Чем дышат под водой
Алексей Павлюц
Личный сайт
Дайвинг, газы. Понимание принципов за 10 минут (keynotes)
Хотелось бы обобщить информацию о принципах дайвинга в части газов для дыхания в формате keynotes, т.е. когда понимание нескольких принципов избавляет от необходимости запоминания множества фактов.
Итак, для дыхания под водой необходим газ. Как наиболее простой вариант — запас воздуха, представляющий собой смесь кислорода (∼21%), азота (∼78%) и других газов (∼1%).
Главным фактором является давление окружающей среды. Из всех возможных единиц измерения давления мы будем использовать «абсолютную техническую атмосферу» или АТА. Давление на поверхности составляет ∼1 АТА, каждые 10 метров погружения в воду добавляют к нему ∼1 АТА.
При погружении давление воздействует на нас всеобъемлюще. Регулятор поддерживает давление воздуха в системе дыхания, примерно равное давлению окружающей среды, меньшее ровно на столько, на сколько необходимы для «вдыхания». Так, на глубине в 10 метров вдыхаемый из баллона воздух имеет давление около 2 АТА. Аналогичное абсолютное давление будет наблюдаться во всем нашем организме. Таким образом, парциальное давление кислорода на этой глубине составит ∼0,42 АТА, азота ∼1,56 АТА
Воздействие давления на организм заключается в следующих ключевых факторах.
1. Механическое воздействие на органы и системы
Его мы рассматривать подробно не будем, вкратце — человеческий организм имеет ряд заполненных воздухом полостей и резкое изменение давления в любую сторону вызывает нагрузку на ткани, мембраны и органы вплоть до механических повреждений — баротравм.
2. Насыщение тканей газами
При погружении (увеличении давления) парциальное давление газов в дыхательном тракте — выше чем в тканях. Таким образом газы насыщают кровь, а через кровоток насыщаются все ткани организма. Скорость насыщения различна для разных тканей и характеризуется «периодом полунасыщения», т.е. временем, в течение которого при постоянном давлении газа разница парциальных давлений газа и тканей уменьшается вдвое. Обратный процесс называют «рассыщением», он происходит при всплытии (уменьшении давления). В этом случае парциальное давление газов в тканях выше, чем давление в газа в легких, идет обратный процесс — газ из крови выделяется в легких, кровь с уже меньшим парциальным давлением циркулирует по организму, из тканей газы переходят в кровь и снова по кругу. Газ всегда движется от большего парциального давления к меньшему.
Принципиально важно, что разные газы имеют разную скорость насыщения/рассыщения, обусловленную их физическими свойствами.
Растворимость газов в жидкостях тем больше, чем выше давление. В случае, если количество растворенного газа больше предела растворимости при данном давлении — происходит выделение газа, в том числе концентрация в виде пузырьков. Мы это наблюдаем каждый раз, как вскрываем бутылку газированной воды. Так как скорость выведения газа (рассыщения тканей) ограничена физическими законами и газовым обменом через кровь, слишком быстрое падение давления (быстрое всплытие) может привести к образованию пузырьков газа непосредственно в тканях, сосудах и полостях организма, нарушая его работу вплоть до летального исхода. Если давление падает медленно, то организм успевает вывести «лишний» газ за счет разницы парциальных давлений.
Для расчетов этих процессов используются математические модели тканей организма, наиболее популярной является модель Альберта Бюльмана, которая учитывает 16 видов тканей (компартментов) со временем полунасыщения/полурассыщения от 4 до 635 минут.
Наибольшую опасность представляет инертный газ, имеющий максимально большое абсолютное давление, чаще всего это — азот, который составляет основу воздуха и не участвует в метаболизме. По этой причине основные расчеты в массовом дайвинге проводятся по азоту, т.к. воздействие кислорода в плане насыщения на порядки меньше, при этом оперируют понятием «азотная нагрузка», т.е. остаточное количество растворенного в тканях азота.
«Продвинутые» дайверы используют дайв-компьютеры, которые динамически рассчитывают насыщение по моделям в зависимости от газа и давления, в том числе рассчитывают «компрессионный потолок» — глубину, всплытие выше которой потенциально опасно исходя из текущего насыщения. При сложных погружениях компьютеры дублируются, не говоря уже о том, что одиночные погружения как правило не практикуются.
3. Биохимическое воздействие газов
Наш организм максимально адаптирован к воздуху при атмосферном давлении. При увеличении давления газы, даже не участвующие в метаболизме воздействуют на организм самым разным образом, при этом воздействие зависит от парциального давления конкретного газа. Для каждого газа существуют свои пределы безопасности.
Кислород
Являясь ключевым участником нашего метаболизма, кислород — единственный газ, имеющий не только верхний, но и нижний предел безопасности.
