И снова мыши
Сначала ученые опускали мышей в специальный раствор (стерофундин), затем помещали в обычную и соленую воду, которую насыщали кислородом под давлением 160 атмосфер, а после мышей опускали в емкость с водой и проверяли, сколько они смогут там продержаться. Оказалось, что мыши оставались живыми до 18 часов. Правда, на воздух они уже извлекались мертвыми, так как не удавалось полностью избавиться от воды в легких.
В последующие годы другие исследователи тоже проводили подобные эксперименты, причем «топили» не только мышей, но уже и кошек. Животные выживали, но у них оставались серьезные проблемы с легкими.
А в 1977 году в Медицинском центре Университета Дьюка впервые такой эксперимент провели на человеке. Подопытным оказался 49-летний Фрэнк Фалейчик, которому залили одно легкое раствором соли, а другим Фрэнк продолжал дышать. Задачей эксперимента было проследить, как легкое реагирует на поток жидкости и как идет газообмен.
Эксперимент прошел успешно, правда впоследствии у мужчины развилась пневмония.
Суперсложный аппарат
Вторая проблема с жидкостным дыханием — оно требует крайне сложного оборудования, которое будет на порядок сложнее и дороже традиционных водолазных устройств и аквалангов.
Еще одна проблема — выведение углекислого газа. Для этого во фторуглеродную жидкость необходимо добавлять дополнительные компоненты, которые будут поглощать углекислоту. Эти компоненты нужно тоже очищать и заменять. Кроме того, на глубине 100-200 метров температура воды фактически не превышает плюс 4 градуса Цельсия, а значит, надо подогревать эту смесь, чтобы поддерживать ее температуру на уровне около 20 градусов.
Принципиальная схема аппарата для жидкостного дыхания из магистерской диссертации 1989 года
«Такой жидкостный акваланг — очень непростое устройство, и если вдруг случится какая-то заминка — электрическая, механическая, электронная, то аппарат останавливается, человек умирает. Я вижу здесь колоссальные проблемы, это очень рискованно даже в нормальных условиях — доверять жизнь человека такому аппарату, и сомневаюсь, что его можно с успехом использовать в экстремальной ситуации», — говорит ученый.
Человек-амфибия
Итак, давайте разберемся, для чего нужна такая технология и стоит ли рисковать жизнью животных и людей ради нее. На самом деле перспективы использования водного дыхания заманчивы: можно нырять на огромные глубины, при этом не заработать кессонную болезнь. Такая технология может быть очень полезна для водолазов и подводников.
Сейчас максимальная глубина, на которую можно безопасно погрузиться, — 700—800 метров. Например, если потребуется срочно эвакуировать людей с подводной лодки, находящейся на глубине 1 километр, это будет невозможно и люди погибнут. Самая большая глубина, на которую человек может безопасно погрузиться без жестких скафандров, — до 500 метров.
Сложный аппарат
Процесс создания технологии жидкостного дыхания только на первый взгляд кажется не особо сложным, но на самом деле он требует больших усилий для конструирования сложного оборудования. Нужно изобрести аппарат, который будет постоянно насыщать дыхательную жидкость кислородом, прогоняя ее через наши легкие. Если такого процесса не будет, то дышать жидкостью будет невозможно. (Для животных — мышей или собак — такого аппарата не нужно, поскольку их легкие справляются с ситуацией при помощи межреберных мышц.)
Но на этом сложности не заканчиваются: ученые заявляют, что нужно еще и выводить углекислый газ из организма, для этого должны быть специальные компоненты, поглощающие углекислоту. Не стоит забывать, что с погружением температура воды падает: на глубине 100—200 метров она не превышает и +4 градусов. По расчетам специалистов, нужно постоянно поддерживать температуру фторуглеродной жидкости на уровне 20 градусов.
Подводя итог: почти за 60 лет ученые не очень продвинулись в этом направлении, так как до сих пор не было экспериментов с полным погружением человека. Возможно, недавние события помогут исследователям ускорить работу над сложной, но полезной технологией.
