были проведены в 1960 е годы. Проводились они на грызунах. Ученые осуществили полную замену крови крыс эмульсией с большой концентрацией жидкого кислорода. Какое-то время животные мог-ли дышать жидкостью, но их организм не смог выводить углекислый газ, что через непродолжительное время привело к разрушению легких. В последующие годы формула была доработана.

Одной из самых удачных разработок стала жидкость, которая используется в LiquiVent - препарате, созданном для лечения тяжелого расстройства дыхания у недоношенных новорожденных. По своей консистенции это чистая маслянистая жидкость, обладающая малой плотностью, которая содержит больше кислорода, чем воздух. Поскольку эта жидкость инертна, она не наносит вреда легким, так как у нее весьма низкая температура кипения и она быстро и легко выводится из легких.

Это вещество привлекает специалистов еще и потому, что оно бесцветно, не имеет запаха и нетоксично - почти как воздух. Эта жидкость удерживает гораздо большее, чем воздух, количество кислорода на единицу объема. Во время следующих экспериментов мыши и кошки, погруженные в насыщенную кислородом перфторуглеводородную жидкость, жили уже в течение нескольких дней. Однако во время опытов также выяснилось, что нежные легкие млекопитающих плохо приспособлены к тому, чтобы постоянно вкачивать и выкачивать жидкость - поэтому заменять ею воздух можно только на очень непродолжительное время.

Идею системы жидкостного дыхания сегодня используют в своей практике врачи-неонатологи, которые уже более 20 лет применяют подобные технологии для ухода за недоношенными младенцами. В этой отрасли медицины жидкостное дыхание получило широкое применение. Этот способ используют для спасения новорожденных. Легочная ткань таких младенцев к рождению сформирована не до конца, поэтому с помощью специальных устройств дыхательную систему насыщают как раз кислородсодержащим раствором на основе перфторуглеродов. Неслучайно в состав групп по созданию жидкостного дыхания американские экспериментаторы непременно включают врачей этого профиля.

КРУПНЫЕ МЛЕКОПИТАЮЩИЕ ДЫШАТЬ ЖИДКОСТЬЮ ТАК И НЕ НАУЧИЛИСЬ

В дальнейшем за счет усовершенствования дыхательной жидкости удалось добиться многочасового жидкостного дыхания у мелких лабораторных животных - мышей и крыс и у щенков собак. Однако ученые столкнулись с новой проблемой - добиться устойчивого жидкостного дыхания у крупных лабораторных животных (взрослых собак, диаметр трахеи и устройство легких которых близки к человеку) так и не получилось. Взрослые собаки выдерживали не более 10-20 минут и погибали от легочной недостаточности. Перевод на искусственную вентиляцию жидкостью легких с помощью клинической аппаратуры улучшал показатели, но дополнительное оборудование для дыхательного снаряжения разработчиками не рассматривается.

Для того чтобы человек мог дышать жидкостью, она должна выполнять две главные функции: поставлять кислород легким и выводить углекислый газ. Этим свойством обладает кислород, который человек вдыхает, и еще несколько газов, а также, как доказали ученые, некоторые жидкости тоже способны выполнять подобные функции. При этом неудачные эксперименты с жидкостным дыханием также имеют объяснение: человеческие легкие намного тяжелее воспринимают и выводят жидкость, чем воздух, поэтому процесс замены углекислого газа кислородом происходит с большим замедлением.

Действительно, человеческие легкие технически способны «дышать» определенной богатой кислородом жидкостной смесью, но только на протяжении нескольких минут. Если предположить, что жидкое дыхание получит распространение, то больным людям, использующим жидкий воздух в медицинских целях, придется постоянно использовать дополнительные устройства, по сути, таскать на себе аппарат искусственной вентиляции легких для стимулирования дыхания. Водолазам, которые и так под водой испытывают жесточайший дискомфорт, придется нести на себе дополнительное оборудование, при этом дышать жидкостью во время длительных и глубоких погружений будет нелегко.

