Чем дышат водолазы на большой глубине
Чем дышат водолазы на большой глубине
Как дышит водолаз
Проблема снабжения водолаза газами для дыхания наиболее просто решается в снаряжении, известном под названием «вентилируемое». Водолаз, облаченный в прочную водонепроницаемую рубаху и герметично присоединяемый к ней жесткий шлем, полностью изолирован от воды. В пространство под шлемом с берега или с обеспечивающего судна непрерывно нагнетают по шлангу свежий воздух, а его излишки, смешанные с выдыхаемым воздухом, стравливаются в воду. Благодаря этому осуществляется постоянная вентиляция скафандра: удаляются углекислый газ и другие продукты дыхания, восстанавливается нормальное содержание кислорода.
Изобретение акваланга позволило перерубить «пуповину», связывавшую водолаза с обеспечивающим судном. Избавившись от обременяющего шланга и тяжелого неуклюжего скафандра, человек почувствовал себя, как рыба в воде. Простой и надежный в эксплуатации акваланг открыл дорогу в подводный мир миллионам людей.
Чтобы увеличить глубину погружения в аппаратах с замкнутым циклом дыхания, можно использовать вместо чистого кислорода другую дыхательную смесь, например, обычный воздух. Это позволит опускаться на ту же глубину, что и в акваланге. Однако если скорость поглощения организмом кислорода из смеси, зависящая от многих факторов (физической нагрузки, состояния психики водолаза, условий окружающей среды и т. д.), превысит скорость поступления кислорода в дыхательный мешок или станет меньше нее, неизбежно соответственно кислородное голодание или отравление. Чтобы этого не случилось, необходимо постоянно следить за парциальным давлением кислорода в смеси и в случае отклонения от нормы изменять скорость его подачи.
Итак, проблема снабжения водолаза газами для дыхания сегодня уже может считаться в принципе ре-ной. И все же при любой, даже самой совершенной конструкции дыхательного аппарата возможности водолаза ограничены. Это объясняется неприспособленною человеческого организма к существованию в вод-
Чем дышат водолазы на большой глубине
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.
Дыхание под водой – возможно!
Тема жидкостного дыхания давно волнует умы людей – сначала фантастов, а затем и серьёзных учёных. Как выяснилось после долгих лет исследований, наши лёгкие всё же способны работать наподобие рыбьих жабр: для этого необходимо заполнить их специальной жидкостью, которая будет регулярно обновляться. Эти разработки являются победой человека над силами природы и законами физики, а понятие кессонной болезни скоро безнадёжно устареет.
Декомпрессионная, или кессонная болезнь, известна с середины 19 века. Заболевание связано с тем, что в баллонах со сжатым воздухом, которыми пользуются водолазы, находится обычный по составу воздух. В нём содержится всего 20% кислорода, который наш организм полностью использует и перерабатывает в углекислый газ. Остальные 80% составляют, в основном, азот, гелий, водород и незначительные примеси. Когда дайвер быстро поднимается из глубины моря на поверхность, давление этих балластных газов изменяется. В результате они начинают выделяться в виде пузырьков в кровь и разрушать стенки клеток и кровеносных сосудов, блокировать кровоток. При тяжёлой форме декомпрессионная болезнь может привести к параличу или смерти.
Группа риска включает в себя не только дайверов и рабочих, работающих в кессонах (камерах с повышенным давлением, обычно использующиеся для строительства туннелей под реками и закрепления в донном грунте опор мостов), но и пилотов на большой высоте, а так же космонавтов, использующих для выхода в открытый космос костюмы, поддерживающие низкое давление. К сожалению, заменить дыхательную смесь чистым кислородом – тоже не вариант. Он вызывает головные боли и общую слабость, а при продолжительном использовании наступает перекисное окисление липидов и активацию свободнорадикального окисления, что приводит к истощению антиоксидантов и возникновению окислительного стресса организма. А это уже практически 100%-ный риск развития онкологических заболеваний.
Первые опыты, связанные с дыханием при помощи жидкости, были проведены в 1966 году на мышах. Кларк Леланд осуществил замену воздуха в легких у подопытных животных жидкими перфторуглеродными соединениями. Результаты были вполне удачными — мыши смогли дышать, будучи погруженными в жидкость на несколько часов, а затем снова дышать воздухом. Уже более 20 лет неонатологи используют подобные технологи для ухода за недоношенными младенцами. Лёгочная ткань таких детишек к рождению сформирована не до конца, поэтому с помощью специальных устройств дыхательную систему насыщают как раз кислородсодержащим раствором на основе перфторуглеродов.