Нормальное парциальное давление кислорода ∼0,21 АТА. Потребность в кислороде сильно зависит от состояния организма и физических нагрузок, теоретический минимально необходимый уровень для поддержания жизнедеятельности здорового организма в состоянии полного покоя оценивается в ∼0,08 АТА, практический — в ∼0,14 АТА. Снижение уровня кислорода от «номинального» в первую очередь сказывается на способности к физической активности и может вызвать гипоксию, или кислородное голодание.
В то же время высокое парциальное давление кислорода вызывает широкий спектр негативных последствий — кислородное отравление или гипероксию. Особую опасность при погружении имеет ее судорожная форма, выражающуюся в поражении нервной системы, судорогах, что влечет за собой риск утопления.
Для практических целей дайвинга принято считать пределом безопасности ∼1,4 АТА, пределом умеренного риска — ∼1,6 АТА. При давлении выше ∼2,4 АТА в течение длительного времени вероятность кислородного отравления стремиться к единице.
Таким образом, несложным делением предельного уровня кислорода 1,4 АТА на парциальное давление кислорода в смеси можно определить максимальное безопасное давление среды и установить, что абсолютно безопасно дышать чистым кислородом (100%, 1 АТА ) можно на глубинах до ∼4 метров (. ), сжатым воздухом (21%, 0,21 АТА) — до ∼57 метров, стандартным «нитрокс-32» с содержанием кислорода 32% (0,32 АТА) — до ∼34 метров. Аналогично можно посчитать пределы для умеренного риска.
Необходимо принимать во внимание, что повышенное парциальное давление кислорода в любом случае оказывает воздействие на нервную систему и легкие, причем это разные виды воздействия. Кроме того, воздействие имеет свойство накапливаться при серии погружений. Для учета воздействия на ЦНС используется понятие «кислородного лимита» как расчетной единицы, с помощью которой определяются безопасные лимиты для разового и суточного воздействия. Подробно с таблицами и расчетами можно ознакомиться здесь.
Помимо этого, повышенное давление кислорода негативно воздействует на легкие, для учета этого явления используются «единицы кислородной выносливости», которые рассчитываются по специальным таблицам, соотносящим парциальное давление кислорода и количество «единиц в минуту». Для примера, 1.2 АТА дает нам 1.32 OTU в минуту. Признанный лимит безопасности составляет 1425 единиц в сутки.
Из вышесказанного в частности должно быть понятно, что для безопасного пребывания на больших глубинах требуется смесь с пониженным содержанием кислорода, которая непригодна для дыхания при меньшем давлении. Например, на глубине 100 метров (11 АТА) концентрация кислорода в смеси не должна превышать 12%, а на практике будет еще ниже. Дышать такой смесью на поверхности невозможно.
Азот не метаболизируется организмом и не имеет нижней границы. При повышенном давлении азот оказывает отравляющее воздействие на нервную систему, сходное с наркотическим или алкогольным опьянением, известное как «азотный наркоз«.
Механизмы воздействия точно не выяснены, границы воздействия сугубо индивидуальны, и зависят как от особенностей организма, так и от его состояния. Так, известно, что усиливает воздействие состояние усталости, похмелья, все виды угнетенного состояния организма типа простудных заболеваний и т.д.
Незначительные проявления в виде состояния, сравнимого с легким опьянением возможны на любых глубинах, действует эмпирическое «правило мартини», согласно которому воздействие азота сравнимо с бокалом сухого мартини натощак на каждые 10 метров глубины, что не представляет опасности и добавляет хорошего настроения. Накопленный при регулярных погружениях азот так же влияет на психику сродни легким наркотикам и алкоголю, чему автор сам свидетель и участник. Проявляется в ярких и «наркотических» снах, в частности, действует в пределах нескольких часов. И таки да, дайверы — немного наркоманы. Азотные.
Опасность представляют сильные проявления, которые характеризуются стремительным нарастанием вплоть до полной потери адекватности, ориентации в пространстве и времени, галлюцинаций, что может привести к гибели. Человек может запросто рвануть на глубину, потому что там клево или он там что-то якобы увидел, забыть, что он под водой и «вдохнуть полной грудью», выплюнув загубник и т.д. Само по себе воздействие азота не летально и даже не вредно, однако последствия в условиях погружения могут быть трагичны. Характерно, что при снижении давления эти проявления так же стремительно проходят, иногда достаточно подняться всего на 2..3 метра чтобы «резко протрезветь».
Вероятность сильного проявления на глубинах, принятых для рекреационного дайвинга начального уровня (до 18 м, ∼2,2 АТА ) оценивается как очень низкая. По имеющейся статистике случаи тяжелого отравления становятся довольно вероятны с 30 метров глубины (∼3,2 АТА), и далее вероятность растет по мере роста давления. В то же время люди с индивидуальной устойчивостью могут не испытывать проблем и на куда больших глубинах.
Единственным способом противодействия является постоянный самоконтроль и контроль напарника с немедленным уменьшением глубины в случае подозрения на азотное отравление. Использование «нитрокса» снижает вероятность азотного отравления, естественно, в пределах ограничений по глубинам, обусловленных кислородом.