В США ЗАПАТЕНТОВАН ВОДОЛАЗНЫЙ КОСТЮМ, В КОТОРОМ ИСПОЛЬЗОВАН ПРИНЦИП ЖИДКОСТНОГО ДЫХАНИЯ

В РОССИИ, ВОЗМОЖНО, ПОСТАВИЛИ ОПЫТ НАД ЧЕЛОВЕКОМ

В Советском Союзе также существовали программы жидкостного дыхания. В одном из советских НИИ добились значительных результатов в реализации жидкостного дыхания. Были разработаны специальные аппараты, ставились опыты на животных и были достигнуты определенные результаты. Мыши и собаки, действительно, дышали жидкостью, причем достаточно длительное время. Есть информация, что в 1991 году должны были состояться первые опыты на волонтерах. Нужно отметить, что в Советском Союзе эти программы не имели коммерческой направленности и были связаны исключительно с военными разработками.

Поэтому в связи с прекращением финансирования, все работы были свернуты, а позднее - полностью прекращены. Однако недавно некоторые проекты были реанимированы. Как удалось узнать «Совершенно секретно», в одном из оборонных НИИ России провели эксперимент с добровольцем, у которого в результате хирургической операции в связи с опасной патологией была удалена гортань (поэтому кольцевая мышца отсутствовала, это позволило успешно провести эксперимент).

Человеку залили специальный раствор сначала в легкие, а затем погрузили под воду в специально изготовленной маске. После эксперимента жидкость из его легких была безболезненно откачана. Воодушевленные этим успехом российские специалисты утверждают, что в будущем дышать под водой смогут обычные люди с нормальным горлом, поскольку преодоление рефлекторной реакции организма на жидкость вполне реально.

Член-корреспондент РАЕН, кандидат медицинских наук Андрей Филиппенко, который продолжительное время работает над проектом жидкостного дыхания, рассказал «Совершенно секретно», что в настоящее время об этих разработках практически ничего нельзя говорить из-за их закрытости.

«Сегодня эти разработки ведутся как в интересах военных, так и в гражданской сфере. Существует множество технологических трудностей, которые стопорят продвижение этих проектов. В настоящее время эта технология работает исключительно в лаборатории и совершенно непригодна для эксплуатации в реальных условиях. Например, на больших глубинах. Эта технология плохо работает не только в России, но и за рубежом. Чтобы продвинуться вперед, необходимо усовершенствовать множество технологий, в том числе те, которые связаны с преодолением большого давления».

ЖИДКОСТНОЕ ДЫХАНИЕ МОЖЕТ БЫТЬ ВОСТРЕБОВАНО В КОСМОСЕ И У ПОДВОДНИКОВ

В Советском Союзе одно время рассматривалась идея межпланетного перелета. Так как космический полет сопряжен с большими перегрузками космонавтов, анализировались варианты, как их уменьшить. Среди прочего предлагался вариант погружения космических путешественников в жидкость. Действительно, если человека погрузить водообразный раствор, то при перегрузках давление будет распространяться равномерно на все тело. Таков принцип использовался при создании антиперегрузочного костюма, который применяется в ВВС Германии. Производитель - немецко-швейцарская компания AutoflugLibelle - заменила воздушные подушки герметичными сосудами с жидкостью. Таким образом, костюм представляет собой жесткий скафандр, наполненный водой. Это позволяет пилоту сохранять сознание и работоспособность даже при огромных (свыше 10 g) перегрузках.

Однако использование положительных свойств жидкости для дыхания в авиации и космонавтике может навсегда остаться мечтой - вещество для костюма защиты от перегрузок должно обладать плотностью воды, а единственная рабочая на сегодняшний день перфторуглеводородная жидкость в два раза тяжелее. Если идею удастся реализовать, погруженный в жидкую среду и дышащий твердым кислородом космонавт практически не будет ощущать эффекта экстремально высоких перегрузок, поскольку силы будут распределяться равномерно во всех направлениях.