Эти вещества представляют собой углеводороды, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. Перфторуглероды обладают аномально высокой способностью растворять газы, например, кислород и углекислый газ. Они так же высокоинертны и не метаболизируются в организме, что позволяет использовать их не только для вентиляции лёгких, но даже в качестве искусственной крови. В последние год ведутся исследования по улучшению свойств дыхательной жидкости: новая формула получила название «перфлуброн» Это чистая, маслянистая жидкость, обладающая малой плотностью. Так как у нее весьма низкая температура кипения, она быстро и легко выводится (испаряется) из легких.
К погружению готов!
Арнольд Лэнди (Arnold Lande), бывший хирург, а ныне обычный американский пенсионер-изобретатель, зарегистрировал патент на водолазный костюм, оснащенный баллоном с «жидким воздухом». Оттуда он подаётся в шлем дайвера, заполняет собой все пространство вокруг головы, вытесняет воздух из легких, полостей носоглотки и ушей, насыщая легкие человека достаточным количеством кислорода. В свою очередь, углекислый газ, который выделяется в процессе дыхания, выходит наружу при помощи своеобразного подобия жабр, прикрепленных к бедренной вене ныряльщика.
Таким образом сам процесс дыхания становится попросту не нужен – кислород поступает в кровь через легкие, а углекислый газ выводится прямо из крови. Да и давление толщи воды на по-настоящему большой глубине слишком большое: пытаясь сделать вдох где-нибудь на дне Марианской впадины, водолаз рискует сломать рёбра. Так что во главе угла теперь стоит психологический момент: нужно отучить водолазов дышать, при этом не испытывая вполне понятной тревоги. Для этого дайверам потребуется проходить курс обучения, и только приобретя все необходимые навыки, из бассейна отправляться в «открытое плавание».
Таким образом, изобретатель сделал ценный подарок не только одним лишь покорителям морских глубин. Предполагается, что жидкостное дыхание так же может быть успешно использовано при космических полётах и в качестве одного из средств комплексной терапии некоторых болезней. Порадоваться могли бы и защитники природы: к примеру, печально известный разрыв на нефтяной скважине в Мексиканском заливе произошёл на глубине полторы тысячи метров, что многовато даже для техники. А вот дайверы, дышащие как рыбы, смогли бы в данной ситуации быстро справиться с ремонтом.
Дыхательные смеси для дайверов или чем дышат водолазы
Сказочный подводный мир всегда манил человека своими красотами и загадками. Находиться под водой долгое время и погружаться на дно океанов водолазам-исследователям позволяют специальные дыхательные смеси. Дыхательные газовые смеси, находящиеся в водолазных баллонах, отличаются своим составом и соответственно свойствами. Люди привыкли считать, что дышат кислородом. Однако – это заблуждение. Для дыхания каждому человеку необходим воздух, в котором содержится несколько видов газов:
Дыхательные смеси из воздуха
В первых дыхательных смесях использовался обычный воздух, профильтрованный и очищенный от пыли и влаги. Такой состав смеси позволял находиться под водой не слишком долго и на небольшой глубине.
Однако на поверхности воды, где давление резко снижается, водолаза подстерегает еще большая опасность – декомпрессия. Растворенный в крови азот при снижении давления блокирует кровообращение и закупоривает сосуды. Кровь при этом в прямом смысле слова «вскипает». Были нередки случаи гибели водолазов после всплытия от декомпрессионной болезни.
Дыхательная смесь нитрокс
Для того, чтобы решить проблему декомпрессии, стали создавать искусственные смеси для водолазов. Так в 1943 году Крис Ламберстен впервые предложил заменить часть азота в воздухе на кислород. Такие смеси с измененным процентом содержания азота и кислорода получили название нитрокс.
Существуют дыхательные смеси, содержащие 40, 50 и 60 % О2. Также используются газовые смеси Нитрокс 1 (68 % азота на 32 % кислорода) и Нитрокс 2 (64 % азота на 36 % кислорода). Такие смеси с большим процентом О2 называют обогащенным воздухом.
