„Течното дишане“ в момента е подходящо само за кучета. Подробности за филма

„Не всичко е толкова просто, колкото се представя днес. Горкото куче." С тези думи експертите коментират експеримента, демонстриран от Дмитрий Рогозин пред президента на Сърбия като пример за най-новите научни разработки в Русия: кучето е успяло да диша не въздух, а течност. Какво представлява тази технология и може ли да помогне на руската армия?

По време на среща в Москва със сръбския президент Александър Вучич във вторник вицепремиерът Дмитрий Рогозин представи редица най-нови разработки на Руската фондация за напреднали изследвания (APF). Рогозин отбеляза, че сръбският гост може да бъде отведен до някои огромни индустриално предприятие, но много по-интересно е да „покажем на утрешния ден накъде се стремим“. Акцент в програмата беше уникалният проект за течно дишане, който беше демонстриран за първи път публично.

Както обясни ръководителят на проекта, военноморският лекар Фьодор Арсеньев, задачата на това изобретение е да спаси екипажа на умираща подводница. Както знаете, от дълбочина под 100 метра е невъзможно бързо да се издигнете на повърхността поради декомпресионна болест. За да се избегне това, ще бъде възможно да се постави на подводница устройство с „безазотна течност“, както съобщава ТАСС. В този случай белите дробове на човек няма да се компресират, което ще му позволи бързо да се издигне на повърхността и да избяга.

Пред сръбския президент куче дакел беше поставено в специален резервоар с течност. След няколко минути тя се настани удобно и започна да „диша“ течността сама. След това служителите на лабораторията извадиха кучето от резервоара, подсушиха го с кърпа и сръбският президент успя лично да се увери, че кучето е добре. Вучич погали кучето и призна, че е много впечатлен.

Мечтата на „човек-амфибия“

« Течно дишанекак медицинската технология включва вентилация на белите дробове не с въздух, а с кислородна течност. В рамките на проекта се решава научната задача за изследване на характеристиките на влиянието на различни вещества, пренасящи кислород, върху газообмена и други функции на клетките, тъканите и органите на бозайниците“, пиар отделът на Фондацията за напреднали Research (APF) каза вестник VZGLYAD.

Едно от направленията е формирането на медико-биологичните основи на технологията за самоевакуация на подводничари от големи дълбочини на повърхността, отбелязват от фонда, но като цяло технологията може значително да ускори изследването от човека на неизследвани досега морски и океански дълбини. Твърди се, че тази разработка ще бъде необходима и в медицината - например ще помогне на недоносени бебета или хора, претърпели изгаряния на дихателните пътища, ще се използва при лечението на бронхообструктивни, инфекциозни и други тежки заболявания.

Трябва да се отбележи, че течното дишане на пръв поглед изглежда като фантастично изобретение, но всъщност е така научна основа, като тази идея има сериозна теоретична основа. Вместо кислород учените предлагат да се използват специални химични съединения, които са способни да разтварят добре кислорода и въглеродния диоксид.

„Течното дишане“ отдавна е фиксация за учените по света. Устройството „човек-амфибия“ е способно да спасява водолази и подводничари, а в бъдеще ще бъде полезно и при продължителни космически полети. Разработките са извършени през 1970-1980 г. в СССР и САЩ, експерименти са проведени върху животни, но голям успехне успя да постигне.

Член-кореспондентът на Руската академия на естествените науки, кандидатът на медицинските науки Андрей Филипенко, който отдавна работи по проекта за течно дишане, преди това призна пред вестник „Строго секретно“, че почти нищо не може да се каже за разработките, тъй като на тяхната секретност. Но трагедията на подводницата Курск показа, че средствата за аварийно спасяване на екипажите са безнадеждно остарели и се нуждаят от спешна модернизация.

Припомняме, че по-рано беше съобщено за други смели проекти на фонда, по-специално това е „конструктор“ за създаване на самолет на бъдещето.

Горе трябва да има спешно отделение

„Технологията е усъвършенствана от десетилетия, но това изисква много добре обучени хора. Когато тази течност се излее в белите дробове на човек, инстинктът за самосъхранение автоматично ще се задейства, спазмите блокират гърлото и тялото се съпротивлява с цялата си сила. Обикновено това се прави под лекарско наблюдение. Върху хора такива експерименти са провеждани в отделни случаи, но най-често те са тествани върху животни“, обясни пред вестник „ВЗГЛЯД“ ръководителят на руския държавен комитет по подводна работа. със специално предназначениепрез 1992–1994 г. доктор на техническите науки, професор, вицеадмирал Тенгиз Борисов.

„По правило в ларинкса се вкарва специална тръба, с помощта на която белите дробове бавно се пълнят с тази течност“, каза Борисов и добави:

– В същото време тялото се съпротивлява по всякакъв начин, имаме нужда от лекарства, които блокират спазми, имаме нужда от упойки. Не всичко е толкова просто, колкото се представя днес. Горкото куче."

„Ако човек излезе от подводница, той наистина ще избегне декомпресионна болест, но във всеки случай подводничарите няма да могат да се спасят. Имаме нужда от: а) изключително компетентни хора на подводницата, б) най-отгоре трябва да има, грубо казано, реанимационен екип, който да изпомпа тази течност от човека и да го принуди да диша по обичайния начин“, добави експерт.

„Смятам, че в медицината тази технология е много по-лесна за внедряване и прилагане в болнична среда, когато наблизо има специалисти и голямо количество необходима апаратура. Но спасяването на екипажа на потънала подводница с такива методи в обозримо бъдеще е изключително малко вероятно“, заключи Борисов.

Животът на нашата планета очевидно се е зародил във вода - в среда, където доставките на кислород са много оскъдни. При атмосферно налягане съдържанието на кислород във въздуха на морското равнище е 200 милилитра на литър, а по-малко от седем милилитра кислород се разтварят в литър повърхностна вода.

Първите жители на нашата планета, след като се адаптираха към водната среда, дишаха с хриле, чиято цел беше да извлекат максимално количество кислород от водата.

По време на еволюцията животните са усвоили богатата на кислород атмосфера на сушата и са започнали да дишат през белите си дробове. Функциите на дихателните органи остават същите.