Несомненно, что технология жидкостного дыхания в первую очередь нужна морякам-подводникам. Как это ни парадоксально звучит, но в настоящее время нет надежных способов спасения людей, терпящих бедствие на больших глубинах. Не только у нас, но и во всем мире методы и техника спасения терпящих бедствие на большой глубине много лет практически не развиваются. То, что средства аварийного спасения экипажей безнадежно устарели и нуждаются в скорейшей модернизации, показала трагедия подлодки «Курск».

Субмарина была оснащена оборудованием, помогающим покинуть ее в случае аварии, но всплывающая спасательная камера была повреждена взрывом, и воспользоваться ею не удалось. Кроме того, для каждого члена команды было предусмотрено штатное индивидуальное спасательное средство, которое позволяло спасаться с глубины до 120 метров. Несколько минут, необходимых для подъема, человек в этом снаряжении может дышать кислородно-гелиевой смесью. Но и этими средствами люди воспользоваться не смогли. Помимо прочего, это связано и с тем, что баллоны с гелием на подлодке не хранятся, поскольку при высокой концентрации в воздухе этот газ может вызвать удушье и состояние кислородной недостаточности.

Таков большой недостаток индивидуального снаряжения. Спасатели должны были передать баллоны членам команды снаружи, через люки шлюзовой камеры. Нужно отметить, что все это оборудование было разработано в далеком 1959 году и с тех пор никак не менялось. Да и сегодня никаких альтернатив не видно. Возможно, поэтому о применении дыхания жидкостью в морском аварийно-спасательном деле говорят как о самом перспективном методе будущего.

Российский фонд перспективных исследований проверяет на собаках технологию жидкостного дыхания для подводников, сообщает со ссылкой на руководителя Фонда Виталия Давыдова.

«В одной из его лабораторий ведутся работы по жидкостному дыханию. Пока эксперименты проводят над собаками. При нас рыжую таксу погрузили в большую колбу с водой мордой вниз. Казалось бы, зачем над животным издеваться, сейчас захлебнется же. Ан нет. Она просидела под водой 15 минут. А рекорд – 30 минут. Невероятно. Оказывается, легкие собаки заполнились жидкостью, насыщенной кислородом, что дало ей возможность дышать под водой. Когда её вытащили, она была немного вялая – говорят, из-за переохлаждения (а я думаю, кому понравится под водой в банке у всех на глазах торчать), но через несколько минут стала вполне себе. Скоро опыты будут проводить на людях», – рассказал корреспондент «РГ» Игорь Черняк.

«Всё это было похоже на фантастический сюжет знаменитого фильма "Бездна", где на огромную глубину человек мог спуститься в скафандре, шлем которого был заполнен жидкостью. Ею подводник и дышал. Теперь это уже не фантастика», – пишет он.

По словам корреспондента, «технология жидкостного дыхания предполагает заполнение легких специальной жидкостью, насыщенной кислородом, который проникает в кровь».

«Фонд перспективных исследований одобрил реализацию уникального проекта, работы ведет НИИ медицины труда. Планируется создать специальный скафандр, который пригодится не только подводникам, но и лётчикам, а также космонавтам», – сообщает он.

Давыдов рассказал корреспонденту, что для собак создана специальная капсула, которая погружается в гидрокамеру с повышенным давлением. «На данный момент собаки могут без последствий для здоровья более получаса дышать на глубине до 500 метров. "Все собаки-испытатели выжили и чувствуют себя после длительного жидкостного дыхания хорошо», – сказал руководитель Фонда.

Далее газета пишет: «Мало кто знает, что опыты по жидкостному дыханию на людях в нашей стране уже проводились. Дали потрясающие результаты. Акванавты дышали жидкостью на глубине в полкилометра и больше. Вот только народ о своих героях так и не узнал.

В 1980-х годах в СССР разработали и стали осуществлять серьезную программу по спасению людей на глубине.

Проектировались и даже вводились в строй специальные спасательные подводные лодки. Изучались возможности адаптации человека к глубинам в сотни метров. Причем находиться на такой глубине акванавт должен был не в тяжелом водолазном скафандре, а в легком утепленном гидрокостюме с аквалангами за спиной, движения его не были ничем стеснены.