Смеси, содержащие обогащенный воздух, позволяют исследователям дольше находиться под толщей воды, но не очень глубоко. Возникает опасность отравления кислородом.
Существуют также смеси нитрокс с уменьшенным количеством кислорода. Пользуясь такими смесями с обедненным воздухом, водолаз не может отравиться кислородом, но времени на всплытие уму понадобиться намного больше. К тому же из-за снижения кислорода человек очень быстро теряет силы и активность организма уменьшается. В современном дайвинге такие обедненные газовые смеси не применяются.
Геликсные дыхательные смеси
Следующим шагом в создании искусственных дыхательных смесей из газов стала замена азота на гелий. Такие соединения газов называются геликсными. На Западе кислородно-гелиевый вариант смеси получил определение «гелиос».
Но в ходе испытаний новой дыхательной смеси водолазами оказалось, что при глубоком погружении она слишком возбуждающе действует на человека. Кроме этого негативного влияния дайвер, дышащий таким соединением газов, очень быстро начинает замерзать. Причиной этого является высокая теплоемкость гелия. В настоящее время гелиос используется крайне редко.
Другой геликсной дыхательной смесью газов является соединение воздуха с гелием. Такой тип смеси у водолазов именуется гелиэйром. Этот воздушно-гелиевый вариант оказался более удобным на практике.
Тримиксные дыхательные смеси
На сегодняшний день разработан самый оптимальный вид дыхательных смесей для дайвинга – тримикс. Само название говорит о том, что в состав соединения входят три газа:
Для каждой конкретной глубины, на которую опускается водолаз, рассчитывается определенное соотношение этих трех компонентов. Возбуждающее воздействие гелия компенсируется наркотическим тормозящим влиянием азота. Кислорода в соединение добавляют столько, чтобы его было достаточно для дыхания. Концентрация О2 при этом не должна вызывать кислородного отравления.
Правильно определить количество каждого составляющего элемента достаточно сложно. Этим занимаются специально обученные специалисты. Ведь от их точных расчетов зависит жизнь человека.
Тримиксные смеси оказались самыми лучшими среди всех остальных. В современном дайвинге используется именно этот вариант газовых соединений. Тримиксы позволяют опускаться и плавать на глубине до 500 метров. Такие дыхательные смеси стали незаменимы при проведении спасательных работ на затонувших подводных лодках или для глубоководных исследований морского мира. Однако и у этих дыхательных смесей есть свой недостаток – они достаточно дорогие.
Создание и совершенствование дыхательных газовых смесей продолжается до сих пор. Главной задачей разработчиков новых соединений является безопасность аквалангиста и погружение человека на еще большую глубину.
Сверхглубокие погружения: как люди выживают на глубине 700 метров
Мы живем на планете воды, но земные океаны знаем хуже, чем некоторые космические тела. Больше половины поверхности Марса артографировано с разрешением около 20 м — и только 10−15% океанского дна изучены при разрешении хотя бы 100 м. На Луне побывало 12 человек, на дне Марианской впадины — трое, и все они не смели и носа высунуть из сверхпрочных батискафов.
Погружаемся
Главная сложность в освоении Мирового океана — это давление: на каждые 10 м глубины оно увеличивается еще на одну атмосферу. Когда счет доходит до тысяч метров и сотен атмосфер, меняется все. Жидкости текут иначе, необычно ведут себя газы. Аппараты, способные выдержать эти условия, остаются штучным продуктом, и даже самые современные субмарины на такое давление не рассчитаны. Предельная глубина погружения новейших АПЛ проекта 955 «Борей» составляет всего 480 м.
Впрочем, на глубину существует и альтернативный путь. Вместо того чтобы создавать все более прочные корпуса, можно отправить туда. живых водолазов. Рекорд давления, перенесенного испытателями в лаборатории, почти вдвое превышает способности подлодок. Тут нет ничего невероятного: клетки всех живых организмов заполнены той же водой, которая свободно передает давление во всех направлениях.
Клетки не противостоят водному столбу, как твердые корпуса субмарин, они компенсируют внешнее давление внутренним. Недаром обитатели «черных курильщиков», включая круглых червей и креветок, прекрасно себя чувствуют на многокилометровой глубине океанского дна. Некоторые виды бактерий неплохо переносят даже тысячи атмосфер. Человек здесь не исключение — с той лишь разницей, что ему нужен воздух.