И в белите дробове, и в хрилете кислородът прониква през тънки мембрани от заобикаляща средав кръвоносните съдове и въглеродният диоксид се отделя от кръвта в околната среда. И така, едни и същи процеси протичат както в хрилете, така и в белите дробове. Това повдига въпроса: би ли могло животно с бели дробове да диша във водна среда, ако съдържа достатъчно количество кислород?

Отговорът на този въпрос е забележителен поради няколко причини. Първо, бихме могли да разберем защо дихателните органи на сухоземните животни са толкова различни по структура от съответните органи на водните животни.

Освен това отговорът на този въпрос е от чисто практически интерес. Ако специално обучен човек можеше да диша във водна среда, това би улеснило изследването на дълбините на океана и пътуването до далечни планети. Всичко това послужи като основа за серия от експерименти за изследване на възможността сухоземните бозайници да дишат вода.

Проблеми с дишането на вода

Експериментите са проведени в лаборатории в Холандия и САЩ. Вдишването на вода има два основни проблема. Един вече беше споменат: при нормално атмосферно налягане във водата има твърде малко разтворен кислород.

Вторият проблем е, че водата и кръвта са течности с много различни физиологични свойства. При „вдишване“ водата може да увреди белодробната тъкан и да причини фатални промени в обема и състава на телесните течности.

Да предположим, че сме подготвили специален изотоничен разтвор, в който съставът на солите е същият като в кръвната плазма. Под високо налягане разтворът се насища с кислород (концентрацията му е приблизително същата като във въздуха). Ще може ли животното да диша такъв разтвор?

Първите подобни експерименти са проведени в Лайденския университет. Чрез въздушен шлюз, подобен на спасителна лодка на подводница, мишките бяха въведени в камера, пълна със специално приготвен разтвор и беше въведен кислород под налягане. През прозрачните стени на камерата беше възможно да се наблюдава поведението на мишките.

В първите няколко мига животните се опитаха да излязат на повърхността, но телената мрежа им попречи. След първите смущения мишките се успокоиха и не изглеждаше да страдат много в такава ситуация. Правеха бавни, ритмични дихателни движения, очевидно вдишвайки и издишвайки течност. Някои от тях са живели в такива условия в продължение на много часове.

Основната трудност при дишане на вода

След серия от експерименти стана ясно, че решаващият фактор, определящ продължителността на живота на мишките, не е липсата на кислород (който може да бъде въведен в разтвора във всяко необходимо количество чрез просто увеличаване на парциалното му налягане), а трудността при отстраняване на въглерода диоксид от тялото в необходимата степен.

Мишката, която е живяла най-дълго дълго време- 18 часа, - беше в разтвор, към който беше добавено малко количество органичен буфер, трис(хидроксиметил)аминометан. Последното минимизира неблагоприятните ефекти от натрупването на въглероден диоксид в животните. Намаляването на температурата на разтвора до 20 C (около половината от нормалната телесна температура на мишката) също допринесе за удължаване на живота.

В този случай това се дължи на общо забавяне на метаболитните процеси.

Обикновено един литър въздух, издишан от животно, съдържа 50 милилитра въглероден диоксид. При равни други условия (температура, парциално налягане на въглеродния диоксид) само 30 милилитра от този газ се разтварят в един литър физиологичен разтвор, идентичен по своя солев състав с кръвта.

Това означава, че за да освободи необходимото количество въглероден диоксид, животното трябва да вдиша два пъти повече вода, отколкото въздух. (Но изпомпването на течност през бронхиалните съдове изисква 36 пъти повече енергия, тъй като вискозитетът на водата е 36 пъти по-висок от вискозитета на въздуха.)

От това е очевидно, че дори при липса на турбулентно движение на течност в белите дробове, дишането на вода изисква 60 пъти повече енергия от дишането на въздух.

Ето защо не е изненадващо, че експерименталните животни постепенно отслабват, а след това - поради изтощение и натрупване на въглероден диоксид в тялото - дишането спира.

Резултати от експеримента

Въз основа на проведените експерименти беше невъзможно да се прецени колко кислород навлиза в белите дробове, колко наситена е артериалната кръв с него и каква е степента на натрупване на въглероден диоксид в кръвта на животните. Постепенно стигнахме до поредица от по-напреднали експерименти.

Те бяха извършени на кучета в голяма камера, оборудвана с допълнително оборудване. Камерата беше пълна с въздух под налягане от 5 атмосфери. Имаше и вана с физиологичен разтвор, наситен с кислород. В него е потопено опитно животно. Преди експеримента, за да се намали общата нужда от кислород на тялото, кучетата бяха анестезирани и охладени до 32°C.

По време на гмуркането кучето правело бурни дихателни движения. Струйките вода, издигащи се от повърхността, ясно показваха, че тя изпомпва разтвора през дробовете си. В края на експеримента кучето било извадено от ваната, водата била отстранена от белите дробове и те отново били напълнени с въздух. От шестте тествани животни едно оцеля. Кучето диша във водата в продължение на 24 минути.

Резултатите от експеримента могат да бъдат формулирани по следния начин: при определени условия животните, които дишат въздух, могат да дишат вода за ограничен период от време. Основният недостатък на водното дишане е натрупването на въглероден диоксид в тялото.

По време на експеримента кръвното налягане на оцелялото куче беше малко по-ниско от нормалното, но остана постоянно; пулсът и дишането бяха бавни, но редовни, артериалната кръв беше наситена с кислород. Съдържанието на въглероден диоксид в кръвта постепенно се повишава.

Това означава, че енергичното дишане на кучето не е достатъчно, за да премахне необходимите количества въглероден диоксид от тялото.

Нова серия от експерименти с водно дишане

В Ню Йорк държавен университетПродължих работата си с Herman Raan, Edward H. Lanfear и Charles V. Paganelli. В нова серия от експерименти бяха използвани инструменти, които направиха възможно получаването на конкретни данни за обмена на газ, протичащ в белите дробове на куче при дишане на течност. Както и преди, животните дишат физиологичен разтвор, наситен с кислород, под налягане от 5 атмосфери.