Поскольку человеческий организм состоит почти целиком из воды, то ему не опасно страшное давление на глубине само по себе. Организм надо просто готовить к нему, повышая в барокамере давление до необходимого значения. Главная проблема в другом. Чем дышать при давлении в десятки атмосфер? Чистый воздух для организма становится ядом. Его необходимо разбавлять в специально подготовленных газовых смесях, как правило, азотно-гелиево-кислородных.

Их рецептура - пропорции различных газов - самая большая тайна во всех странах, где идут аналогичные исследования. Но на очень большой глубине и гелиевые смеси не спасают. Легкие, чтобы их не разорвало, должны заполняться жидкостью. Что из себя представляет жидкость, которая, попав в легкие, не приводит к удушью, а передает через альвеолы кислород в организм – тайна из тайн.

Поэтому-то все работы с акванавтами в СССР, а затем и в России велись под грифом "совершенно секретно".

Тем не менее, есть вполне достоверная информация о том, в конце 1980-х на Черном море существовала глубоководная аквастанция, в которой жили и работали подводники-испытатели. Они выходили в море, облаченные лишь в гидрокостюмы, с аквалангами за спиной, и работали на глубинах от 300 до 500 метров. В их легкие под давлением подавалась специальная газовая смесь.

Предполагалось, что если подлодка терпит бедствие и легла на дно, то к ней направят субмарину-спасатель. Акванавтов заранее подготовят к работам на соответствующей глубине.

Самое тяжелое – суметь выдержать наполнение легких жидкостью и просто не умереть со страха.

И когда спасательная субмарина подойдет к месту бедствия, водолазы в легком снаряжении выйдут в океан, обследуют аварийную лодку и помогут эвакуировать экипаж с помощью специальных глубоководных аппаратов.

До конца те работы довести не удалось из-за распада СССР. Впрочем, тех, кто работал на глубине, все-таки успели наградить звездами Героев Советского Союза».

December 28th, 2017

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.

Лично мне конечно непонятно, почему толпы жалеющих собаку в соцсетях не кидаются защищать например мышей и кроликов, которые вообще то гибнут пачками в институтах. А еще интересно, они считают например Королева тоже жестоким и бессердечным - он то не одну собаку подарил во благо человечества. А вот , а . Ну ладно, мы не об этом вообще то.

Что это была за жидкость? Можно ли дышать жидкостью? И как обстоят дела в этой сфере научных исследований?

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.

Жидкостное дыхание, жидкостная вентиляция лёгких — дыхание с помощью хорошо растворяющей кислород жидкости. На настоящий момент проводились лишь отдельные эксперименты подобных технологий.

Жидкостное дыхание предполагает заполнение лёгких жидкостью, насыщенной растворённым кислородом, который проникает в кровь. Наиболее подходящими веществами для этой цели рассматриваются перфторуглеродные соединения, хорошо растворяющие кислород и углекислый газ, имеющие низкое поверхностное натяжение, высокоинертные, и не метаболизирующиеся 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 1970 — 1980-е годы в СССР и США. Например, в 1975 г. в институте сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева профессор Ф. Ф. Белоярцев впервые в стране выполнил работы по длительной внелёгочной оксигенации с использованием фторуглеродных оксигенаторов и по замене газовой среды в лёгких на жидкий перфторуглерод. Однако, данные эксперименты 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 использоваться при глубоководных погружениях, космических полётах, в качестве одного из средств в комплексной терапии некоторых болезней.

В РФ экспериментами и разработками в области жидкостного дыхания занимается ученый, врач, разработчик технологии и изобретатель аппарата "Жидкостного дыхания" Андрей Викторович Филиппенко. Разработки ученого известны, как в России, так и за рубежом. Филиппенко - действующий кандидат медицинских наук, специалист по жидкостному дыханию, патофизиологии легких, восстановительной медицине, фармакологическим испытаниям и разработке медицинских приборов. Выпустил более 20 научно-технических отчетов и опубликовал около 30 научных статей в российской и зарубежной печати. Выступал на множестве конференций по теме жидкостного дыхания и спасения подводников, в том числе в России, Германии, Бельгии, Швеции, Великобритании и Испании. Имеет авторские свидетельства на метод ультразвуковой локации декомпрессионных газовых пузырьков и др. В 2014 году Андрей Викторович Филиппенко заключил договор с Фондом перспективных исследований, работа с которым продлилась вплоть до 2016 года.