Гелий и другие газы
В техническом и профессиональном дайвинге используют и другие газы, в частности, гелий. Известны примеры использования в глубинных смесях водорода, и даже неона. Эти газы отличаются высокой скорость насыщения/рассыщения, отравляющие эффекты гелия наблюдаются при давлении более 12 АТА и могут быть, как ни парадоксально, компенсированы азотом. Однако широкого применения они не имеют за счет высокой стоимости, поэтому столкнуться с ними дайверу средней руки фактически невозможно, а уж если читателя действительно интересуют такие вопросы — то ему уже надо использовать профессиональную литературу, а не этот скромный обзор.
При использовании любых смесей логика расчетов остается такой же, как описано выше, только используются специфические для каждого газа лимиты и параметры, а для глубоких технических погружений обычно используются несколько разных составов: для дыхания на пути вниз, работы внизу и поэтапного пути вверх с декомпрессией, составы этих газов оптимизируются исходя из описанной выше логики их движения в организме.
Практическое заключение
Понимание этих тезисов позволяет придать осмысленность многим даваемым на курсах ограничениям и правилам, что совершенно необходимо как для дальнейшего развития, так и для правильного их нарушения.
Нитрокс рекомендован к использованию при обычных погружениях, ибо он снижает азотную нагрузку на организм даже если Вы остаетесь полностью в пределах ограничений рекреационного дайвинга, это лучшее самочувствие, больше удовольствия, легче последствия. Однако, если Вы собираетесь нырять глубоко и часто — надо помнить не только о его преимуществах, но и о возможной кислородной интоксикации. Всегда лично проверяйте уровни кислорода и определяйте свои лимиты.
Азотное отравление — наиболее вероятная из проблем, с которыми можно столкнуться, всегда будьте внимательны к себе и партнеру.
Отдельно хотелось бы обратить внимание, что прочтение данного текста не означает, что читатель освоил полный набор информации для понимания работы с газами при сложных погружениях. Для практического применения этого совершенно недостаточно. Это только стартовая точка и базовое понимание, не более того.
Всегда оставайтесь в пределах своих знаний и физических возможностей! Удачи!
Дайвинг
Дыхательные смеси для дайверов
Чем дышат дайверы под водой? Дайверы-аквалангисты всегда использовали специальные газовые смеси с изменяемым процентным содержанием нужного для дыхания кислорода. До 90-х годов прошлого столетия самой распространенной дыхательной смесью был обыкновенный воздух (в среднем 79% азота и 21% кислорода) сжатый и очищенный от пыли, влаги и вредных примесей специальными фильтрами. Однако, воздух, которым мы дышим на поверхности, не является идеальной газовой смесью для дыхания под водой. Использование воздуха для дыхания на достаточно больших глубинах таит в себе, прежде всего, опасность азотного наркоза. Азот под давлением быстро накапливается в крови и тканях организма. Кроме того, растворяясь в тканях, он блокирует прохождение нервных импульсов. При превышении критической концентрации может приводить к кессонной болезни во время всплытия. Таким образом, использование воздуха накладывает существенные ограничения по глубине и времени пребывания дайвера под водой.
Если увеличить количество кислорода (более 21%) и уменьшить количество азота, получится обогащенный воздух. Он позволяет дайверу дольше находиться под водой, без риска получить кессонную болезнь. Однако кислород при повышенном давлении ядовит, поэтому, чем больше его концентрация, тем меньше безопасная глубина погружения и короче время. При дыхании чистым кислородом погружение глубже 6 метров уже опасно.
Пробовали заменять азот гелием в, так называемых, геликсных смесях. Но на достаточно больших глубинах они оказывают возбуждающее действие. Сейчас ими почти не пользуются.
В поисках оптимального варианта стали смешивать гелий, азот и кислород. Полученные дыхательные смеси назвали тримиксными. При соответствующем подборе компонентов для заданного диапазона глубины возбуждающее действие гелия компенсируется тормозящим действием азота, а кислорода добавляется столько, чтобы его хватало для дыхания, но концентрация не была ядовитой. На таких смесях плавают и на самых больших глубинах. Эту смесь используют и при спасении из подводных лодок на глубине до 500 метров. У геликсных и тримиксных смесей есть общий недостаток: они дорогие.
Еще один класс — обедненный воздух. В нем концентрация кислорода менее 21%, то есть меньше, чем в воздухе, которым мы обычно дышим. Его использование реже приводит к кислородному отравлению, но требует больше времени на всплытие. В настоящее время обедненный воздух практически не используется.
Все дыхательные смеси с измененным процентным соотношением кислорода и азота получили название нитрокс. Так называют и обедненный, и обогащенный, и обычный воздух. Перед закачкой в баллоны дыхательные смеси «высушивают», что приводит к легкому обезвоживанию организма во время подводного путешествия. Поэтому, возвращаясь из морских глубин, дайверу необходимо восстановить водный баланс.
Чем дышат под водой
Чем дышат водолазы? Инертные газы.