Газовият състав на вдишаната и издишаната течност се определя на входа и изхода на разтвора от белите дробове на кучета. Кислородната течност навлиза в тялото на анестезираното куче през гумена тръба, поставена в трахеята. Потокът се контролира от помпа с клапан.

При всяко вдишване разтворът се вливаше в белите дробове под въздействието на гравитацията, а при издишване течността се вливаше в специален приемник по същия принцип. Количеството кислород, абсорбиран в белите дробове, и количеството отделен въглероден диоксид се определят като разликата между съответните стойности в равни обеми вдишана и издишана течност.

Животните не са били охлаждани. Оказа се, че при тези условия кучето извлича приблизително същото количество кислород от водата, както обикновено от въздуха. Както може да се очаква, животните не издишват достатъчно въглероден диоксид, така че съдържанието му в кръвта постепенно се увеличава.

В края на експеримента, който продължи до четиридесет и пет минути, водата беше отстранена от белите дробове на кучето през специален отвор в трахеята. Белите дробове бяха прочистени с няколко порции въздух. Не са извършвани допълнителни процедури за „съживяване“. Шест от шестнадесет кучета преживели експеримента без видими последствия.

Взаимодействие на три елемента

Дишането както на рибите, така и на бозайниците се основава на сложното взаимодействие на три елемента:

1) нуждите на тялото за обмен на газ,

2) физични свойства на околната среда и

3) структурата на дихателните органи.

За да се издигнем над чисто интуитивната оценка на значението на органната структура в процеса на адаптация, е необходимо точно да разберем всички тези взаимодействия. Очевидно тези въпроси трябва да бъдат зададени. Как една кислородна молекула попада от околната среда в кръвта? Какъв е нейният точен път? Да се ​​отговори на тези въпроси е много по-трудно, отколкото може да се предположи.

Когато гърдите се разширяват, въздухът (или водата) навлиза в белите дробове на животното. Какво се случва с течността, която попада в граничните въздушни торбички на белите дробове? Нека да разгледаме това явление с прост пример.

Ако малко количество мастило се инжектира бавно през игла в спринцовка, частично пълна с вода, то първо ще образува тънка струйка в центъра на съда. След спиране на "вдишването" мастилото постепенно се разпространява в целия обем вода.

Ако мастилото се въведе бързо, така че потокът да е турбулентен, смесването, разбира се, ще се случи много по-бързо. Въз основа на получените данни, както и като се вземе предвид размерът на бронхите, можем да заключим, че вдишаният поток от въздух или вода навлиза във въздушните торбички бавно, без турбулентност.

Следователно може да се предположи, че при вдишване на чист въздух (или вода) молекулите на кислорода първо ще се концентрират в центъра на въздушните торбички (алвеолите). Сега те трябва да преодолеят значителни разстояния чрез дифузия, преди да достигнат стените, през които влизат в кръвта.

Тези разстояния са многократно по-големи от дебелината на мембраните, които разделят въздуха от кръвта в белите дробове. Ако вдишаната среда е въздух, това няма от голямо значение: Кислородът се разпределя равномерно в алвеолите за милионни от секундата.

Скоростта на разпространение на газовете във водата е 6 хиляди пъти по-малка от тази във въздуха. Следователно при дишане на вода възниква разлика в парциалното налягане на кислорода в централните и периферните области. Поради ниската скорост на дифузия на газа, налягането на кислорода в центъра на алвеолите става по-високо с всеки дихателен цикъл, отколкото по стените. Концентрацията на въглероден диоксид, напускащ кръвта, е по-голяма близо до стените на алвеолите, отколкото в центъра.

Газообмен в белите дробове

Такива теоретични предпоставки произтичат от изучаването на газовия състав на издишаната течност по време на експерименти върху кучета. Водата, изтичаща от белите дробове на кучето, се събираше в дълга тръба.

Оказа се, че в първата порция вода, която очевидно идва от централната част на алвеолите, има повече кислород, отколкото в последната порция, която идва от стените. Когато кучетата вдишват въздушна средаНяма забележима разлика в състава на първата и последната порция издишан въздух.

Интересно е да се отбележи, че обменът на газ, който се случва в белите дробове на кучето при вдишване на вода, е много подобен на процеса, който се случва в обикновена капка вода, когато се извършва обмен на нейната повърхност: кислород - въглероден диоксид. Въз основа на тази аналогия е изграден математически модел на белите дробове и като функционална единица е избрана сфера с диаметър приблизително един милиметър.

Изчислението показа, че белите дробове се състоят от около половин милион такива сферични газообменни клетки, в които преносът на газ се извършва само чрез дифузия. Изчисленият брой и размер на тези клетки съвпада много с броя и размера на определени белодробни структури, наречени "първични лобули" (лобули).

Очевидно тези лобули са основните функционални единици на белите дробове. По същия начин, използвайки анатомични данни, е възможно да се конструира математически модел на хрилете на рибите, чиито първични газообменни единици ще имат съответно различна форма.

Строителство математически моделинаправи възможно да се направи ясна граница между дихателните органи на бозайниците и рибите. Оказва се, че основното се крие в геометричната структура на респираторните клетки. Това става особено очевидно при изучаване на връзката, свързваща нуждата на рибата от газообмен и свойствата на околната среда с формата на дихателните органи на рибата.

Уравнението, изразяващо тази зависимост, включва такива количества като наличието на кислород, тоест неговата концентрация, скорост на дифузия и разтворимост в околната среда около животното.

Обемът на вдишания въздух или вода, броят и размерът на газообменните клетки, количеството кислород, погълнато от тях, и накрая, налягането на кислорода в артериалната кръв. Нека приемем, че рибите имат бели дробове, а не хриле като дихателни органи.

Замествайки в уравнението реални данни за обмена на газ, който се случва по време на дишането на рибата, ще открием, че риба с бели дробове няма да може да живее във вода, тъй като изчислението показва пълно отсъствие на кислород в артериалната кръв на вашия модел на риба .

Това означава, че е имало грешка в предположението, а именно: избраната форма на газообменната клетка се е оказала неправилна. Рибите живеят във вода благодарение на хрилете, състоящи се от плоски, тънки, плътно опаковани плочи. При такава структура - за разлика от сферичните клетки на белите дробове - няма проблем с дифузията на газа.

