Идея известного фантастического романа Александра Беляева«Человек-амфибия» скоро, возможно, станет реальностью. Ученыеразработали инновационный метод дыхания для водолазов. У акванавтапоявятся искусственные жабры, а дышать он будет жидкостью. Покорение водной стихии станет возможным благодаря новой технологии, покоторой водолаз будет получать необходимый кислород из жидкого раствора,а углекислый газ должен выделяться через искусственные жабры прямо вморскую воду. Автором концепции является Арнольд Ланде, отставнойхирург, специализировавшийся на кардиоторакальных операциях. Он подалзаявку на получение патента на изобретение, которое, по его мнению,может стать реальностью уже через несколько лет. Это будет, как надеетсяЛанде, революционным переворотом в истории глубоководных погружений.

Превращение в Ихтиандра

Представьте себе такую картину. На борту корабля водолаза готовят кпогружению. Врач устанавливает в бедренную вену два длинных катетера,которые трубками соединяются с искусственными жабрами в рюкзакеакванавта. Теперь его кровь циркулирует через устройство, котороеабсорбирует растворенный в ней углекислый газ. Аквалангист надеваетмаску и, убедившись в исправности системы кислородоснабжения, начинаетпогружение. В воде он подсоединяет рюкзак к винтовой торпеде, в которойнаходятся баллон с кислородом и аккумулятор питания для жабр и другогооборудования.

На глубине 10 м, где давление составляет 2 атмосферы, воздух в маскезаменяется специальной жидкостью, в которой можно растворить огромноеколичество кислорода. С помощью местного анестетика водолаз легкопреодолевает рефлекс непроизвольного сжатия мускулатуры гортани, которыйв обычной ситуации не дал бы ему захлебнуться. Как только легкиезаполняются раствором, рефлекторное сжатие прекращается, кислородпоступает в кровь, а в это время искусственные жабры начинают очищать ееот углекислого газа. Дышать жидким раствором (то есть обеспечивать егоциркуляцию в легких) трудно, но специальное приспособление, такназываемая кираса, облегчает эту задачу.

Рекорды глубоководных погружений

Атмосферный (нормобарический) водолазный костюм. Он представляет собойжесткую конструкцию и поддерживает внутреннее давление в 1 атмосферу,позволяя погрузиться на большие глубины. Атмосферные скафандрыесть в ВМФ России и позволяют вести работы на глубине 610 м.

Метод длительного пребывания. Этот метод предполагает предварительнуюкомпрессию водолаза. Он переходит в колокол, где постепенно повышаетсядавление до уровня, соответствующего глубине погружения. Колоколпогружают до заданной глубины, и непосредственно из него водолаз выходитв воду. По завершении работ он возвращается в колокол, где его оченьмедленно возвращают к привычному атмосферному давлению. Процесс можетзанять от нескольких недель до нескольких месяцев (часто эта операцияпроводится в стационарной барокамере на борту судна под наблюдениемврачей). Рекордное погружение-710 м.

Теперь водолаз полностью готов к глубоководному погружению, где давлениеизмеряется сотней атмосфер. Жидкий раствор в легких не будет сжиматься,поэтому им не угрожает колоссальное давление воды. Акванавт получаетвозможность работать в течение нескольких часов, после чего он быстро ибез остановок поднимается на поверхность.

Если бы при погружении он использовал дыхательную смесь на основевоздуха, это было бы самоубийством. Воздух на 80% состоит из азота, и сувеличением давления по мере погружения аквалангиста на глубину этот газпроникает в ткани организма. Если же в процессе всплытия давлениепонижается слишком быстро, азот начинает выделяться в кровоток человекаподобно пузырькам газировки и блокирует питание тканей кровью,насыщенной кислородом. Это приводит к развитию декомпрессионной(кессонной) болезни, которая может повлечь повреждение мозга, паралич идаже смерть.