Под поверхностью
Кислород Дыхательные трубки из тростника были известны еще могиканам Фенимора Купера. Сегодня на смену полым стеблям растений пришли трубки из пластика, «анатомической формы» и с удобными загубниками. Однако эффективности им это не прибавило: мешают законы физики и биологии.
Уже на метровой глубине давление на грудную клетку поднимается до 1,1 атм — к самому воздуху прибавляется 0,1 атм водного столба. Дыхание здесь требует заметного усилия межреберных мышц, и справиться с этим могут только тренированные атлеты. При этом даже их сил хватит ненадолго и максимум на 4−5 м глубины, а новичкам тяжело дается дыхание и на полуметре. Вдобавок чем длиннее трубка, тем больше воздуха содержится в ней самой. «Рабочий» дыхательный объем легких составляет в среднем 500 мл, и после каждого выдоха часть отработанного воздуха остается в трубке. Каждый вдох приносит все меньше кислорода и все больше углекислого газа.
Чтобы доставлять свежий воздух, требуется принудительная вентиляция. Нагнетая газ под повышенным давлением, можно облегчить работу мускулам грудной клетки. Такой подход применяется уже не одно столетие. Ручные насосы известны водолазам с XVII века, а в середине XIX века английские строители, возводившие подводные фундаменты для опор мостов, уже подолгу трудились в атмосфере сжатого воздуха. Для работ использовались толстостенные, открытые снизу подводные камеры, в которых поддерживали высокое давление. То есть кессоны.
Глубже 10 м
Азот Во время работы в самих кессонах никаких проблем не возникало. Но вот при возвращении на поверхность у строителей часто развивались симптомы, которые французские физиологи Поль и Ваттель описали в 1854 году как On ne paie qu’en sortant — «расплата на выходе». Это мог быть сильный зуд кожи или головокружение, боли в суставах и мышцах. В самых тяжелых случаях развивались параличи, наступала потеря сознания, а затем и гибель.
Проблема в том, что количество растворенного в жидкости газа прямо зависит от давления над ней. Это касается и воздуха, который содержит около 21% кислорода и 78% азота (прочими газами — углекислым, неоном, гелием, метаном, водородом и т. д. — можно пренебречь: их содержание не превышает 1%). Если кислород быстро усваивается, то азот просто насыщает кровь и другие ткани: при повышении давления на 1 атм в организме растворяется дополнительно около 1 л азота.
При быстром снижении давления избыток газа начинает выделяться бурно, иногда вспениваясь, как вскрытая бутылка шампанского. Появляющиеся пузырьки могут физически деформировать ткани, закупоривать сосуды и лишать их снабжения кровью, приводя к самым разнообразным и часто тяжелым симптомам. По счастью, физиологи разобрались с этим механизмом довольно быстро, и уже в 1890-х годах декомпрессионную болезнь удавалось предотвратить, применяя постепенное и осторожное снижение давления до нормы — так, чтобы азот выходил из организма постепенно, а кровь и другие жидкости не «закипали».
В начале ХХ века английский исследователь Джон Холдейн составил детальные таблицы с рекомендациями по оптимальным режимам спуска и подъема, компрессии и декомпрессии. Экспериментируя с животными, а затем и с людьми — в том числе с самим собой и своими близкими, — Холдейн выяснил, что максимальная безопасная глубина, не требующая декомпрессии, составляет около 10 м, а при длительном погружении — и того меньше. Возвращение с глубины должно производиться поэтапно и не спеша, чтобы дать азоту время высвободиться, зато спускаться лучше довольно быстро, сокращая время поступления избыточного газа в ткани организма. Людям открылись новые пределы глубины.
Глубже 40 м
Гелий Борьба с глубиной напоминает гонку вооружений. Найдя способ преодолеть очередное препятствие, люди делали еще несколько шагов — и встречали новую преграду. Так, следом за кессонной болезнью открылась напасть, которую дайверы почти любовно зовут «азотной белочкой». Дело в том, что в гипербарических условиях этот инертный газ начинает действовать не хуже крепкого алкоголя. В 1940-х опьяняющий эффект азота изучал другой Джон Холдейн, сын «того самого». Опасные эксперименты отца его ничуть не смущали, и он продолжил суровые опыты на себе и коллегах. «У одного из наших испытуемых произошел разрыв легкого, — фиксировал ученый в журнале, — но сейчас он поправляется».
Несмотря на все исследования, механизм азотного опьянения детально не установлен — впрочем, то же можно сказать и о действии обычного алкоголя. И тот и другой нарушают нормальную передачу сигналов в синапсах нервных клеток, а возможно, даже меняют проницаемость клеточных мембран, превращая ионообменные процессы на поверхностях нейронов в полный хаос. Внешне то и другое проявляется тоже схожим образом. Водолаз, «словивший азотную белочку», теряет контроль над собой. Он может впасть в панику и перерезать шланги или, наоборот, увлечься пересказом анекдотов стае веселых акул.
Наркотическим действием обладают и другие инертные газы, причем чем тяжелее их молекулы, тем меньшее давление требуется для того, чтобы этот эффект проявился. Например, ксенон анестезирует и при обычных условиях, а более легкий аргон — только при нескольких атмосферах. Впрочем, эти проявления глубоко индивидуальны, и некоторые люди, погружаясь, ощущают азотное опьянение намного раньше других.
Избавиться от анестезирующего действия азота можно, снизив его поступление в организм. Так работают дыхательные смеси нитроксы, содержащие увеличенную (иногда до 36%) долю кислорода и, соответственно, пониженное количество азота. Еще заманчивее было бы перейти на чистый кислород. Ведь это позволило бы вчетверо уменьшить объем дыхательных баллонов или вчетверо увеличить время работы с ними. Однако кислород — элемент активный, и при длительном вдыхании — токсичный, особенно под давлением.
Чистый кислород вызывает опьянение и эйфорию, ведет к повреждению мембран в клетках дыхательных путей. При этом нехватка свободного (восстановленного) гемоглобина затрудняет выведение углекислого газа, приводит к гиперкапнии и метаболическому ацидозу, запуская физиологические реакции гипоксии. Человек задыхается, несмотря на то что кислорода его организму вполне достаточно. Как установил тот же Холдейн-младший, уже при давлении в 7 атм дышать чистым кислородом можно не дольше нескольких минут, после чего начинаются нарушения дыхания, конвульсии — все то, что на дайверском сленге называется коротким словом «блэкаут».
Пока еще полуфантастический подход к покорению глубины состоит в использовании веществ, способных взять на себя доставку газов вместо воздуха – например, заменителя плазмы крови перфторана. В теории, легкие можно заполнить этой голубоватой жидкостью и, насыщая кислородом, прокачивать ее насосами, обеспечивая дыхание вообще без газовой смеси. Впрочем, этот метод остается глубоко экспериментальным, многие специалисты считают его и вовсе тупиковым, а, например, в США применение перфторана официально запрещено.
Поэтому парциальное давление кислорода при дыхании на глубине поддерживается даже ниже обычного, а азот заменяют на безопасный и не вызывающий эйфории газ. Лучше других подошел бы легкий водород, если б не его взрывоопасность в смеси с кислородом. В итоге водород используется редко, а обычным заменителем азота в смеси стал второй по легкости газ, гелий. На его основе производят кислородно-гелиевые или кислородно-гелиево-азотные дыхательные смеси — гелиоксы и тримиксы.
Глубже 80 м
Сложные смеси Здесь стоит сказать, что компрессия и декомпрессия при давлениях в десятки и сотни атмосфер затягивается надолго. Настолько, что делает работу промышленных водолазов — например, при обслуживании морских нефтедобывающих платформ — малоэффективной. Время, проведенное на глубине, становится куда короче, чем долгие спуски и подъемы. Уже полчаса на 60 м выливаются в более чем часовую декомпрессию. После получаса на 160 м для возвращения понадобится больше 25 часов — а ведь водолазам приходится спускаться и ниже.
Поэтому уже несколько десятилетий для этих целей используют глубоководные барокамеры. Люди живут в них порой целыми неделями, работая посменно и совершая экскурсии наружу через шлюзовой отсек: давление дыхательной смеси в «жилище» поддерживается равным давлению водной среды вокруг. И хотя декомпрессия при подъеме со 100 м занимает около четырех суток, а с 300 м — больше недели, приличный срок работы на глубине делает эти потери времени вполне оправданными.
Методы длительного пребывания в среде с повышенным давлением прорабатывались с середины ХХ века. Большие гипербарические комплексы позволили создавать нужное давление в лабораторных условиях, и отважные испытатели того времени устанавливали один рекорд за другим, постепенно переходя и в море. В 1962 году Роберт Стенюи провел 26 часов на глубине 61 м, став первым акванавтом, а тремя годами позже шестеро французов, дыша тримиксом, прожили на глубине 100 м почти три недели.
Здесь начались новые проблемы, связанные с длительным пребыванием людей в изоляции и в изнурительно некомфортной обстановке. Из-за высокой теплопроводности гелия водолазы теряют тепло с каждым выдохом газовой смеси, и в их «доме» приходится поддерживать стабильно жаркую атмосферу — около 30 °C, а вода создает высокую влажность. Кроме того, низкая плотность гелия меняет тембр голоса, серьезно затрудняя общение. Но даже все эти трудности вместе взятые не поставили бы предел нашим приключениям в гипербарическом мире. Есть ограничения и поважнее.
Глубже 600 м
Предел В лабораторных экспериментах отдельные нейроны, растущие «в пробирке», плохо переносят экстремально высокое давление, демонстрируя беспорядочную гипервозбудимость. Похоже, что при этом заметно меняются свойства липидов клеточных мембран, так что противостоять этим эффектам невозможно. Результат можно наблюдать и в нервной системе человека под огромным давлением. Он начинает то и дело «отключаться», впадая в кратковременные периоды сна или ступора. Восприятие затрудняется, тело охватывает тремор, начинается паника: развивается нервный синдром высокого давления (НСВД), обусловленный самой физиологией нейронов.
Добавление к кислородно-гелиевой смеси небольших (до 9%) количеств азота позволяет несколько ослабить эти эффекты. Поэтому рекордные погружения на гелиоксе достигают планки 200−250 м, а на азотсодержащем тримиксе — около 450 м в открытом море и 600 м в компрессионной камере. Законодателями в этой области стали — и до сих пор остаются — французские акванавты. Чередование воздуха, сложных дыхательных смесей, хитрых режимов погружения и декомпрессии еще в 1970-х позволило водолазам преодолеть планку в 700 м глубины, а созданную учениками Жака Кусто компанию COMEX сделало мировым лидером в водолазном обслуживании морских нефтедобывающих платформ. Детали этих операций остаются военной и коммерческой тайной, поэтому исследователи других стран пытаются догнать французов, двигаясь своими путями.
Пытаясь опуститься глубже, советские физиологи изучали возможность замены гелия более тяжелыми газами, например неоном. Эксперименты по имитации погружения на 400 м в кислородно-неоновой атмосфере проводились в гипербарическом комплексе московского Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН и в секретном «подводном» НИИ-40 Министерства обороны, а также в НИИ Океанологии им. Ширшова. Однако тяжесть неона продемонстрировала свою обратную сторону.
Можно подсчитать, что уже при давлении 35 атм плотность кислородно-неоновой смеси равна плотности кислородно-гелиевой примерно при 150 атм. А дальше — больше: наши воздухоносные пути просто не приспособлены для «прокачивания» такой густой среды. Испытатели ИМБП сообщали, что, когда легкие и бронхи работают со столь плотной смесью, возникает странное и тяжелое ощущение, «будто ты не дышишь, а пьешь воздух». В бодрствующем состоянии опытные водолазы еще способны с этим справиться, но в периоды сна — а на такую глубину не добраться, не потратив долгие дни на спуск и подъем — они то и дело просыпаются от панического ощущения удушья. И хотя военным акванавтам из НИИ-40 удалось достичь 450-метровой планки и получить заслуженные медали Героев Советского Союза, принципиально это вопроса не решило.
Новые рекорды погружения еще могут быть поставлены, но мы, видимо, подобрались к последней границе. Невыносимая плотность дыхательной смеси, с одной стороны, и нервный синдром высоких давлений — с другой, видимо, ставят окончательный предел путешествиям человека под экстремальным давлением.
За помощь в подготовке статьи автор благодарит заведующего Отделом барофизиологии, баротерапии и водолазной медицины ИМБП РАН Владимира Комаревцева