Животно с дихателни органи, подобни на белите дробове, може да оцелее във вода само ако нуждата на тялото му от кислород е изключително ниска. Да вземем за пример морската краставица.

Хрилете дават на рибите способността да живеят във вода и същите тези хриле им пречат да съществуват извън водата. Във въздуха те се унищожават от гравитацията. Повърхностното напрежение на границата въздух-вода кара плътно опакованите хрилни пластини да се слепват.

Общата площ на хрилете, достъпна за обмен на газ, намалява толкова много, че рибата не може да диша, въпреки изобилието от кислород във въздуха. Алвеолите на белите дробове са защитени от разрушаване, първо, от гръдния кош, и второ, от омокрящ агент, освободен в белите дробове, което значително намалява повърхностното напрежение.

Дишане на бозайници във вода

По този начин изследването на дихателните процеси на бозайниците във вода предостави нова информация за основните принципи на дишането като цяло. От друга страна, имаше реално предположение, че човек ще може да диша течност за ограничено време без вредни последици. Това ще позволи на водолазите да се спуснат до много по-големи океански дълбочини, отколкото в момента.

Основната опасност от дълбоководното гмуркане е свързана с натиска на водата върху гърдите и белите дробове. В резултат на това налягането на газовете в белите дробове се повишава и част от газовете навлизат в кръвта, което води до сериозни последствия. При високо налягане повечето газове са токсични за тялото.

По този начин азотът, попаднал в кръвта на водолаза, причинява интоксикация още на дълбочина 30 метра и практически го извежда от строя на дълбочина 90 метра поради получената азотна наркоза. (Този проблем може да бъде решен чрез използване на редки газове като хелий, които са нетоксични дори при много високи концентрации.)

Освен това, ако водолазът се върне твърде бързо от дълбочина на повърхността, газовете, разтворени в кръвта и тъканите, се освобождават като мехурчета, причинявайки декомпресионна болест.

Тази опасност може да бъде избегната, ако водолазът диша течност, обогатена с кислород, а не въздух. Течността в белите дробове ще издържи на значително външно налягане и нейният обем ще остане практически непроменен. При такива условия водолазът, спускащ се на дълбочина от няколкостотин метра, ще може бързо да се върне на повърхността без никакви последствия.

За да докажа, че декомпресионната болест не възниква при вдишване на вода, в моята лаборатория бяха проведени следните експерименти. При експерименти с мишка, която диша течност, налягането от 30 атмосфери е доведено до една атмосфера за три секунди. Нямаше признаци на заболяване. Тази степен на промяна на налягането е еквивалентна на ефекта от издигане от дълбочина 910 метра със скорост 1100 километра в час.

Човек може да диша вода

Течното дишане може да бъде полезно за хората при бъдещи пътувания в космоса. Когато се връщате от далечни планети, например от Юпитер, ще има нужда от огромни ускорения, за да избягате от гравитационната зона на планетата. Тези ускорения са значително по-големи от това, което човешкото тяло, особено лесно уязвимите бели дробове, може да издържи.

Но същите натоварвания ще станат напълно приемливи, ако белите дробове са пълни с течност и тялото на астронавта е потопено в течност с плътност, равна на плътността на кръвта, точно както плодът е потопен в околоплодната течност на утробата на майката.

Италианските физиолози Рудолф Маргария, Т. Гултероти и Д. Спинели извършват такъв експеримент през 1958 г. От него беше хвърлен стоманен цилиндър, съдържащ бременни плъхове различни височинина водеща опора. Целта на експеримента беше да се тества дали плодът ще оцелее при рязкото спиране и шока при приземяването. Скоростта на спиране се изчислява от дълбочината на вдлъбнатина на цилиндъра в оловната основа.

Самите животни умират веднага по време на експеримента. Аутопсията показа значителни белодробни увреждания. Оперативно освободените ембриони обаче бяха живи и се развиха нормално. Плодът, защитен от маточната течност, може да издържи отрицателни ускорения до 10 хиляди g.

След като експериментите показаха, че сухоземните животни могат да дишат течност, разумно е да се приеме същата възможност и за хората. Сега имаме някои преки доказателства в подкрепа на това предположение. Например сега използваме нов метод за лечение на някои белодробни заболявания.

Методът се състои в промиване на един бял дроб с физиологичен разтвор, който отстранява патологичния секрет от алвеолите и бронхите. Вторият бял дроб диша кислороден газ.

Успешното изпълнение на тази операция ни вдъхнови да проведем експеримент, за който доброволно се включи смелият водолаз, дълбоководният гмуркач Франсис Д. Фалейчик.

Под анестезия в трахеята му беше поставен двоен катетър, като всяка тръба стигаше до белите му дробове. При нормална телесна температура въздухът в единия бял дроб беше заменен с 0,9% разтвор на готварска сол. „Дихателният цикъл“ се състоеше от въвеждане на физиологичен разтвор в белия дроб и след това отстраняването му.

Цикълът се повтаря седем пъти, като за всяко „вдишване“ се вземат 500 милилитра разтвор. Фалейчик, който е бил в пълно съзнание по време на процедурата, каза, че не е забелязал значителна разлика между белодробния дишащ въздух и белодробната дишаща вода. Той също така не изпитва никакви неприятни усещания, когато потокът от течност влиза и излиза от белия дроб.

Разбира се, този експеримент все още е много далеч от опита за извършване на процеса на дишане с двата бели дроба във вода, но той показа, че пълненето на белите дробове на човек с физиологичен разтвор, ако процедурата се извършва правилно, не причинява сериозно разрушаване на тъканите и не предизвиква неприятни усещания.

Най-трудният проблем с дишането на вода

Може би най-трудният проблем за разрешаване е този с освобождаването на въглероден диоксид от белите дробове при вдишване на вода. Както вече казахме, вискозитетът на водата е приблизително 36-40 пъти по-голям от вискозитета на въздуха. Това означава, че белите дробове ще изпомпват вода поне четиридесет пъти по-бавно от въздуха.