"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 статья 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.

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.

Источники:

«Далеко не все так просто, как было представлено сегодня. Бедная собачка». Такими словами специалисты комментируют эксперимент, продемонстрированный Дмитрием Рогозиным президенту Сербии как пример новейших научных разработок России: собака смогла дышать не воздухом, а жидкостью. Что представляет собой эта технология и может ли она помочь российским военным?

В ходе встречи в Москве с президентом Сербии Александром Вучичем вице-премьер Дмитрий Рогозин во вторник ряд новейших разработок российского Фонда перспективных исследований (ФПИ). Рогозин отметил, что сербского гостя могли бы свозить на какое-нибудь огромное промышленное предприятие, но куда интереснее «показать тот самый завтрашний день, куда мы стремимся». Таким «гвоздем программы» стал уникальный проект жидкостного дыхания, который был впервые продемонстрирован публично.

Как пояснил руководитель проекта военно-морской врач Федор Арсеньев, задача данного изобретения состоит в спасении экипажа гибнущей подводной лодки. Как известно, с глубины ниже 100 метров невозможно быстро подняться на поверхность из-за кессонной болезни. Чтобы избежать ее, на подлодке можно будет надеть аппарат с «не содержащей азота жидкостью», как передал ТАСС . Легкие человека при этом не будут сжиматься, что позволит быстро подняться на поверхность и спастись.

На глазах у сербского президента в особый резервуар с жидкостью была помещена собака – такса. За несколько минут она освоилась и начала самостоятельно «дышать» жидкостью. После сотрудники лаборатории вынули пса из резервуара, вытерли полотенцем, и президент Сербии смог лично убедиться, что собака в порядке. Вучич погладил пса и признался, что очень впечатлен.

Мечта про «человека-амфибию»

«Жидкостное дыхание как медицинская технология подразумевает вентиляцию легких не воздухом, а насыщенной кислородом жидкостью. В рамках проекта решается научная задача по изучению особенностей влияния различных переносящих кислород веществ на газообмен и другие функции клеток, тканей и органов млекопитающих», – рассказали газете ВЗГЛЯД в отделе по связям с общественностью Фонда перспективных исследований (ФПИ).

Одним из направлений является формирование медико-биологических основ технологии самостоятельной эвакуации подводников с больших глубин на поверхность, отметили в ФПИ, но технология способна вообще заметно продвинуть исследование человеком ранее не изученных морских и океанских глубин. Утверждается, что данная разработка понадобится и в медицине – например, поможет выходить недоношенных детей или людей, получивших ожоги дыхательных путей, найдет применение в лечении бронхообструктивных, инфекционных и других тяжелых заболеваний.

Нужно отметить, что жидкостное дыхание на первый взгляд кажется фантастическим вымыслом, но на самом деле имеет научную основу, и под эту идею подведена серьезная теоретическая база. Вместо кислорода ученые предлагают использовать особые химические соединения, которые способны хорошо растворять кислород и углекислый газ.

«Жидкостное дыхание» давно стало идеей фикс для ученых всего мира. Прибор «человека-амфибии» способен спасать аквалангистов и подводников, а в перспективе пригодится в длительных космических полетах. Разработки велись в 1970–1980-е годы в СССР и США, эксперименты проводились на животных, но больших успехов добиться не удалось.

Член-корреспондент РАЕН, кандидат медицинских наук Андрей Филиппенко, который продолжительное время работает над проектом жидкостного дыхания, признавался ранее газете «Совершенно секретно» , что о разработках практически ничего нельзя говорить из-за их закрытости. Но то, что средства аварийного спасения экипажей безнадежно устарели и нуждаются в скорейшей модернизации, показала трагедия подлодки «Курск».

Напомним, ранее сообщалось о других смелых проектах ФПИ, в частности это «конструктор» для создания и самолета будущего.

Наверху должна ждать реанимация

«Технология не один десяток лет отрабатывалась, но для этого нужны очень хорошо подготовленные люди. Когда человеку вливают в легкие эту жидкость – будет автоматически срабатывать инстинкт самосохранения, спазмы перекрывают горло, организм сопротивляется изо всех сил. Обычно это делается под наблюдением врачей. На людях такие опыты проводились в единичных случаях, а в основном они отрабатывались на животных», – пояснил газете ВЗГЛЯД глава Комитета при правительстве РФ по проведению подводных работ особого назначения в 1992–1994 гг., доктор технических наук, профессор, вице-адмирал Тенгиз Борисов.

«Как правило, вставляется в гортань специальная трубка, с помощью которой легкие медленно заполняются этой жидкостью, – сказал Борисов, добавив:

– При этом организм всячески сопротивляется, нужны препараты, которые блокируют спазмы, нужны анестетики. Далеко не все так просто, как было представлено сегодня. Бедная собачка».

«Если человек всплывет из подводной лодки, то он действительно избежит кессонной болезни, но самостоятельно спасаться подводники в любом случае не смогут. Нужно: а) исключительно грамотные люди на подводной лодке, б) наверху должна ждать, грубо говоря, команда реанимации, которая будет выкачивать из человека эту жидкость и заставлять его дышать обычным способом», – добавил эксперт.

«Думаю, в медицине эту технологию куда легче внедрить и применять в условиях стационара, когда рядом есть специалисты и большое количество необходимой аппаратуры. А вот спасение экипажа затонувшей субмарины такими методами в обозримом будущем крайне маловероятно», – заключил Борисов.

Это уже, наверное, клише в научной фантастике: в костюм или капсулу очень быстро поступает некое вязкое вещество, и главный герой внезапно для себя обнаруживает, как быстро он теряет остатки воздуха из собственных лёгких, а его внутренности заполняются необычной жидкостью оттенка от лимфы до крови. В конце концов он даже паникует, но делает несколько инстинктивных глотков или, скорее, вздохов и с удивлением обнаруживает - он может дышать этой экзотической смесью так, словно он дышит обычным воздухом.

Так ли мы далеки от реализации идеи жидкостного дыхания? Возможно ли дышать жидкой смесью, и есть ли в этом реальная необходимость?
Существует три перспективных пути использования этой технологии: это медицина, ныряние на большие глубины и космонавтика.

Давление на тело ныряльщика растёт с каждыми десятью метрами на одну атмосферу. Из-за резкого понижения давления может начаться кессонная болезнь, при проявлениях которой растворённые в крови газы начинают закипать пузырьками. Также при высоком давлении возможны кислородное и наркотическое азотное отравление. Со всем этим борются применением специальных дыхательных смесей, но и они не дают никаких гарантий, а лишь снижают вероятность неприятных последствий. Конечно, можно использовать водолазные скафандры, которые поддерживают давление на тело ныряльщика и его дыхательной смеси ровно в одну атмосферу, но они в свою очередь крупногабаритны, громоздки, затрудняют движение, а также очень дороги.

Жидкостное дыхание могло бы предоставить третье решение этой проблемы с сохранением мобильности эластичных гидрокомбинезонов и низких рисков жёстких скафандров. Дыхательная жидкость в отличие от дорогих дыхательных смесей не насыщает тело гелием или азотом, поэтому также отпадает необходимость в медленной декомпрессии для избежания кессонной болезни.

В медицине жидкостное дыхание можно использовать при лечении недоношенных детей, чтобы избежать повреждения недоразвитых бронхов лёгких давлением, объёмом и концентрацией кислорода воздуха аппаратов искусственной вентиляции лёгких. Подбирать и пробовать различные смеси для обеспечения выживания недоношенного плода начали уже в 90-х. Возможно использование жидкой смеси при полных остановках или частичных недостаточностях дыхания.

Космический полёт сопряжён с большими перегрузками, а жидкости распространяют давление равномерно. Если человека погрузить в жидкость, то при перегрузках давление будет идти на всё его тело, а не конкретные опоры (спинки кресла, ремни безопасности). Такой принцип использовался при создании костюма для перегрузок Libelle, который представляет из себя жёсткий скафандр, наполненный водой, что позволяет пилоту сохранять сознание и работоспособность даже при перегрузках выше 10 g.

Этот метод ограничен разницей плотностей тканей тела человека и используемой жидкостью для погружения, поэтому предел составляет 15-20 g. Но можно пойти дальше и заполнить лёгкие жидкостью, близкой по плотности к воде. Полностью погруженный в жидкость и дышащий жидкостью космонавт будет относительно слабо ощущать эффект экстремально высоких перегрузок, поскольку силы в жидкости распределяются равномерно во всех направлениях, но эффект всё равно будет из-за различной плотности тканей его тела. Предел всё равно останется, но он будет высок.

Первые эксперименты по жидкостному дыханию проводились в 60-х годах прошлого века на лабораторных мышах и крысах, которых заставили вдыхать солевой раствор с высоким содержанием растворённого кислорода. Эта примитивная смесь давала животным возможность выжить некоторое количество времени, но она не могла удалять углекислый газ, поэтому лёгким животных наносился непоправимый вред.

Позже начались работы с перфторуглеродами, и их первые результаты были куда лучше результатов экспериментов с соляным раствором. Перфторуглероды - это органические вещества, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. Перфторуглеродные соединения обладают способностью растворять как кислород, так и углекислый газ, они очень инертны, бесцветны, прозрачны, не могут нанести повреждения ткани лёгких и не усваиваются организмом.

С того момента жидкости для дыхания были улучшены, самое совершенное на данный момент решение называется перфлуброн или «Ликвивент» (коммерческое название). Эта маслоподобная прозрачная жидкость с плотностью в два раза выше плотности воды обладает множеством полезных качеств: она может нести в два раза больше кислорода, чем обычный воздух, имеет низкую температуру кипения, поэтому после использования окончательное её удаление из лёгких производится испарением. Альвеолы под воздействием этой жидкости лучше открываются, и вещество получает доступ к их содержимому, это улучшает обмен газами.

Лёгкие могут заполняться жидкостью полностью, это потребует мембранного оксигенатора, нагревающего элемента и принудительной вентиляции. Но в клинической практике чаще всего так не делают, а используют жидкостное дыхание в комбинации с обычной газовой вентиляцией, заполняя лёгкие перфлуброном лишь частично, примерно на 40% от всего объёма.

Кадр из фильма Бездна (The Abyss), 1989 год

Что же мешает нам использовать жидкостное дыхание? Жидкость для дыхания вязка и плохо выводит углекислый газ, поэтому понадобится принудительная вентиляция лёгких. Для удаления углекислого газа от обычного человека массой 70 килограммов потребуется поток 5 литров в минуту и выше, и это очень много с учётом высокой вязкости жидкостей. При физических нагрузках величина необходимого потока будет только расти, и вряд ли человек сможет двигать 10 литров жидкости в минуту. Наши лёгкие просто не созданы для дыхания жидкостью и сами прокачивать такие объёмы не в состоянии.

Использование положительных черт жидкости для дыхания в авиации и космонавтике тоже может навсегда остаться мечтой - жидкость в лёгких для костюма защиты от перегрузок должна обладать плотностью воды, а перфлуброн в два раза её тяжелей.

Да, наши лёгкие технически способны «дышать» определённой богатой кислородом смесью, но, к сожалению, пока мы можем это делать только на протяжении нескольких минут, поскольку наши лёгкие не настолько сильны, чтобы обеспечивать циркуляцию дыхательной смеси продолжительные периоды времени. Ситуация может измениться в будущем, остаётся лишь обратить наши надежды на исследователей в этой области.