Задержать дыхание человек может только на относительно небольшое время, до нескольких минут. Поэтому для глубоководных длительных погружений необходимо дополнительное снаряжение и запас смеси газов, который обеспечит ныряльщику дыхание под водой. На сегодняшний день существуют дыхательные смеси различных типов, отличные друг от друга составом и свойствами.
Некоторые из них применяют, чтобы сократить или вовсе убрать эффект декомпрессии. Другие служат для погружений на большие глубины и призваны предотвратить отравление, которое могут вызвать в этих условиях газы, растворяясь в крови человека.
Так чем же дышат под водой водолазы?
Самой первой дыхательной смесью, которую человек использовал для дыхания под водой, был воздух. Еще в трудах древнегреческого ученого Аристотеля можно найти упоминание о погружениях с перевернутым котлом, заполненным воздухом. Впоследствии эта технология стала прототипом водолазного колокола. Воздух и сейчас применяется для погружений на малые глубины.
Но, ныряя с баллонами, заполненными воздухом, следует помнить об ограничениях по времени нахождения под водой и по глубине погружения. Максимальная глубина, на которой может находиться аквалангист с воздухом в баллонах, составляет сорок метров. При более глубоких погружениях начинает сказываться давление воды. Азот, которого в воздушной смеси около 80 процентов быстро насыщает, пропитывает ткани организма. Возникает явление, носящее название «азотного наркоза».
Чтобы избавиться от негативных последствий этого явления, необходима декомпрессия. То есть медленное приведение давления в норму. На этот процесс тратится дополнительное время, столь необходимое под водой. Чтобы решить эту проблему, в 1943 году Крисом Ламберстеном было предложена замена части азота в дыхательной смеси на кислород. Это была первая дыхательная смесь, из которой впоследствии возникла серия смесей «нитрокс».
Вообще термином «нитрокс» называют все смеси кислорода с азотом, в том числе и обычный необработанный воздух. Различаются такие смеси процентным содержанием в них кислорода. Существуют смеси с 40, 50 и 60 процентами кислорода. Кроме них широко применяются NITROX I, которая содержит кислорода — 32 % и 68 % азота, а также NITROX II с содержание азота — 64 % и кислорода — 36 %. Такие смеси, поскольку процент кислорода в них больше, называют еще и обогащенным воздухом.
Обогащенный воздух помогает водолазу дольше оставаться под водой. При этом риск развития кессонной болезни меньше, чем при использовании воздуха. Но, такие смеси нельзя использовать на больших глубинах. Чем глубже опускается под воду ныряльщик, тем большее давление оказывает на его организм толща воды. При этом кислород начинает проявлять токсические свойства. Чем больше процент кислорода в смеси, тем короче становится время безопасного нахождения под водой и уменьшается глубина, на которой нет риска отравиться.
Обедненный воздух – это еще один вариант смесей из серии нитрокс. В них процент кислорода понижен. Их использование предотвращает отравление кислородом. К сожалению, при их применении необходимо затрачивать больше времени на всплытие. Современные водолазы почти не пользуются этим видом смеси.
Следующим этапом развития дыхательных смесей стала замена в них азота гелием. Эти смеси называются геликсными. Их недостатком оказалось возбуждающее действие, проявляемое ими на больших глубинах. На сегодняшний день такие смеси применяются крайне редко.
В ходе экспериментального поиска лучшего варианта дыхательной смеси начали смешивать все три газа: азот, гелий и кислород. Получая при этом так называемые «тримиксные» смеси. При соразмерном подборе компонентов такой смеси тормозящее действие азота компенсируется возбуждающим действием гелия. Кислорода в тримиксные смеси добавляется минимум, не токсичное количество. Оно должно быть не больше, чем требуется для дыхания. Соотношение компонентов таких смесей вычисляют для конкретных диапазонов глубин.
Тримиксные смеси являются наиболее употребляемыми дыхательными смесями для самых глубоких погружений. Их используют при длительных водолазных работах на глубинах до пятисот метров. Например, при спасении людей с затонувших подводных лодок. Единственный существенный недостаток этих смесей – это их высокая цена.
Разработка новых дыхательных смесей продолжается. Она основывается на все более полном познании биофизических процессов, происходящих в организме человека на больших глубинах под воздействием давления.
Давление воды на большой глубине несколько изменяет процесс дыхания человека. На берегу организму для полноценного дыхания требуется около семнадцати процентов кислорода. На глубине примерно в двадцать метров эта потребность снижается до шести процентов.
Избыток кислорода на глубине вызывает отравление, которое может привести к отеку легких, судорогам, конвульсиям и даже к смерти. Применение чистого кислорода делает опасным погружение ниже шести метров.
Чтобы приостановить ржавение баллонов, перед закачкой в них какой-либо дыхательной смеси, их «высушивают». Если для закачки используется воздух, его тоже предварительно подсушивают, освобождая от паров воды. При дыхании влага, находящаяся в легких водолаза теряется, уходит с выдыхаемыми газами. Поэтому после погружения возникает сильная жажда и сухость во рту.
Использование дыхательных смесей под водой имеет несколько направлений. Они служат для заполнения баллонов аквалангов. С помощью этих смесей создаются необходимые условия для декомпрессии в барокамерах. Из специальных дыхательных смесей создается пригодная для дыхания атмосфера в подводных лодках. Разные смеси применяют для поддержания дыхания ныряльщика в водолазном скафандре.
Современные водолазные скафандры инжекторно-регенеративного типа оборудуются воздушно – кислородным или гелиокислородным снаряжением. Оно позволяет проводить работы на глубине около ста метров и более. Глубина погружения в этом случае зависит от состава дыхательной смеси и конструкционных возможностей скафандра. В регенеративной коробке таких скафандров дыхательная смесь может полностью или частично восстанавливаться. Длительность пребывания под водой регулируется мощностью регенеративной коробки.
Тримиксная смесь или смесь типа «Нитрокс» применяются еще и в ребризерах, которые еще называют изолирующими дыхательными аппаратами. В них выдыхаемый углекислый газ поглощается химическим поглотителем, а оставшийся неиспользованным кислород подается обратно в дыхательный мешок.
Будучи ведущим поставщиком промышленных газов в Украине, Компания «DP Air Gas» осуществляет реализацию газов, входящих в состав дыхательных смесей для аквалангов. Кроме вышеперечисленных газов, Компания реализует и другие промышленные газы, а также смеси газов различного назначения. Подробная информация об их продаже, а также об оказываемых компанией услугах, связанных с продажей газов и обслуживанием газового оборудования размещена здесь.
«Прорывные» исследования российских ученых в сфере жидкостного дыхания: реальное положение дел
Предыстория
В декабре далекого теперь уже 2017 года, во время визита в Россию президенту Сербии Александру Вучичу показали эксперимент, в котором такса погружалась в специализированную колбу, наполненную дыхательной жидкостью.
Данное событие освещалось Российскими СМИ примерно так:
Казалось бы, инфоповод по современным меркам стар – почему же к нему приходится возвращаться аж 2021 году?
Дело в том, что прошедшая тогда рекламная акция разработок российских ученых возымела свой эффект. В результате чего в комментариях к моей прошлой статье Экспертная оценка снаряжения российских боевых пловцов появлялись комментарии следующего содержания:
В связи с этим я решил осветить реальное положение дел в этом направлении.
Актуальность проблемы
В 1927 году в Шанхае родился Жак Майоль.
Этот человек примечателен тем, что в то время, пока другие грезили полетами, фантазии Жака были устремлены в подводный мир. Причем покорение морских глубин предполагалось без использования каких-либо вспомогательных технических средств – без снаряжения и на задержке дыхания.
При погружении человека в глубину, давление, действующее на грудную клетку, возрастает на 1 атмосферу каждые 10 метров и уже на глубине 40 метров составляет 5 атмосфер.
Физиологи того времени полагали, что человек физически не сможет нырять на задержке дыхания глубже 50 метров, так как это приведет к разрушению грудной клетки и травмам, несовместимым с жизнью.
Однако Жак Майоль нырнул. Сначала на 50, потом на 60, а затем и на 100 метров.
Изучили причины, по которым ему удалось выжить после таких погружений. И физиологами впервые были открыты новые, «недокументированные» функции человеческого организма, как наследие наших подводных предков. Оказалось, что организм каждого человека все еще «помнит» некоторые адаптационные механизмы, позволяющие приспособиться к нахождению на глубине. Позднее этот механизм получил название «кровяной сдвиг».
Кровяной сдвиг заключается в притоке крови из периферических областей тела в центральные, особенно в капилляры лёгочных альвеол. Таким образом кровь сдерживает сжатие лёгких под высоким давлением воды, позволяя нырять на глубины, значительно превышающие 40 метров (теоретический предел без учета кровяного сдвига).
Данный эффект позволил сделать скачок с 40 метров до 100, а позднее и до 170.
Именно такой результат (171 м, если быть точным) удалось достичь французу Лоику Леферму в категории «без ограничений».
Немного забегая вперед, вот Жак Майоль в передаче «Вокруг света» в 1982 году. К вопросу о том, кто занимался исследованиями влияния давления именно на живого человека.
Однако движение дальше для человека невозможно.
В определенный момент может произойти разрушение грудной клетки и/или коллапс (схлопывание) легкого, что гарантированно приведет к смерти.
Использование дыхательных аппаратов решает проблему, создавая внутри легких давление равное внешнему. Однако, чем больше глубина, тем больше требуется газа.
Так, к примеру, стандартного баллона на 12 литров, забитого на 200 бар, на глубине 200 метров хватит всего на 6 минут в спокойном состоянии, без учета стресса и физических нагрузок.
Другая проблема газового решения состоит в том, что азот и гелий проникают в ткани, насыщая их под давлением, что делает необходимым декомпрессию. Ее общее время для водолазов, работающих на больших глубинах, в формате предельного насыщения составляют целую неделю.
Выше приведен пример профиля декомпрессии при погружении на 180 метров. Еще раз замечу, что речь идет не о кратковременном погружении, а о работе на глубине «вахтовым» методом.
Поэтому для подводной работы команды из нескольких водолазов задействовано целое судно обеспечения с высокопроизводительными системами подготовки и хранения газовых смесей.
И, казалось бы, «изобретение Рогозина» позволяет осуществить прорыв в этой сфере. Да и конкурентов не наблюдается. То есть мы столкнулись с очередным продуктом,
Однако не все так просто.
И для отсутствия подобных решений у других стран есть вполне объективные основания.
Давайте разберем те сложности, которые стоят на пути воплощения в жизнь этой заманчивой идеи.
Проблема 1
Дыхание – предельно комплексный процесс, включающий в себя сложные механизмы внешнего дыхания (как происходит вдох и как газ попадает в легкие) и внутреннего дыхания (транспорт газов, обмен газами между кровью и тканями и клеточное дыхание).
Дабы не утяжелять и без того громоздкий материал, некоторые вещи я упрощу в угоду экономии времени и простоте изложения, однако смысл останется неизменным.
В альвеолах легких происходит газообмен между альвеолярным воздухом и кровью. Транспортную функцию в крови выполняет гемоглобин, при этом он транспортирует газ в двух направлениях – отдает в легкие СО2, который забрал до этого из тканей организма, и берет кислород, который затем доставляет в ткани. В тканях процесс обратный – кислород отдается, а СО2 «захватывается» для транспортировки к легким.
Поскольку мы живем на поверхности, вся система газообмена сбалансирована с учетом нормального атмосферного давления. И на поверхности работает, что называется как швейцарские часы. Но часы начинают сбоить, когда равновесие нарушается. При повышении давления изменяется парциальное давление газов, которое зависит от двух величин – процента газа в смеси и, собственно, давления.
При определенном давлении сродство кислорода с гемоглобином увеличивается до такой степени, что последний теряет способность транспортировать СО2 из тканей. Что в итоге приводит к быстро развивающемуся тяжелому поражению ЦНС с последующими потерей сознания, конвульсиями и смертью.
Данный сценарий – лишь один из многих.
Каждый газ в смеси должен быть уравновешен. Данный факт обуславливает использование в техническом дайвинге разных газовых смесей для разных глубин. Дайвер начинает погружение на одном газе, затем (при достижении заданной глубины) переходит на другой, и, добираясь до конечной точки погружения, переходит на так называемый «донный газ».
При подъеме газы меняются в обратном направлении.
Обычно комбинируется содержание кислорода, азота и гелия. Донный газ содержит максимальное количество гелия и минимальное кислорода.
А завершается погружение крайней декомпрессионной остановкой на 5–8 метрах на чистом кислороде.
Как это относится к эксперименту с жидкостным дыханием?
Пока опыты проводятся при постоянном давлении – проблем нет. Но в процессе спуска и подъема давление будет меняться. А это значит, что необходимо менять и содержание газа, растворенного в дыхательной жидкости. В лабораторных условиях жидкость, безусловно, можно подготовить заранее. Но как это сделать в условиях компактного дыхательного аппарата? Совершенно непонятно.
Проблема 2
Таксу не случайно помещали в раствор вертикально головой вниз.
Дело в том, что животное предварительно явно обкололи чем-то, что блокировало дыхательный центр, снижая возбудимость (о такой необходимости подавления рефлексов говорили и сами разработчики).
Расположение таксы вертикально вниз головой позволяет исключить полное заполнение легких жидкостью.
Почему это так важно?
Дело в том, что альвеолы изнутри покрыты тончайшим слоем легочного сурфактанта.
Далее позволю себе процитировать:
Без него легкие попросту спадаются (как стенки мокрого целлофанового пакета).
То есть для возобновления дыхания после перехода с жидкости на воздух потребуется работа реанимационной бригады.
Утверждается, что современные жидкости лишены такого недостатка. В действительности это следует понимать так: они лучше по сравнению с первыми образцами.
Но они не делают обратный переход (с жидкости на газ) безопасным.
Проблема 3
Существует и еще одна весьма деликатная проблема.
Дело в том, что легкие не единственная воздушная полость.
Есть еще гайморовы пазухи и внутреннее ухо.
В идеале необходимо удалить оттуда воздух и также заполнить их жидкостью. В теории такое возможно. Схожие манипуляции проводятся в специализированных условиях подготовленным врачом. Но не на терпящей бедствие подводной лодке.
Если инженер посмотрит на схему внутреннего уха, то (с инженерной точки зрения) он не увидит серьезных проблем. Однако сложности в большей степени обусловлены медицинскими аспектами.
Дело в том, что все внутренние полости напичканы специфическими рецепторами, в том числе и крайне чувствительными.
Например, во внутреннем ухе находятся рецепторы вестибулярного аппарата.
Тем, кто нырял с аквалангом, может быть знакомо неприятное ощущение головокружения, возникающее при подъеме, которое возникает из-за того, что давление выравнивается недостаточно равномерно. Мозг получает разные сигналы из левого и правого уха. И не может сориентироваться в пространстве.
Само по себе внутреннее ухо отделено от глотки. Так же не случайно.
Вопрос влияния рефлексов и рецепторов в данном проекте практически не прорабатывается.
Это очень обширная тема. И разобрать ее всю в одной статье просто не удастся. Но в качестве примера можно продемонстрировать влияние рецепторов носогубного треугольника.
В процессе соревнований фридайверы иногда теряют сознание в воде.
Рефлекторно возникший ларингоспазм препятствует попаданию воды в легкие, дыхание останавливается.
При этом, когда человека поднимают на поверхность, с него первым делом снимают маску и дуют на лицо. Рецепторы распознают действие воздуха. Мозг понимает, что среда безопасна для дыхания. И оно моментально возобновляется, без каких-либо дополнительных мероприятий.
Понимают ли эти проблемы сами разработчики?
Да понимают. Далее цитирую фрагмент интервью с Андреем Филиппенко, размещенного на портале tass.ru.
Проблема 4
Если не вдаваться в анатомические подробности относительно устройства плевры и легких – у нас очень маленькое усилие на вдох, по этой причине самостоятельно «дышать» плотной жидкостью человек не может.
Ситуация усугубляется еще и тем, что в реальном газообмене участвует не весь объем легких, а только альвеолярный объем. По этой причине для нас жизненно необходима постоянная циркуляция воздуха в легких, для того чтобы альвеолярный воздух постоянно менялся.
То есть, условно говоря, в легких человека должен быть установлен механизм, который будет постоянно «перемешивать» дыхательную жидкость, если мы хотим, чтобы использовался весь ее объем.
При этом выделяемый организмом СО2 должен как-то удаляться из дыхательной жидкости.
Проблема вентиляции напрямую связана с еще одной нерешенной проблемой – потерей тепла.
В норме на долю легких приходится только 15 % от общих теплопотерь. Но это при дыхании воздухом и в нормальном состоянии.
Важно учесть, что происходит, когда мы замерзаем, а легкие наполняются жидкостью.
Механизм борьбы с переохлаждением таков: периферические сосуды сужаются, и кровоток по конечностям уменьшается. Организм старается сохранить тепло внутри себя, увеличивая внутренний кровоток, обеспечив функционирование внутренних органов и мозга.
Площадь дыхательной поверхности легких при глубоком вдохе достигает 100 квадратных метров. Что в 30 раз больше площади кожного покрова.
По сути, это большой радиатор, в котором организм будет пытаться сохранить тепло, а аппарат жидкостного дыхания будет максимально эффективно забирать из этого резерва остатки тепла.
Перечень проблем не ограничивается четырьмя озвученными. Однако дальнейшее погружение в них в рамках одной статьи нецелесообразно (например, как планируется многократно продувать отсек, через который будут выходить подводники, как они будут освобождаться от жидкости в легких, ведь, как таксу, их никто на поверхности переворачивать не будет).
Как выглядят реальные российские проекты
Исторически одним из тех, кто стоял у истоков данной темы в СССР, является Андрей Филиппенко. Именно при его непосредственном участии в 1980-х годах ставились опыты на собаках.
На современном этапе к проекту присоединился (ФПИ) Фонд перспективных исследований.
Опыты, аналогичные тому, что были продемонстрированы президенту Сербии, отечественными учеными ставились еще 1980-х годах. И с тех пор в них мало что изменилось.
Видео из архива А. Филиппенко.
В комментариях к видео один из зрителей задал вполне логичный вопрос (внизу скриншота).
Однако и здесь необходимо сделать одну поправку. Он писал об отечественном опыте от 1988 года.
В то время, как в 1966 году (то есть на 22 года раньше) результаты своих работ в этом же направлении опубликовал американский ученый.
А до этого в 1962 году (за 26 лет до советских опытов) была опубликована другая статья на эту же тематику «Мыши как рыбы» («Of mice as fish»).
Другими словами, что же получается в сухом остатке?
Рогозин в 2017 году демонстрировал сербскому президенту (и всему миру) опыт образца 1962 года (55 лет разницы)?
В отношении которого в СМИ употреблялись эпитеты: «изобрели», «прорывной», «новаторский» и «не имеющий аналогов»?
Но, как говорилось в рекламе, и
Комментируя данный вопрос, человек с аватаркой,
из-под аккаунта «Andrei Filippenko, PhD» написал следующее:
Не берусь ничего утверждать, но ситуация в целом подозрительно смахивает на то, что под «возобновлением исследований» понимается повторение опытов 1960-х годов с минимальными косметическими изменениями.
Но ведь что-то же сделано?
Действительно, можно попытаться возразить, что некоторые подвижки в проекте были.
Например, замена изначально использовавшегося раствора на жидкость нового поколения – перфторан.
Однако он создавался совсем другими учеными для совершенно иных задач (замена донорской крови).
Таким образом, хронологически развитие проекта выглядит так:
1. Изучили опыт американцев 1960-х годов.
2. Повторили эти опыты в 1980-х годах с минимальными изменениями.
3. Проштудировали результаты исследований французов, связанные с нырянием на задержке дыхания.
4. Решили использовать в своем проекте созданный другими учеными перфторан.
Выводы пусть читатели делают сами.
Подключение молодых специалистов
Удачным дополнением фокуса с таксой служат и дизайн-проекты перспективной техники.
Андрей Филиппенко выступал в роли научного консультанта на дипломных проектах (по всей видимости) студентов Академии Штиглица.
Важно понимать, что это художественно-промышленная академия.
То есть проекты разрабатывались не инженерами, а дизайнерами. Однако картинки вполне могут использоваться в целях популяризации направления.
В качестве примера предлагаю рассмотреть один из таких проектов.
Предложение заключается в создании специального аппарата массой до 5 тонн, который вертолетом или другим авиационным транспортом доставляется к месту аварии в течение считанных часов. Экипаж состоит из трёх человек, при этом один находится в сфере, а двое других сидят в мокром отсеке в костюмах с жидкостным дыханием.
Поскольку моряки аварийной ПЛ находятся в неблагоприятных условиях, шансы на успешное спасение действительно со временем падают. В то же время существующие современные системы спасения с использованием судов обеспечения, естественно, имеют ограничение по скорости прибытия на место.
Разработанный концепт же делает ставку именно на скорость. При этом девушке задают вопрос – почему аппарат не оборудован никакими техническими средствами, вроде манипуляторов.
На что она отвечает, что манипуляторы много весят. И тогда не удастся транспортировать аппарат по воздуху.
При этом остается совершенно неясным – каким образом прибывшие два водолаза смогут помочь морякам внутри лодки? У них нет с собой ни еды, ни запасов воды, ни воздуха, ни средств спасения либо оказания помощи. У них нет вообще ничего.
Быстрое прибытие на место погружения в их суперкостюмах лишено какого-либо практического смысла.
Спекуляция на трагедии с Курском
После трагедии, произошедшей с Курском, адепты направления жидкостного дыхания начали ссылаться на эту трагедию, аргументируя необходимость в своем «прорывном проекте» (который прорывается уже 60 лет и вот-вот прорвётся).
При этом регулярно допускаются неточности.
Первая неточность – никто не умеет спасать.
В 1939 году американцы провели спасательную операцию с подводной лодки USS Squalus.
Спасение проходило по классическому сценарию – судно обеспечения и курсирующая между ним и аварийной лодкой капсула, которая за 5 «рейсов» подняла на поверхность всех, кто выжил, после самой аварии.
Лодка лежала на глубине 240 футов (70 метров).
И произошло это, вдумайтесь, в 1939 году.
Напомню, что Курск затонул на глубине 110 метров, но габариты лодки были несопоставимы с USS Squalus – длина 154 метра, ширина 18, высота до аварийного люка около 15 метров.
Спасательная капсула выглядела примерно так – не факт что один в один, но модель схожая.
Вторая неточность заключается в том, что нельзя было спасти «за часы».
Да и в случае, если бы судно-спасатель не выводили заранее в море, а расстояние до Мурманска составляло всего 300 км, то оно могло бы прибыть на место уже в течение 12 часов.
Здесь необходимо внести ясность.
Да, спасать людей с 600 метров это непросто. Но опустить водолазный колокол на 100 метров – задача тривиальнейшая. И здесь не может быть никаких оправданий. Кроме констатации полной материально-технической неготовности к элементарным операциям.
Сегодня подобная операция штатно проводится на учениях (что радует).
Выводы
Потенциально тема жидкостного дыхания перспективна. Однако ее дальнейшее развитие напрямую зависит от решения целого спектра сложных задач, упомянутых в статье.
Эти задачи, в свою очередь, не решаются.
В том числе и по причине того, что нет понимания, как, вообще, можно подступиться к их решению (как вентилировать жидкость в легких, как снабжать человека пищей и едой, как решить вопрос терморегуляции и рефлексов).
Но парадокс в том, что без решения этих вопросов – развивать в проекте попросту нечего.
Так как все, что уже можно было сделать, сделано. И дальше – просто топтание на месте и демонстрация старых экспериментов.
Все серьезные ученые это прекрасно понимают. Поэтому и не видят смысла смешить весь мир, показывая старые опыты под видом прорывных исследований.
С другой точки зрения, подобное вполне можно показывать. Например, на днях открытых дверей или на специализированных мероприятиях для студентов младших курсов технических вузов с целью привлечения внимания к отрасли, а также для мотивации научного интереса у молодых специалистов.