С други думи, здрав млад гмуркач, който може да вдиша 200 литра въздух на минута, ще може да вдиша само 5 литра вода на минута. Съвсем очевидно е, че при такова дишане въглеродният диоксид няма да се отделя в достатъчни количества, дори ако човекът е напълно потопен във вода.

Възможно ли е да се реши този проблем, като се използва среда, в която въглеродният диоксид се разтваря по-добре, отколкото във вода? В някои втечнени синтетични флуоровъглероди въглеродният диоксид се разтваря например три пъти повече, отколкото във вода, а кислородът - тридесет пъти. Leland S. Clark и Frank Gollan показаха, че мишката може да живее в съдържащ кислород течен въглероден флуорид при атмосферно налягане.

Въглеродният флуорид не само съдържа повече кислород от водата, но в тази среда скоростта на дифузия на газа е четири пъти по-висока. И тук обаче малкият препъникамък остава пропускателна способносттечности през белите дробове: флуоровъглеродите са дори по-вискозни от физиологичния разтвор.

Превод от английски Н. Познанская.

Наскоро Научно-техническият съвет на Държавната фондация за напреднали изследвания одобри „проект за създаване на технология за спасяване на подводничари чрез свободно издигане по метода на течно дишане“, чието изпълнение трябва да се извърши от Московския институт по труда Медицина (към момента на писане ръководството на института беше недостъпно за коментари). „Attic“ реши да разбере какво се крие зад мистериозната фраза „течно дишане“.

Течното дишане е демонстрирано най-впечатляващо във филма на Джеймс Камерън „Бездната“.

Вярно е, че експерименти в тази форма никога досега не са провеждани върху хора. Но като цяло учените не отстъпват много на Камерън по отношение на изследванията по този въпрос.

Мишките са като рибите

Първият, който показа, че бозайниците могат по принцип да получават кислород не от смес от газове, а от течност, беше Йоханес Килстра от медицинския център на университета Дюк (САЩ). Заедно с колегите си, през 1962 г. той публикува работата „От мишките като риби“ в сп. Транзакции на Американското дружество за изкуствени вътрешни органи.

Килстра и колегите му потапят мишки във физиологичен разтвор. За да разтворят в него количество кислород, достатъчно за дишане, изследователите "вкараха" газа в течността под налягане до 160 атмосфери - като на дълбочина 1,5 километра. Мишките оцеляха в тези експерименти, но не много дълго: в течността имаше достатъчно кислород, но процесът на дишане, всмукване и изтласкване на течност от белите дробове изискваше твърде много усилия.

"Вещество Джо"

Стана ясно, че е необходимо да се избере течност, в която кислородът да се разтваря много по-добре, отколкото във вода. Два вида течности имаха необходимите свойства: силиконови масла и течни перфлуоровъглероди. Експериментите на Леланд Кларк, биохимик от Медицинския факултет на Университета на Алабама, откриха в средата на 60-те години, че и двата вида течности могат да се използват за доставяне на кислород до белите дробове. При експерименти мишки и котки бяха напълно потопени както в перфлуоровъглеводороди, така и в силиконови масла. Последният обаче се оказва токсичен – опитните животни умират скоро след експеримента. Но перфлуоровъглеродите се оказаха доста подходящи за употреба.

Перфлуоровъглеродите са синтезирани за първи път по време на проекта Манхатън за създаване атомна бомба: Учените са търсили вещества, които няма да бъдат унищожени при взаимодействие с уранови съединения, и те са били под кодовото име „нещата на Джо“. Те са много подходящи за течно дишане: "веществата на Джо" не взаимодействат с живите тъкани и перфектно разтварят газове, включително кислород и въглероден диоксид при атмосферно налягане и нормална температура на човешкото тяло.

Килстра и колегите му изследваха технологията за дишане с течност в търсене на технология, която да позволи на хората да се гмуркат и да изплуват на повърхността без страх от развитие на декомпресионна болест. Бързото издигане от голяма дълбочина със снабдяване със сгъстен газ е много опасно: газовете се разтварят по-добре в течности под налягане, така че докато водолазът се издига, разтворените в кръвта газове, по-специално азот, образуват мехурчета, които увреждат кръвоносните съдове. Резултатът може да бъде тъжен, дори фатален.

През 1977 г. Килстра представя доклад до Министерството на военноморските сили на САЩ, в който пише, че според неговите изчисления, здрав човекмогат да получат необходимото количество кислород при използване на перфлуоровъглероди и съответно те могат потенциално да се използват вместо сгъстен газ. Ученият посочи, че тази възможност открива нови перспективи за спасяване на подводничари от големи райони.

Експерименти върху хора

На практика техниката на течно дишане, по това време наричана течна вентилация, е използвана при хора само веднъж, през 1989 г. Тогава Томас Шафър, педиатър от Медицинския факултет на Темпълския университет (САЩ), и колегите му използваха този метод за спасяване на недоносени бебета. Белите дробове на плода в утробата са пълни с течност и когато човек се роди и започне да диша въздух, белодробната тъкан е предотвратена от слепване до края на живота си от смес от вещества, наречени белодробен сърфактант. При недоносените бебета той няма време да се натрупа в необходимото количество и дишането изисква много големи усилия, което може да бъде фатално. По това време обаче течната вентилация на бебетата не спасява: и тримата пациенти скоро умират, но този тъжен факт се дължи на други причини, а не на несъвършенството на метода.

Повече експерименти върху пълна течна вентилация на белите дробове, както научно се нарича тази технология, не са провеждани върху хора. Въпреки това през 90-те години на миналия век изследователите модифицираха метода и експериментираха с частична течна вентилация, при която белите дробове не са напълно пълни с течност, при пациенти с тежко възпалително белодробно заболяване. Първите резултати изглеждаха обнадеждаващи, но в крайна сметка не стигнаха до клинично приложение - оказа се, че конвенционалната вентилация на белите дробове с въздух работи не по-зле.

Патент за измислица

В момента изследователите са се върнали към идеята за използване на пълна течна вентилация. Въпреки това, фантастичната картина на водолазен костюм, в който човек ще диша течност вместо специална смес от газове, е далеч от реалността, въпреки че вълнува въображението на обществеността и умовете на изобретателите.