Но с новой дыхательной системой «кессонка» водолазу не грозит. Он дышиттолько чистым кислородом через раствор, и его подъем к поверхности можетпроходить быстро. За 10 м до поверхности человек принимает положениевниз головой, чтобы под действием силы тяжести жидкость ушла из легких ион снова мог вдыхать обычную воздушную смесь. На борту он еще некотороевремя получает кислород через маску, пока врач отключает его отискусственных жабр.

Хомяки-глубоководники

Опыты на животных доказывают, что глубоководное погружение скислородообеспечением через жидкость в принципе возможно. ПрофессорТомас Шаффер, директор Научно-исследовательского пульмонологическогоцентра Немур (США), проводил эксперименты с хомяками, которые дышаличерез обогащенный кислородом раствор перфторуглерода (ПФУ). Под наркозомхомяков помещали в напорный бак, где создавалось давление,эквивалентное давлению воды на глубине до 300 м. «Мы извлекали хомяковиз бака и возвращали их в условия атмосферного давления менее чем засекунду. Все животные выжили. Глубоководное погружение с жидкостнымдыханием возможно, но, разумеется, это связано с определенными рискамидля водолазов», - говорит Томас Шаффер.

Арнольд Ланде не считает, что дыхание в жидкости будет самой большойпроблемой: «Исследования 1960-1980-х годов ясно показали, что дыхание вспециальной жидкости - идеальный способ кислородообеспечения водолазовпри погружении на большие глубины».

Риск развития декомпрессионной болезни при использовании традиционноговодолазного снаряжения привел к тому, что водолазы редко отваживаютсяпогружаться глубже 70 м. Пока никто не может сказать, на какуюмаксимальную глубину позволяет опуститься изобретение Ланде. По егословам, километр - это реально.

Казалось бы, проблему кессонной болезни можно было бы решить, простообеспечив водолаза возможностью дышать чистым кислородом, а не воздухомили дыхательной смесью. Но, к сожалению, кислород в больших количествах -это яд. Немногим лучше и замена атмосферного азота химически пассивныминертным газом - к примеру, гелием.

Единственное решение - это высоконасыщенный кислородом жидкий раствор.Мы не рыбы, у нас нет жабр, которые могли бы поглощать из окружающейводной среды кислород и выделять углекислый газ. К тому же в водекислорода в десятки раз меньше, чем в воздухе. Поэтому попадание вдыхательную систему человека воды или других инородных предметов исубстанций приводит к прекращению дыхания и асфиксии, то есть удушению.Кроме того, обычная или соленая вода отличаются по своему составу открови, и осмотические явления на альвеолярном уровне приводят кразрушению легочных тканей и самой крови. Но совсем по-иному легкиереагируют на перфторуглерод, в котором содержание кислорода может бытьдо 20 раз больше, чем в воде, и втрое больше, чем в крови.

Углекислый газ из крови удалят искусственные жабры

ПФУ химически инертен и нетоксичен. Когда он заполняет легкие, в кровьпоступает достаточное количество кислорода, к тому же раствор защищаетлегкие от повреждений, вызываемых чистым кислородом в газообразнойформе. На настоящий момент проводилось немало экспериментов на мышах идругих мелких млекопитающих. Животные полностью погружались в контейнер сраствором и дышали ПФУ, но постепенно уставали, потому что плотность ивязкость раствора требует гораздо больших мускульных усилий. Этупроблему Арнольд Ланде собирается решить за счет примененияпояса-кирасы.

Кираса работает по принципу аппарата искусственного дыхания, которыйпомогает парализованным больным дышать, облегчая вдох за счет снижениядавления на грудную клетку, а выдох - за счет создания избыточногодавления. Кираса обязана своим названием классическим римским доспехам,она опоясывает грудную клетку водолаза и обеспечивает еготрудоспособность в течение нескольких часов.

Синтетические жабры будут извлекать кислород из морской воды

Мечта о свободном перемещении под водой может стать реальностью, еслинаучиться добывать кислород прямо из морской воды и тем самым избавитьсяот необходимости баллонов с дыхательной смесью или кислородом. УАрнольда Ланде имеется на этот счет одна идея. Концепция основана насвойствах гемоглобина, дыхательного пигмента нашей крови, который внейтральной или щелочной среде поглощает кислород и выделяет его вкислой среде. Для создания синтетических жабр Ланде планируетиспользовать гемоглобин аллигаторов, который в холодной морской водеработает лучше, чем гемоглобин млекопитающих.

Принцип заключается в том, что углекислый газ через жабры просачиваетсяиз крови в морскую воду, вто время как кислород, напротив, из морскойводы через жабры поступает в кровь. Под воздействием углекислого газа изкрови водолаза гемоглобин начинает выделять кислород. И посредствомуникальной системы из нескольких резервуаров, разделенных пористымимембранами,кислород постепенно адсорбируется в постоянно меняющих своюконцентрацию растворах гемоглобина. В итоге кислород поступает в растворПФУ, которым дышит водолаз.

Прежде чем жидкостное дыхание можно будет применить на практике приглубоководных погружениях, придется решить еще одну проблему. Необходимонаучиться очищать кровь от углекислого газа, который обычно выводитсяиз организма при выдохе. Если концентрация данного газа в крови станетслишком высокой, это может привести к смерти.

Избежать этого помогут искусственные жабры. Их принцип работы основан наприменении мембраны, через которую диффундирует углекислый газ, когдаего концентрация на одной из сторон мембраны становится выше, чем надругой. В результате углекислый газ из крови водолаза выводится вокружающую морскую воду. На практике жабры будут состоять из пучковполых волокон, каждое из которых представляет собой отдельную мембрану.Чтобы предотвратить сгущение крови и образование тромбов, волокна будут сбольшим внутренним диаметром.

Сердце хорошо тренированного водолаза прокачивает около 25 литров крови вминуту по всему телу. Многочисленные эксперименты показали, что длядейственного удаления углекислого газа через искусственные жабрыдостаточно будет пропускать всего 5 литров крови в минуту - как разстолько, сколько можно легко вывести из большой бедренной вены и ввестиобратно. Арнольд Ланде считает, что, если приложить определенные усилияпо целенаправленному усовершенствованию данной концепции, его методможет стать реальностью уже через несколько лет.

Сначала все эксперименты и испытания будут проводиться на животных влабораторных условиях. Ланде планирует максимально использоватьсуществующие технологии: усовершенствовать кирасу, ранее применявшуюся вмедицинских экспериментах на животных, и адаптировать ее дляпоставленной цели. Затем необходимо изготовить искусственные жабры,чтобы они могли абсорбировать из крови углекислый газ.

Следующим шагом будут эксперименты под давлением - в барокамере, котораяиспользуется для лечения декомпрессионной болезни. Далее последуютэксперименты в бассейне. Если первые этапы работы пройдут успешно,животных переместят в глубокий бассейн. В серии заключительныхэкспериментов Ланде планирует погрузить подопытных с помощью подводноймини-лодки на дно моря и проверить работу системы жидкостного дыхания иискусственные жабры. «Если они не погибнут и не будут травмированы врезультате погружения на большую глубину, мы сможем перейти к испытаниюсистемы с участием водолазов», - говорит Арнольд Ланде.

В экспериментах на людях безопасность будет удвоена за счет дублированиякритически важных систем. Планируется присоединить две независимыесистемы жабр к обоим бедрам: одну - для страховки на случай сбоя.Разумеется, погружение с жабрами потребует добровольного согласияводолаза. Но по этому поводу Ланде нисколько не беспокоится. К нему ужеобратились несколько смельчаков, которые не прочь попробовать нырнутьглубже, чем это когда-либо удавалось человеку.

Источник: Журнал Иллюстрированная наука