От мышей к собакам
Почти 60 лет назад, в 1962 году, Йоханнес Кильстра из университета Лейдена вместе с несколькими коллегами впервые провел серию экспериментов по жидкостному дыханию. Он поочередно погружал мышей в специальный раствор (стерофундин), обычную воду и морскую воду, которые насыщались кислородом под давлением 160 атмосфер, и проверял, долго ли они смогут выжить в таких условиях. Оказалось, что мыши в стерофундине оставались живыми до 18 часов. Правда, вернуться «на сушу» им уже не удавалось — они погибали из-за того, что не могли полностью избавиться от жидкости в легких.
Водой, точнее растворенным в воде кислородом, можно дышать, как это делают рыбы. Но концентрации, которой достаточно рыбам, не хватает млекопитающим: для них доля кислорода должна быть не менее 10-15 процентов. В 1966 году Лиланд Кларк и Фрэнк Голлан в экспериментах на мышах и кошках добились того, что животные выживали в течение недель после того, как дышали во фторуглеродной жидкости, которая может удерживать значительно больше кислорода, чем вода. Все они получили повреждения легких, но авторы надеялись, что к моменту, когда придет время экспериментов на людях, будет найдены более щадящие способы перехода от жидкостного дыхания к обычному.
В 1977 году Кильстра, который к тому времени перебрался в Медицинский центр университета Дьюка, впервые провел эксперимент на человеке. 49-летнему Фрэнку Фалейчику (Frank Falejczyk) залили одно легкое раствором соли (другим он дышал воздухом) и проследили за тем, как это легкое реагирует на поток жидкости и как идет газообмен. Фалейчик благополучно перенес эксперимент, хотя впоследствии у него развилась пневмония.
В Советском Союзе похожие программы начали разрабатывать в конце 1960-х годов, когда начались эксперименты в лаборатории гидробионики в Киеве, а в 1980-х годах была запущена программа «Перфторуглероды в биологии и медицине», инициаторами которой стали Генрих Иваницкий, Феликс Белоярцев и Иван Кнунянц. Однако главной задачей программы было создание эффективных кровезаменителей. И они были созданы — искусственная кровь на базе перфторуглеродов даже применялась во время войны в Афганистане.
Применение технологий жидкостного дыхания обещает массу преимуществ: благодаря несжимаемости жидкости можно уравнивать давление между водолазом и водной средой, исключается угроза кессонной болезни, можно обеспечить спасение подводников и водолазов. Именно для этого Фонд перспективных исследований, российский аналог DARPA, в апреле 2016 года одобрил программу создания технологий жидкостного дыхания на базе НИИ медицины труда.
Почему же спустя полвека после первых экспериментов эта технология еще не внедрена в широкую практику?
Предельная глубина
«Теоретически эта идея выглядит очень заманчиво. Например, захочет человек понырять на сверхбольшие глубины. На суше ему заполняют легкие жидкостью, он ныряет, плавает на глубине — свободно, без декомпрессии, с аппаратом, который насыщает жидкость кислордом, — говорит Суворов. — Но сейчас уже достоверно установлено, что основным пределом, препятствующим погружению человека на сверхбольшие глубины, является не проблемы с газообменом, а влияние давления в чистом виде».
Начиная с глубины 300 метров, высокое давление начинает действовать непосредственно на нервную систему человека, развивается нервный синдром высокого давления (НСВД) — начинается дрожание рук, ухудшается координация движений, самоконтроль и внимание, появляется сонливость. Суворов и его коллеги имитировали в ИМБП возможное использование газовых смесей на глубинах до полутора километров и больше и установили, что человек по дыханию может идти на глубину полтора-два километра
«Но против НСВД средств нет. Поэтому сейчас все эти погружения на сверхбольшие глубины остановились на глубине 700-800 метров, дальше человеческий организм нам погружаться не дает. Поэтому если подводная лодка окажется на глубине километр, человек оттуда всплыть не сможет. В реальности человек без жестких скафандров может переносить глубину до 500 метров», — поясняет Суворов.