Така през 2008 г. пенсионираният американски хирург Арнолд Ланде патентова водолазен костюм, използващ технология за течна вентилация. Вместо сгъстен газ, той предложи да се използват перфлуоровъглеводороди и да се премахне излишният въглероден диоксид, който ще се образува в кръвта, като се използват изкуствени хриле, „залепени“ директно в бедрената вена на водолаза. Изобретението придоби известна слава, след като публикация писа за него The Independent.

Според Филип Мишо, специалист по течна вентилация в университета на Шербрук в Канада, проектът на Ланде изглежда съмнителен. „В нашите експерименти (Мишо и колегите му провеждат експерименти върху агнета и зайци със здрави и увредени бели дробове – бел. от Атик) върху тотално течно дишане, животните са под упойка и не се движат. Следователно можем да организираме нормален газообмен: доставка на кислород и отстраняване на въглероден диоксид. За хора със физическа дейност, като плуване и гмуркане, доставянето на кислород и отстраняването на въглероден диоксид ще бъде проблем, тъй като производството на въглероден диоксид при такива условия е по-високо от нормалното,” коментира Мишо. Ученият също така отбеляза, че технологията за фиксиране на „изкуствени хриле“ в бедрената вена не му е известна.

Основният проблем на "течното дишане"

Освен това Мишо смята самата идея за „дишане на течности“ съмнителна, тъй като човешките мускули не са пригодени за „дишане“ на течности, а ефективна системавсе още не са разработени помпи, които биха помогнали да изпомпват и изпомпват течност от белите дробове на човек, когато той се движи и върши някаква работа.

„Трябва да заключа, че на сегашния етап на технологично развитие е невъзможно да се разработи водолазен костюм, използвайки метода на течна вентилация“, казва изследователят.

Въпреки това, приложението на тази технология продължава да се изследва за други, по-реалистични цели. Например, за да помогнете на удавени хора, да измиете белите дробове за различни заболявания или бързо да понижите телесната температура (използва се в случаи на реанимация по време на сърдечен арест при възрастни и новородени с хипоксично-исхемично увреждане на мозъка).

Гледах го 8 пъти със сигурност. И всеки път тя го правеше единствено с цел забавление и интересен сюжетс невероятна актьорска игра, която, според свидетелството на филмовия екип, силно изтощи главните актьори.

И в последен пътРазбрах, че има нещо повече в този филм.

По време на филма ни се говори за дишане на течност. Това, с което сме започнали в утробата, може да продължи. Основното е ситуацията.

Всичките 7 гледания за мен филмът беше просто фантазия, игра на въображението на сценариста или режисьора. В една сцена показват как мишка диша специална течност. В другата Бъд (героят на Ед Харис) е в скафандър, пълен с тази течност. Той е изпратен на дълбочина, където никой не е бил, пълнейки дробовете си със „специална вода“, защото кислородът в човешкото тяло няма какво да прави на такава дълбочина.

Разработил екипировката за гмуркане преди около шестдесет години, французинът Жак Ив Кусто въвежда термина „вода“ и „бели дробове“ в името й. Но самата технология за пълно запълване на белите дробове с вода (под формата на водно-солев разтвор) стана известна от публикацията на Kylstra J. „A Mouse Like a Fish“ - първата за течно дишане, която говори за това идея за спасяване на подводничари. Той беше първият, който извърши спускания върху сухоземни бозайници (мишки) на дълбочина 1000 m и показа, че преходът към течно дишане напълно предотвратява смъртта от образуване на декомпресионен газ. В СССР това беше потвърдено по време на изкуствена белодробна вентилация (ALV) с течност при кучета при условия на симулиране на гмуркане на 1000 m.

Цялата течна дихателна система е базирана на перфлуоровъглеродна формула. Перфлуброн е бистра, мазна течност с ниска плътност. Съдържа повече кислород от въздуха. Тъй като тази течност е инертна, тя не уврежда белите дробове. Тъй като има много ниска точка на кипене, бързо и лесно се отстранява от белите дробове;

Има малко производители на тези течности на световния пазар, тъй като тяхното развитие е страничен продукт " ядрени проекти" Известни са медицински качествени течности само от няколко световни компании: DuPont (САЩ), ICI и F2 (Великобритания), Elf-Atochem (Франция). Перфлуоровъглеродните течности, технологично разработени в Института по приложна химия в Санкт Петербург, сега са лидери в медицината и козметологията;

В Русия те сериозно и без смях в стаята за пушачи мислеха за темата за свободното изкачване чрез специална система за течно дишане след;

От създаването на Руската федерация разработването на метод за течно дишане за спасяване на подводничари, както и подготовката на доброволчески тестове през 2007 г. се извършват и се извършват без грантове, за сметка на AVF в сътрудничество с държавата Санкт Петербург Медицински университет на име. И.П. Павлова и други организации;

В момента съществува специален дълбоководен водолазен апарат под формата на проект в рамките на авторската концепция за бързо спасяване на подводничари. Базира се на уникални свойствабързи и устойчиви на налягане водолази с течно дишане;

Арнолд Ланде, бивш хирург, а сега пенсиониран американски изобретател, регистрира патент за водолазен костюм, оборудван с цилиндър със специална течност, обогатена с кислород. Така нареченият „течен въздух“ се подава от цилиндър към шлема на водолаза, изпълва цялото пространство около главата, измества въздуха от белите дробове, назофаринкса и ушите, насищайки белите дробове на човека с достатъчно кислород. На свой ред въглеродният диоксид, който се отделя по време на дишането, излиза с помощта на вид хриле, прикрепени към бедрената вена на водолаза. Тоест, самият процес на дишане просто става ненужен - кислородът навлиза в кръвта през белите дробове, а въглеродният диоксид се отстранява директно от кръвта. Вярно, как тази най-несвиваема течност ще се подава от цилиндъра, все още не е съвсем ясно...;

Има информация, че експериментите с дишане на течност се провеждат с пълна сила. И в Русия също;

Във филма "Бездната", разбира се, никой от актьорите не дишаше "специална вода". И в една от сцените дори имаше малка, но много запомняща се грешка, когато Бъд се спуска в дълбините, от устата му излиза издайнически балон... който не би трябвало да съществува при условията на течно дишане;

Актьорът Ед Харис, който изигра една от главните роли, ролята на Бъд, веднъж на път от снимките трябваше да спре поради пристъп на неволен плач.Процесът на създаване на филма беше толкова изтощителен. Камерън поиска изключителна правдоподобност.

