Как человек может дышать под водой? Новейшие разработки в биомедицине
Дышать под водой - такая же давняя мечта человечества, как и стремление к полету.
Хорошо же путешествовать по морскому дну и в толще океана, как Садко или, хотя бы, как Ихтиандр!
Но реально задумываться о возможности обойтись под водой без водолазных приспособлений ученые начали более века назад. В 20 веке рассматривались 3 концепции: использование жабр, кислорододобывающие мембраны и жидкостное дыхание.
Возможность приживления жабр от акулы описана в романе Беляева «Человек-амфибия». Однако то, что путь это тупиковый, исследователи поняли сразу. Не говоря уже о сложности с приживлением тканей от другого вида, для нормальной жизнедеятельности человека нужно 20%+ кислорода в дыхательной среде, а в воде растворено не более 2,7%. Для теплокровных организмов этого слишком мало.
Искусственные жабры пока создать не удалось. Одно из возможных из технических решений – применение оксигенатора мембранного типа. В романе советского писателя-фантаста Павлова «Акванавты», изданном в 1968 году, применяются комбинезоны-мембраны. Они срастаются с тканями и начинают работать с кровеносной системой носителя.
В настоящее время работы по созданию искусственных жабр так и не вышли из стадии экспериментов. Известно, что костюм, способный извлекать кислород из морской воды создал японский изобретатель Юн Камей, использовав особое пористое гидрофобное вещество.
Изобретатель применил принцип, который используют некоторые насекомые, удерживающие тончайший воздушный слой на коже, обладающей гидрофобными свойствами. Костюм может поддерживать дыхание под водой и восполнять уровень кислорода из воды, при этом рассеивая в окружающую среду диоксид углерода.
Но пока костюм не может полностью обеспечить потребности человека в нормальном дыхании. Технология очень интересная, но говорить о финальной реализации пока рано.
Есть еще одна хитрая технология. Насытить жидкость кислородом настолько, что ей можно будет дышать!
Впервые этим озадачился ученый из Нидерландов Йоханнес Килстрай. В конце 80-х годов прошлого века он наглядно показал, что мыши могут дышать жидкостью, насыщенной кислородом. При этом мыши, помещенные в емкость с жидкостью, не только жили, но и передвигались.
Направлением одновременно занимались исследователи из США и СССР. В обеих странах в 1970-1980-хх годах активно проводились эксперименты, конечной целью которых было освоение безопасного жидкостного дыхания при повышенном давлении.
Даже без применения искусственных жабр технология позволяла переносить погружения на большие глубины, избавиться от проблемы декомпрессии и пьянящего воздействия газовых смесей.
В нашей стране вопросом в 80-х годах прошлого века вопросом занималась исследовательская группа из 1500 человек.
Большие средства в разработку вложили в США, но зашли в тупик. Американские ученые пошли по тупиковому направлению и были вынуждены свернуть работы. В частности они пытались заполнять жидкостью только одно из легких. Также применялись системы искусственной вентиляции легких. Это громоздкая аппаратура, в случае выхода которой из строя у водолазов не оставалось шанса на выживание. Достаточно трудно представить, что с такими устройствами можно самостоятельно передвигаться.
Но основной проблемой были примеси в жидкости. Даже малейшие отклонения от идеала приводили к фатальным последствиям – подопытные животные задыхались и умирали. Однако в США в 70-х годах эксперимент был проведен на добровольце. Им стал дайвер Фрэнк Фалейчик. В ходе испытания использовался насыщенный кислородом физиологический раствор. Фрэнк смог его вдохнуть, но возникли трудности при удалении жидкости из легких. Испытатель остался жив, но заработал пневмонию.
В СССР группа под руководством врача Андрея Филиппенко смогла добиться успеха. Удалось получить фторуглеродную жидкость высокой чистоты. Мыши и даже собаки в такой жидкости могли дышать, двигаться, откликались на голосовые команды.
Время дыхания жидкостью ограничивалось двумя часами. После эксперимента животные чувствовали себя хорошо. У них не развивались болезни, появлялось потомство.
Главной проблемой стало ограничение пребывания в жидкости двумя часами. Хотя перфторуглерод хорошо снабжал ткани кислородом, удалял углекислый газ он гораздо хуже. Но даже такое ограниченное время могло помочь при глубоководных погружениях, спасении экипажей подводных аппаратов.
В 1991 году был запланирован ряд экспериментов на добровольцах. Программа была свернута под предлогом экономии средств. Сейчас Андрей Филиппенко под эгидой российского Фонда перспективных исследований (ФПИ) снова занимается этой перспективной темой.
Технология может найти применение для погружения аквалангистов на большие глубины, спасения экипажей подводных лодок и батискафов. При жидкостном дыхании становится ненужной длительная декомпрессия, увеличивается диапазон глубин, доступных для аквалангиста. Можно быстрее погружаться на глубину и подниматься на поверхность.
Жаль, нельзя ей хотя бы частично заполнить океан, чтобы могли и простые смертные погрузиться в пучину. Хотя, вероятно, когда-нибудь и в океане сделают подобные бассейны.
Также кислородосодержащую жидкость можно использовать для терапии недоношенных младенцев с нарушениями дыхания, лечения людей с легочными болезнями и повреждениями.
Есть и еще одно необычное применение дыхательных жидкостей. Человек, который дышит насыщенной кислородом жидкостью может переносить большие перегрузки. Поэтому ее можно использовать для летчиков на военных самолетах и космических кораблях.
Андрей Золотов, специально для канала "Популярная наука"