Гледане на филм. Дишайте свободно и карайте извън пътя само за да снимате пеперуди.

Благодаря, че направихте някои данни публично достъпни. Член-кореспондент на Руската академия на естествените науки, д-р.А. В. Филипенко.

28 декември 2017 г

Откакто Фондацията за напреднали изследвания (APF) одобри проекта за течно дишане през 2016 г., обществеността силно се интересува от успеха му. Скорошна демонстрация на възможностите на тази технология буквално взриви интернет. На среща между вицепремиера Дмитрий Рогозин и президента на Сърбия Александър Вучич дакел беше потопен за две минути в аквариум със специална течност, наситена с кислород. След процедурата кучето, по думите на вицепремиера, е живо и здраво.

Лично аз, разбира се, не разбирам защо тълпи от хора, които съжаляват кучето в социалните мрежи, не се втурват да защитават например мишки и зайци, които обикновено умират на партиди в институциите. Интересно е също, че например те смятат Корольов за жесток и безсърдечен - той дари повече от едно куче в полза на човечеството. И тук, а. Е, добре, изобщо не говорим за това.

Каква беше тази течност? Възможно ли е да се диша течност? И как вървят нещата в тази област на научните изследвания?

За да стане ясно защо откритието се нарича истински пробив. Още в края на 80-те се обмисляше течното дишане научна фантастика. Използван е от героите във филма на американския режисьор Джеймс Камерън "Бездната". И дори във филма беше наречено експериментална разработка.

Те отдавна се опитват да научат хората и животните да дишат течности. Първите опити през 60-те години бяха неуспешни, опитните мишки живяха много кратко. Техниката на течна вентилация е тествана върху хора само веднъж в Съединените щати, за да се спасят недоносени бебета. Нито едно от трите бебета обаче не може да бъде реанимирано.

По това време перфторанът се използва за доставяне на кислород в белите дробове, използва се и като кръвозаместител. Основният проблем беше, че тази течност не можеше да бъде достатъчно пречистена. Въглеродният диоксид не се разтваря добре в него и за продължително дишане е необходима принудителна вентилация на белите дробове. В покой човек със средно телосложение и среден ръст трябваше да премине през себе си 5 литра течност в минута, а под натоварване - 10 литра в минута. Белите дробове не са подходящи за такива натоварвания. Нашите изследователи успяха да разрешат този проблем.

Течно дишане, течна вентилация на белите дробове - дишане с помощта на течност, която разтваря добре кислорода. Към днешна дата са провеждани само отделни експерименти с такива технологии.

Течното дишане включва запълване на белите дробове с течност, наситена с разтворен кислород, който прониква в кръвта. Най-подходящите вещества за тази цел са перфлуоровъглеродните съединения, които разтварят добре кислорода и въглеродния диоксид, имат ниско повърхностно напрежение, силно инертни и не се метаболизират в организма.

Частичната течна вентилация в момента е в клинични изпитвания за различни дихателни нарушения. Разработени са няколко метода за течна вентилация на белите дробове, включително вентилация с помощта на пари и аерозоли от перфлуоровъглеводороди.

Пълната течна вентилация на белите дробове се състои в пълно запълване на белите дробове с течност. Експерименти за пълна течна вентилация на белите дробове са проведени върху животни през 70-те и 80-те години в СССР и САЩ. Например, през 1975 г. в Института по сърдечно-съдова хирургия на името на. A. N. Bakulev, професор F. F. Beloyartsev, за първи път в страната, извършва работа по дългосрочна екстрапулмонална оксигенация с помощта на флуоровъглеродни оксигенатори и замяна на газовата среда в белите дробове с течен перфлуоровъглерод. Тези експерименти обаче все още не са напуснали този етап. Това се дължи на факта, че изследваните съединения, подходящи за течна вентилация на белите дробове, имат редица недостатъци, които значително ограничават тяхната приложимост. По-специално, не са открити методи, които могат да се използват дълго време.

Предполага се, че течното дишане може да се използва при дълбоководни гмуркания, космически полети и като едно от средствата в комплексното лечение на някои заболявания.

В Руската федерация Андрей Викторович Филипенко, учен, лекар, разработчик на технологии и изобретател на апарата за течно дишане, се занимава с експерименти и разработки в областта на течното дишане. Разработките на учения са известни както в Русия, така и в чужбина. Филипенко е настоящ кандидат на медицинските науки, специалист по течно дишане, белодробна патофизиология, възстановителна медицина, фармакологични тестове и разработване на медицински изделия. Издаде повече от 20 научни и технически доклада и публикува около 30 научни статиив руската и чуждестранната преса. Говорил е на множество конференции по темата за дишането с течности и спасяването на подводници, включително в Русия, Германия, Белгия, Швеция, Великобритания и Испания. Има сертификати за авторски права за метода за ултразвукова локация на газови мехурчета за декомпресия и др. През 2014 г. Андрей Викторович Филипенко сключи споразумение с Фондацията за напреднали изследвания, работата с която продължи до 2016 г.

"Учените са синтезирали вещества, които не съществуват в природата - перфлуоровъглероди, в които междумолекулните сили са толкова малки, че се считат за нещо междинно между течност и газ. Те разтварят кислорода 18-20 пъти повече от водата", казва д-р на Медицински науки Евгений Майевски, професор, ръководител на лабораторията по енергетика на биологичните системи в Института по теоретична и експериментална биофизика на Руската академия на науките, един от създателите на перфторан, така наречената синя кръв. Работи върху медицински приложения на перфлуоровъглеводороди от 1979 г.

При парциално налягане от една атмосфера само 2,3 милилитра кислород се разтварят в 100 милилитра вода. При същите условия перфлуорвъглеродите могат да съдържат до 50 милилитра кислород. Това ги прави потенциално дишащи.

"Например, когато се гмуркате на дълбочина, на всеки 10 метра налягането се увеличава с поне една атмосфера. В резултат на това гърдите и белите дробове ще се свият до такава степен, че ще стане невъзможно да се диша в газова среда. И ако в белите дробове има течност, пренасяща газ, значително по-висока плътностотколкото въздух и дори вода, те ще могат да функционират. Кислородът може да се разтвори в перфлуоровъглеводороди без примеса на азот, който е изобилен във въздуха и чието разтваряне в тъканите е една от най-значимите причини за декомпресионна болест при изкачване от дълбочина“, продължава Майевски.

Кислородът ще навлезе в кръвта от течността, изпълваща белите дробове. Въглеродният диоксид, пренасян от кръвта, също може да се разтвори в него.

Принципът на течното дишане е перфектно усвоен от рибите. Хрилете им позволяват колосален обем вода да премине през тях, да поеме разтворения там кислород и да го освободи в кръвта. Човек няма хриле и цялата обмяна на газ се извършва през белите дробове, чиято повърхност е приблизително 45 пъти по-голяма от повърхността на тялото. За да преместим въздуха през тях, ние вдишваме и издишваме. За това ни помагат дихателните мускули. Тъй като перфлуорвъглеродите са по-плътни от въздуха, дишането на повърхности с тяхна помощ е много проблематично.

"Това е науката и изкуството да се избират такива перфлуоровъглеводороди, за да се улесни работата на дихателните мускули и да се предотврати увреждане на белите дробове. Много зависи от продължителността на процеса на дишане на течността, от това дали се случва насила или спонтанно", заключава изследователят .

Въпреки това, няма фундаментални пречки човек да диша течност. Евгений Майевски вярва, че руски учени ще доведат демонстрираната технология до практическо приложение през следващите няколко години.

От интензивни грижи до спасяване на подводничари

Учените започнаха да разглеждат перфлуоровъглеводородите като алтернатива на дихателните газови смеси в средата на миналия век. През 1962 г. холандският изследовател Йоханес Килстра публикува статия „От мишките като риби“, която описва експеримент с гризач, поставен в кислороден физиологичен разтвор при налягане от 160 атмосфери. Животното остава живо 18 часа. Тогава Килстра започва да експериментира с перфлуоровъглеводороди и още през 1966 г. в Детската болница в Кливланд (САЩ) физиологът Леланд К. Кларк се опитва да ги използва за подобряване на дишането на новородени с кистозна фиброза. Това е генетично заболяване, при което бебето се ражда с недоразвити бели дробове и алвеолите му колабират, предотвратявайки дишането. Белите дробове на такива пациенти се измиват с физиологичен разтвор, наситен с кислород. Кларк реши, че би било по-добре да направи това с течност, съдържаща кислород. Впоследствие този изследовател направи много за развитието на течното дишане.

В началото на 70-те години СССР се заинтересува от "дишащата" течност, до голяма степен благодарение на ръководителя на лабораторията на Ленинградския научно-изследователски институт по кръвопреливане Зоя Александровна Чаплыгина. Този институт стана един от лидерите в проекта за създаване на кръвни заместители - носители на кислород на базата на перфлуоровъглеродни емулсии и разтвори на модифициран хемоглобин.

Феликс Белоярцев и Халид Хапий активно работиха върху използването на тези вещества за промиване на белите дробове в Института по сърдечно-съдова хирургия.

„В нашите експерименти белите дробове на малки животни пострадаха донякъде, но всички те оцеляха“, спомня си Евгений Майевски.

Дихателната система, използваща течност, е разработена по затворена тема в институти в Ленинград и Москва, а от 2008 г. - в катедрата по аерохидродинамика на Самарския държавен аерокосмически университет. Там направиха капсула от типа „Русалка“ за практикуване на течно дишане при аварийно спасяване на подводничари от големи дълбочини. От 2015 г. разработката е тествана в Севастопол по темата Терек, подкрепена от фонда.

Наследството на атомния проект

Перфлуорвъглеродите (перфлуорвъглеводороди) са органични съединения, в които всички водородни атоми са заменени с флуорни атоми. Това се подчертава от латинския префикс "per-", което означава пълнота, цялост. Тези вещества не се срещат в природата. Те се опитаха да ги синтезират обратно в края на XIXвекове, но наистина успяха едва след Втората световна война, когато бяха необходими за ядрената индустрия. Производството им в СССР е създадено от академик Иван Людвигович Кнунянц, основател на лабораторията на органофлуорни съединения в INEOS RAS.

„Перфлуорвъглеводородите се използват в технологията за производство на обогатен уран. В СССР техният най-голям разработчик беше Държавен институтприложна химия в Ленинград. В момента те се произвеждат в Кирово-Чепецк и Перм“, казва Майевски.

Външно течните перфлуорвъглеводороди приличат на вода, но са значително по-плътни. Те не реагират с основи и киселини, не се окисляват и се разлагат при температури над 600 градуса. Всъщност те се считат за химически инертни съединения. Благодарение на тези свойства, перфлуоровъглеродните материали се използват в интензивното лечение и регенеративната медицина.

"Има такава операция - бронхиална промивка, когато човек под анестезия се измива един бял дроб, а след това другият. В началото на 80-те години, заедно с волгоградския хирург А. П. Савин, стигнахме до заключението, че е по-добре да се направи тази процедура с перфлуоровъглеводород под формата на емулсия” - дава пример Евгений Майевски.

Тези вещества се използват активно в офталмологията, за ускоряване на заздравяването на рани и при диагностициране на заболявания, включително рак. IN последните годиниЯМР диагностичен метод с използване на перфлуоровъглероди се разработва в чужбина. У нас тези изследвания се провеждат успешно от екип учени от Московския държавен университет. М. В. Ломоносов под ръководството на академик Алексей Хохлов, INEOS, ITEB RAS и IIP (Серпухов).

Трябва също да се спомене, че тези вещества се използват за производство на масла и смазочни материали за системи, работещи при високи температури, включително реактивни двигатели.

източници: