"Рідинне дихання" поки годиться тільки для собак. Кінодеталі

«Далеко не все так просто, як було представлено сьогодні. Бідолашний песик». Такими словами фахівці коментують експеримент, продемонстрований Дмитром Рогозіним президенту Сербії як приклад новітніх наукових розробок Росії: собака змогла дихати не повітрям, а рідиною. Що є ця технологія і чи може вона допомогти російським військовим?

У ході зустрічі в Москві з президентом Сербії Олександром Вучичем віце-прем'єр Дмитро Рогозін у вівторок низку новітніх розробок російського Фонду перспективних досліджень (ФПІ). Рогозін зазначив, що сербського гостя могли б звозити на якесь величезне промислове підприємство, але куди цікавіше «показати той завтрашній день, куди ми прагнемо». Таким "цвяхом програми" став унікальний проект рідинного дихання, який був вперше продемонстрований публічно.

Як пояснив керівник проекту військово-морський лікар Федір Арсеньєв, завдання даного винаходу полягає в порятунку екіпажу підводного човна, що гине. Як відомо, із глибини нижче 100 метрів неможливо швидко піднятися на поверхню через кесонну хворобу. Щоб уникнути її, на підводному човні можна буде одягнути апарат з рідиною, що «не містить азоту», як передав ТАСС. Легкі людини при цьому не стискатимуться, що дозволить швидко піднятися на поверхню і врятуватися.

На очах у сербського президента в особливий резервуар з рідиною був поміщений собака - такса. За кілька хвилин вона освоїлася і почала самостійно "дихати" рідиною. Після цього співробітники лабораторії вийняли пса з резервуара, витерли рушником, і президент Сербії зміг особисто переконатися, що собака в порядку. Вучич погладив пса та зізнався, що дуже вражений.

Мрія про «людину-амфібію»

« Рідке диханняяк медична технологія має на увазі вентиляцію легень не повітрям, а насиченою киснем рідиною. У рамках проекту вирішується наукове завдання щодо вивчення особливостей впливу різних переносящих кисень речовин на газообмін та інші функції клітин, тканин та органів ссавців», – розповіли газеті ПОГЛЯД у відділі зв'язків із громадськістю Фонду перспективних досліджень (ФПІ).

Одним із напрямів є формування медико-біологічних основ технології самостійної евакуації підводників з великих глибин на поверхню, зазначили у ФПІ, але технологія здатна взагалі помітно просунути дослідження людиною раніше не вивчених морських та океанських глибин. Стверджується, що ця розробка знадобиться і в медицині – наприклад, допоможе виходити недоношених дітей або людей, які одержали опіки дихальних шляхів, знайде застосування у лікуванні бронхообструктивних, інфекційних та інших тяжких захворювань.

Потрібно відзначити, що рідинне дихання на перший погляд здається фантастичною вигадкою, але насправді має наукову основу, і під цю ідею підведено серйозну теоретичну базу. Замість кисню вчені пропонують використовувати спеціальні хімічні сполуки, які здатні добре розчиняти кисень та вуглекислий газ.

«Рідинне дихання» давно стало ідеєю фікс для вчених усього світу. Прилад «людини-амфібії» здатний рятувати аквалангістів та підводників, а в перспективі знадобиться у тривалих космічних польотах. Розробки велися в 1970-1980-і роки в СРСР та США, експерименти проводилися на тваринах, але великих успіхівдобитися не вдалося.

Член-кореспондент РАЄН, кандидат медичних наук Андрій Філіппенко, який тривалий час працює над проектом рідинного дихання, визнавався раніше газеті «Цілком таємно», що про розробки практично нічого не можна говорити через їхню закритість. Але те, що засоби аварійного порятунку екіпажів безнадійно застаріли і потребують якнайшвидшої модернізації, показала трагедія підводного човна «Курськ».

Нагадаємо, раніше повідомлялося про інші сміливі проекти ФПІ, зокрема це «конструктор» для створення та літака майбутнього.

Нагорі має чекати реанімація

«Технологія не один десяток років відпрацьовувалась, але для цього потрібні дуже добре підготовлені люди. Коли людині вливають у легені цю рідину – автоматично спрацьовуватиме інстинкт самозбереження, спазми перекривають горло, організм пручається щосили. Зазвичай це робиться під наглядом лікарів. На людях такі досліди проводилися в поодиноких випадках, а переважно вони відпрацьовувалися на тваринах», – пояснив газеті ПОГЛЯД голова Комітету при уряді РФ з проведення підводних робіт. особливого призначення 1992–1994 рр., доктор технічних наук, професор, віце-адмірал Тенгіз Борисов.

«Як правило, вставляється в горло спеціальна трубка, за допомогою якої легені повільно заповнюються цією рідиною, – сказав Борисов, додавши:

– При цьому організм всіляко чинить опір, потрібні препарати, які блокують спазми, потрібні анестетики. Не все так просто, як було представлено сьогодні. Бідолашний песик».

«Якщо людина спливе з підводного човна, то вона дійсно уникне кесонної хвороби, але самостійно рятуватися підводники в жодному разі не зможуть. Потрібно: а) виключно грамотні люди на підводному човні; б) нагорі повинна чекати, грубо кажучи, команда реанімації, яка викачуватиме з людини цю рідину і змушуватиме її дихати звичайним способом», – додав експерт.

«Думаю, в медицині цю технологію значно легше впровадити та застосовувати в умовах стаціонару, коли поряд є фахівці та велика кількість необхідної апаратури. А ось порятунок екіпажу субмарини, що затонула, такими методами в найближчому майбутньому вкрай малоймовірно», – підсумував Борисов.

Життя на нашій планеті зародилося, мабуть, у воді - в середовищі, де запаси кисню дуже мізерні. При атмосферному тиску вміст кисню в повітрі на рівні моря становить 200 мілілітрів на літр, а в літрі поверхневого шару води розчинено менше семи мілілітрів кисню.

Перші жителі нашої планети, пристосувавшись до водного середовища, дихали зябрами, призначення яких екстрагувати максимальну кількість кисню з води.

У ході еволюції тварини освоїли багату на кисень атмосферу суші і почали дихати легкими. Функції дихальних органів залишилися незмінними.

Як у легенях, так і в зябрах кисень через тонкі мембрани проникає з довкілляу кровоносні судини, а вуглекислий газ викидається з крові у навколишнє середовище. Отже, і в зябрах і в легенях протікають одні й самі процеси. Звідси виникає питання: чи змогла б тварина з легкими дихати у водному середовищі, якби в ній містилася достатня кількість кисню?

Відповідь на це питання заслуговує на увагу з кількох причин. По-перше, ми змогли б дізнатися, чому дихальні органи сухопутних тварин відрізняються за будовою від відповідних органів водних тварин.

Крім того, відповідь на це питання має і суто практичний інтерес. Якби спеціально підготовлена ​​людина змогла дихати у водному середовищі, то це полегшило б і освоєння глибин океану та подорожі до далеких планет. Все це і послужило підставою для постановки низки експериментів з вивчення можливості дихання сухопутних ссавців водою.

Проблеми при диханні водою

Експерименти проводились у лабораторіях Нідерландів та США. Дихання водою пов'язане із двома основними проблемами. Про одну вже йшлося: при звичайному атмосферному тиску у воді розчинено надто мало кисню.

Друга проблема полягає в тому, що вода та кров – рідини з дуже різними фізіологічними властивостями. При «вдиху» вода може пошкодити тканини легень і викликати фатальні зміни обсягу і складу рідин, що знаходяться в організмі.

Припустимо, ми приготували спеціальний ізотонічний розчин, де склад солей такий самий, як у плазмі крові. Під великим тиском розчин насичують киснем (його концентрація приблизно така сама, як у повітрі). Чи зможе тварина дихати таким розчином?

Перші подібні експерименти було проведено у Лейденському університеті. Через шлюз, подібний до рятувального шлюпа підводного човна, мишей вводили в камеру, заповнену спеціально підготовленим розчином, і який під тиском був введений кисень. Через прозорі стіни камери можна було спостерігати за поведінкою мишей.

У перші кілька хвилин тварини намагалися вибратися на поверхню, але їм заважала дротяна сітка. Після перших хвилювань миші заспокоювалися і, здавалося, не дуже страждали у подібній ситуації. Вони здійснювали повільні, ритмічні дихальні рухи, мабуть, вдихаючи та видихаючи рідину. Деякі з них прожили в таких умовах багато годин.

Головна труднощі дихання водою

Після низки дослідів стало ясно, що вирішальним фактором, що визначає тривалість життя мишей, є не брак кисню (який міг бути введений у розчин у будь-якій потрібній кількості простим підвищенням його парціального тиску), а труднощі виділення з організму вуглекислого газу необхідною мірою.

Миша, що прожила саме тривалий час- 18 годин, - знаходилася в розчині, до якого було додано невелику кількість органічного буфера, трис(оксиметил)амінометану. Останній зводить до мінімуму несприятливий ефект накопичення вуглекислого газу організмі тварин. Зниження температури розчину до 20°С (приблизно половина нормальної температури тіла миші) також сприяло продовженню життя.

У разі це обумовлювалося загальним уповільненням процесів обміну речовин.

Зазвичай в літрі повітря, що видихається, міститься 50 мілілітрів вуглекислого газу. За інших рівних умов (температура, парціальний тиск вуглекислого газу) в одному літрі сольового розчину, ідентичного за своїм сольовим складом крові, розчиняється лише 30 мілілітрів цього газу.

Отже, щоб виділити необхідну кількість вуглекислого газу, тварина повинна вдихати води вдвічі більше, ніж повітря. (А для прокачування рідини через бронхіальні судини потрібно в 36 разів більше енергії, оскільки в'язкість води в 36 разів перевищує в'язкість повітря.)

Звідси очевидно, що навіть за відсутності турбулентного руху рідини у легенях для дихання водою необхідно у 60 разів більше енергії, ніж для дихання повітрям.

Тому немає нічого дивного в тому, що піддослідні тварини поступово слабшали, а потім – внаслідок виснаження та накопичення в організмі вуглекислого газу – дихання припинялося.

Результати експерименту

На підставі проведених дослідів не можна було судити про те, яка кількість кисню надходить у легені, наскільки насичена ним артеріальна кров і який ступінь накопичення у крові тварин вуглекислого газу. Поступово ми підійшли до серії досконаліших експериментів.

Вони проводилися на собаках у великій камері з додатковим обладнанням. Камера наповнювалася повітрям під тиском 5 атмосфер. Тут же була ванна з сольовим розчином, насиченим киснем. У неї занурювали піддослідну тварину. Перед експериментом, щоб знизити загальну потребу організму в кисні, собак анестезували та охолоджували до 32°С.

Під час занурення собака здійснювала бурхливі дихальні рухи. Струмінь води, що піднімаються з поверхні, ясно показували, що вона прокачувала розчин через легені. Після експерименту собаку витягували з ванни, видаляли з легенів воду і знову наповнювали їх повітрям. З шести тварин, які зазнали випробування, одне вижило. Собака дихав у воді 24 хвилини.

Результати експерименту можна сформулювати наступним чином: за певних умов тварини, які дихають повітрям, протягом обмеженого проміжку часу можуть дихати водою. Головний недолік водного дихання – накопичення вуглекислого газу в організмі.

Під час досвіду тиск крові собаки, що вижив, був дещо меншим за нормальний, але залишався постійним; пульс і дихання були повільними, але рівномірними, артеріальна кров насичена киснем. Вміст вуглекислого газу в крові поступово збільшувався.

Це означало, що бурхлива дихальна діяльність собаки була недостатньою видалення необхідних кількостей вуглекислого газу з організму.

Нова серія дослідів дихання водою

У Нью-Йоркському державному університетія продовжив роботу спільно з Германом Рааном, Едвардом X. Ланфіром та Чарльзом В. Паганеллі. У новій серії дослідів були застосовані прилади, що дозволили отримати конкретні дані щодо газообміну, що відбувається у легенях собаки при диханні рідиною. Як і раніше, тварини дихали сольовим розчином, насиченим киснем під тиском 5 атмосфер.

Газовий склад рідини, що вдихається і видихається визначали на вході і виході розчину з легких собак. Насичена киснем рідина потрапляла в організм собаки, що знаходиться під наркозом, через гумову трубку, вставлену в трахею. Потік регулювався клапанним насосом.

При кожному вдиху розчин під дією сили тяжіння стікав у легені, а при видиху рідина за таким же принципом надходила до спеціального приймача. Кількість кисню, поглиненого в легенях, і кількість виділеного вуглекислого газу визначали як різницю відповідних величин у рівних обсягах вдихається і видихається рідини.

Тварин не охолоджували. Виявилося, що в цих умовах собака екстрагує приблизно таку ж кількість кисню з води, як завжди з повітря. Як і слід очікувати, тварини не видихали достатньої кількості вуглекислого газу, тому вміст його в крові поступово збільшувався.

Після закінчення експерименту, тривалість якого сягала сорока п'яти хвилин, воду з легенів собаки видаляли через спеціальний отвір у трахеї. Легкі продували кількома порціями повітря. Додаткових процедур щодо «пожвавлення» не проводили. Шість із шістнадцяти собак перенесли експеримент без видимих ​​наслідків.

Взаємодія трьох елементів

Дихання і риб і ссавців ґрунтується на складній взаємодії трьох елементів:

1) потреби організму в газообміні,

2) фізичних властивостей навколишнього середовища та

3) будови органів дихання.

Щоб піднятися вище суто інтуїтивної оцінки значення будови органів у процесі пристосування, необхідно точно розуміти всі ці взаємодії. Слід, очевидно, порушити такі питання. Як молекула кисню потрапляє із довкілля у кров? Який її точний шлях? Відповісти на ці питання значно складніше, ніж можна припустити.

При розширенні грудної клітки у легені тварини потрапляє повітря (або вода). Що ж відбувається з рідиною, що потрапила до прикордонних повітряних мішечок легень? Розглянемо це явище простому прикладі.

Якщо в частково заповнений водою шприц повільно вводити через голку невелику кількість чорнила, то вони спочатку утворюють тоненьку цівку в центрі судини. Після припинення «вдиху» чорнило поступово поширюється по всьому об'єму води.

Якщо ж чорнило вводити швидко, щоб потік був турбулентним, змішування відбудеться, звичайно, набагато швидше. На підставі отриманих даних, а також враховуючи розмір бронхіальних трубок, можна зробити висновок, що потік повітря або води, що вдихається, входить у повітряні мішечки повільно, без турбулентності.

Отже, можна припустити, що з вдиху свіжого повітря (чи води) молекули кисню спочатку зосередяться у центрі повітряних мішечків (альвеол). Тепер їм доведеться подолати через дифузію значні відстані, перш ніж вони досягнуть стінок, через які потраплять у кров.

Ці відстані у багато разів більші за товщину мембран, що відокремлюють у легких повітря від крові. Якщо вдихається повітря, це не має великого значення: кисень розподіляється рівномірно по всій альвеолі за мільйонні частки секунди.

Швидкість поширення газів у воді у 6 тисяч разів менша, ніж у повітрі. Тому при диханні водою виникає різниця парціальних тисків кисню в центральній та периферійній областях. Внаслідок малої швидкості дифузії газів тиск кисню в центрі альвеоли з кожним циклом дихання стає вищим, ніж у стінок. Концентрація ж вуглекислого газу, що з крові, більше в стінок альвеоли, ніж у центрі.

Газообмін у легенях

Такі теоретичні передумови виникли на підставі вивчення газового складу рідини, що видихається під час експериментів на собаках. Воду, що з легких собаки, збирали в довгу трубку.

При цьому виявилося, що в першій порції води, яка, мабуть, надійшла з центральної частини альвеол, кисню більше, ніж в останній, що надійшла від стінок. При диханні собак у повітряному середовищівідчутної різниці у складах першої та останньої порцій видихуваного повітря не спостерігалося.

Цікаво відзначити, що газообмін, що відбувається у легенях собаки при диханні водою, дуже нагадує процес, що протікає у простій краплі води, коли на її поверхні здійснюється обмін: кисень - вуглекислий газ. На підставі такої аналогії була побудована математична модель легень, а як функціональна одиниця обрана сфера з діаметром приблизно в один міліметр.

Розрахунок показав, що легені становлять близько півмільйона таких сферичних газообмінних осередків, передача газу в яких здійснюється лише дифузією. Обчислена кількість та розмір цих осередків близько збігаються з кількістю та розміром певних структур легень, званих «первинними часточками» (лобулями).

Очевидно, ці часточки є головними функціональними одиницями легких. Аналогічно — із залученням анатомічних даних — можна побудувати математичну модель зябер риб, первинні газообмінні одиниці яких матимуть відповідно іншу форму.

Побудова математичних моделейдозволило провести чітку грань між органами дихання ссавців та риб. Виявляється, головне полягає в геометричній структурі дихальних осередків. Це стає особливо очевидним при дослідженні залежності, яка зв'язує потребу риби в газообміні, а властивості довкілля з формою органів дихання риб.

До рівняння, що виражає цю залежність, входять такі величини, як доступність кисню, тобто його концентрація, швидкість дифузії та розчинність у навколишньому тваринному середовищі.

Об'єм повітря або води, що вдихається, число і розмір газообмінних осередків, кількість кисню, що поглинається ними, і, нарешті, тиск кисню в артеріальній крові. Припустимо, що риби мають як органи дихання не зябра, а легені.

Підставивши в рівняння реальні дані газообміну, що протікає при диханні риби, ми виявимо, що риба з легкими не зможе жити у воді, оскільки розрахунок показує повну відсутність кисню в артеріальній крові моделі риби.

Отже, припущення була помилка, а саме: обрана форма газообмінного осередку виявилася неправильною. Риби живуть у воді завдяки зябрам, що складаються з плоских, тонких, щільно упакованих платівок. У такій структурі – на відміну від сферичних осередків легень – не виникає проблеми дифузії газів.

Тварина з органами дихання, подібними до легких, може вижити у воді тільки в тому випадку, якщо потреба його організму в кисні вкрай мала. Як приклад назвемо голотурію (морський огірок).

Зябра дають рибам можливість жити у воді, і ці ж зябра не дозволяють їм існувати поза водою. На повітрі вони руйнуються під впливом сили тяжіння. Поверхневий натяг на межі повітря - вода викликає злипання щільно упакованих зябрових платівок.

Загальна площа зябер, доступна для газообміну, зменшується настільки, що риба не може дихати, незважаючи на велику кількість кисню в повітрі. Альвеоли легень захищаються від руйнування, по-перше, грудною клітиною, по-друге, що виділяється в легенях змочуючим агентом, який значно зменшує поверхневий натяг.

Дихання ссавців у воді

Вивчення процесів дихання ссавців у воді дало таким чином нові відомості про основні принципи дихання взагалі. З іншого боку, виникло реальне припущення, що людина зможе без шкідливих наслідків обмежений час дихати рідиною. Це дозволить водолазам спускатися на значно більші глибини океану, ніж зараз.

Головна небезпека глибоководного занурення пов'язана з тиском води на грудну клітку та легені. В результаті в легенях підвищується тиск газів, і частина газів потрапляє у кров, що призводить до серйозних наслідків. При високих тисках більшість газів токсичні для організму.

Так, азот, що потрапляє в кров водолаза, викликає інтоксикацію вже на глибині 30 метрів і практично виводить його з ладу на глибині 90 метрів завдяки азотному наркозу, що виникає. (Ця проблема може бути вирішена використанням рідкісних газів, таких як гелій, які не токсичні навіть при дуже високих концентраціях.)

Крім того, якщо водолаз повертається надто швидко з глибини на поверхню, гази, розчинені в крові та тканинах, виділяються у вигляді бульбашок, викликаючи кесонну хворобу.

Цієї небезпеки можна уникнути, якщо водолаз дихатиме не повітрям, а рідиною, збагаченою киснем. Рідина в легенях витримає значний зовнішній тиск, а об'єм її при цьому практично не зміниться. У таких умовах водолаз, опускаючись на глибину в кілька сотень метрів, зможе швидко, без жодних наслідків повернутися на поверхню.

На доказ того, що кесонна хвороба не виникає при диханні водою, у моїй лабораторії було проведено такі досліди. В експериментах з мишею, яка дихала рідиною, тиск 30 атмосфер протягом трьох секунд доводили до однієї атмосфери. Ознак захворювання немає. Такий ступінь зміни тиску еквівалентний ефекту підйому з глибини 910 метрів зі швидкістю 1 100 кілометрів на годину.

Людина може дихати водою

Дихання рідиною може стати в нагоді людині під час майбутніх подорожей у космос. При поверненні з далеких планет, наприклад з Юпітера, виникне потреба у величезних прискореннях, що дозволяють вийти із зони тяжіння планети. Ці прискорення значно більші за те, що може винести організм людини, особливо легко вразливі легені.

Але ті ж навантаження стануть цілком допустимими, якщо легені будуть заповнені рідиною, а тіло космонавта занурене в рідину з щільністю, що дорівнює щільності крові, подібно до того, як плід занурений в амніотичну рідину материнської утроби.

Італійські фізіологи Рудольф Маргаріа, Т. Гволтеротті та Д. Спінеллі в 1958 ставили такий досвід. Сталевий циліндр, в якому знаходилися вагітні щури, кидали з різних висотна свинцеву опору. Метою експерименту було перевірити, чи виживе плід в умовах різкого гальмування та поштовху при приземленні. Швидкість гальмування обчислювали глибиною вдавлювання циліндра в свинцеву основу.

Самі тварини під час досвіду негайно гинули. Розтин показували значне пошкодження легень. Проте звільнені хірургічним шляхом ембріони були живими та розвивалися нормально. Плід, захищений утробною рідиною, здатний перенести негативні прискорення до 10 тисяч g.

Після експериментів, які показали, що сухопутні тварини можуть дихати рідиною, резонно припустити таку можливість для людини. В даний час ми маємо деякі прямі докази на користь цього припущення. Так, наприклад, зараз використовується новий метод лікування деяких захворювань легень.

Метод полягає у промиванні одного легкого сольовим розчином, що видаляє патологічні виділення з альвеол та бронхів. Друга легка дихає при цьому газоподібним киснем.

Успішне здійснення цієї операції надихнуло нас поставити експеримент, який добровільно зголосився мужній водолаз — глибинник Френсіс Д. Фалейчик.

Під наркозом у його трахею було запроваджено подвійний катетер, кожна трубка якого доходила до легенів. При нормальній температурі тіла повітря в одній легені замінили 0,9-процентним розчином кухонної солі. «Дихальний цикл» полягав у веденні сольового розчину в легке та подальше видалення його.

Цикл був повторений сім разів, причому для кожного вдиху брали 500 мілілітрів розчину. Фалейчик, який перебував протягом усієї процедури в повній свідомості, розповів, що він не помітив значної різниці між легким повітрям, що дихає, і легким, що дихає водою. Він не відчував також неприємних відчуттів при вході та виході потоку рідини з легені.

Звичайно, цей досвід ще дуже далекий від спроби здійснити процес дихання обома легкими у воді, але він показав, що заповнення легень людини сольовим розчином, якщо процедура виконана правильно, не викликає серйозних руйнувань тканин і не робить неприємних відчуттів.

Найважча проблема дихання водою

Ймовірно, найважча проблема, яку має бути вирішена, пов'язана з виділенням з легких вуглекислого газу при диханні водою. Як ми вже говорили, в'язкість води приблизно в 36-40 разів більша за в'язкість повітря. Це означає, що легені прокачуватимуть воду, принаймні в сорок разів повільніше, ніж повітря.

Іншими словами, здоровий молодий водолаз, здатний вдихати 200 літрів повітря за хвилину, зможе вдихнути за хвилину всього 5 літрів води. Цілком очевидно, що при такому диханні вуглекислий газ не виділятиметься в достатній кількості, навіть якщо людина повністю занурена у воду.

Чи можна вирішити цю проблему використанням середовища, в якому вуглекислий газ розчиняється краще, ніж у воді? У деяких зріджених синтетичних фтороуглеродах вуглекислого газу розчиняється, наприклад, утричі більше, ніж у воді, а кисню – у тридцять разів. Леланд С. Кларк і Франк Голлан показали, що миша може жити в рідкому фтористому вуглеці, що містить кисень при атмосферному тиску.

У фтористому вуглеці не тільки міститься більше кисню, ніж у воді, але в цьому середовищі в чотири рази вища і швидкість дифузії газу. Однак і тут, як і раніше, залишається каменем спотикання мала пропускна спроможністьрідини через легені: фторовуглеці мають ще більшу в'язкість, ніж сольовий розчин.

Переклад з англійської Н. Познанської.

Нещодавно Науково-технічна рада державного Фонду перспективних досліджень схвалила «проект зі створення технології порятунку підводників вільним спливанням з використанням методу рідинного дихання», реалізацією якого має зайнятися московський Інститут медицини праці (на момент написання статті керівництво інституту було недоступне для коментарів). «Горище» вирішило розібратися, що ховається за таємничим словосполученням «рідкісне дихання».

Найбільш вражаюче рідинне дихання показано у фільмі Джеймса Кемерона «Безодня».

Щоправда, у такому вигляді досліди на людях ще ніколи не проводились. Але в цілому вчені не сильно поступаються Кемерону щодо дослідження цього питання.

Миші як риби

Першим, хто показав, що ссавці, в принципі, можуть отримувати кисень не з суміші газів, а з рідини, був Йоханнес Кілстра (Johannes Kylstra) з медичного центру університету Дьюка (США). Разом із колегами він у 1962 році опублікував роботу «Миші як риби» (Of mice as fish) у журналі Transactions of American Society for Artificial Internal Organs.

Кілстра та його колеги занурювали мишей у фізрозчин. Щоб розчинити в ньому достатню для дихання кількість кисню, дослідниками «вганяли» газ у рідину під тиском до 160 атмосфер як на глибині 1,5 кілометра. Миші в цих експериментах виживали, але не дуже довго: кисню в рідині було достатньо, а ось сам процес дихання, втягування та виштовхування рідини з легенів вимагав надто великих зусиль.

«Речовина Джо»

Стало зрозуміло, що потрібно підібрати таку рідину, в якій кисень розчинятиметься набагато краще, ніж у воді. Необхідні властивості мали два типи рідин: силіконові масла і рідкі перфторвуглеці. Після експериментів Леланда Кларка (Leland Clark), біохіміка з медичної школи університету Алабами, в середині 1960-х років з'ясувалося, що обидва типи рідин можна використовувати для доставки кисню в легені. У дослідах мишей і кішок повністю занурювали і перфторвуглеці, і в силіконові масла. Проте останні виявилися токсичними — піддослідні звірі гинули невдовзі після експерименту. А ось перфторвуглеці виявилися цілком придатними для використання.

Перфторвуглеці були вперше синтезовані під час Манхеттенського проекту зі створення атомної бомби: вчені шукали речовини, які б не руйнувалися при взаємодії із сполуками урану, і вони проходили під кодовою назвою «речовини Джо» (Joe's stuff). Для рідинного дихання вони підходять дуже добре: «речовини Джо» не взаємодіють із живими тканинами і чудово розчиняють гази, у тому числі кисень та вуглекислий газ при атмосферному тиску та нормальній температурі людського тіла.

Кілстра та його колеги досліджували технологію рідинного дихання у пошуках технології, яка б дозволяла людям занурюватися та спливати на поверхню, не побоюючись розвитку кесонної хвороби. Швидке піднесення з великої глибини із запасом стиснутого газу дуже небезпечне: гази краще розчиняються в рідинах під тиском, тому в міру того, як водолаз спливає, розчинені в крові гази, зокрема азот, утворюють бульбашки, які пошкоджують кровоносні судини. Результат може бути сумним, аж до смертельного.

У 1977 році Кілстра представив у Військово-морське міністерство США висновок, в якому писав, що, за його розрахунками, здорова людинаможе отримувати необхідну кількість кисню при використанні перфторвуглеців, і, відповідно, потенційно можливо використовувати замість стиснутого газу. Вчений вказував, що така можливість відкриває нові перспективи для порятунку підводників із великих.

Експерименти на людях

На практиці техніка рідинного дихання, яка на той час отримала назву рідинної вентиляції легень, була застосована на людях лише один раз, у 1989 році. Тоді Томас Шаффер (Thomas Shaffer), педіатр із медичної школи Темпльського університету (США), та його колеги використали цей метод для порятунку недоношених немовлят. Легкі зародка в утробі матері заповнені рідиною, а коли людина народжується і починає дихати повітрям, тканинам легень протягом усього життя не дає злипатися суміш речовин, звана легеневим сурфактантом. У недоношених немовлят він не встигає накопичитися в потрібній кількості, і дихання вимагає дуже великих зусиль, що може призвести до летального результату. Того разу, щоправда, рідинна вентиляція немовлят не врятувала: усі троє пацієнтів невдовзі померли, проте цей сумний факт було віднесено щодо інших причин, а не щодо недосконалості методу.

Більше експериментів із тотальної рідинної вентиляції легень, як ця технологія називається по-науковому, на людях не проводилося. Однак у 1990-х роках дослідники модифікували метод і проводили на пацієнтах з тяжким запальним ураженням легень експерименти з часткової рідинної вентиляції, при якій легені заповнюються не повністю. Перші результати виглядали обнадійливими, але, зрештою, до клінічного застосування справа не дійшла — виявилося, що звичайна вентиляція легенів повітрям працює не гірше.

Патент на фантастику

В даний час дослідники повернулися до ідеї використання повної рідинної вентиляції легень. Однак фантастична картина водолазного костюма, в якому людина дихатиме рідиною замість спеціальної суміші газів, далека від реальності, хоч і розбурхує уяву публіки та уми винахідників.

Так, у 2008 році американський хірург Арнольд Ланде (Arnold Lande), що відійшов від справ, запатентував водолазний костюм з використанням технології рідинної вентиляції. Замість стисненого газу він запропонував використовувати перфторвуглеці, а надлишок вуглекислоти, яка утворюватиметься в крові, виводити за допомогою штучних зябер, «устромлених» прямо в стегнову вену водолаза. Винахід отримав деяку популярність після того, як про нього написало видання The Inpependent.

Як вважає фахівець із рідинної вентиляції із Шербруцького університету в Канаді Філіп Мішо (Philippe Micheau), проект Ланде виглядає сумнівним. «У наших експериментах (Мішо та його колеги проводять експерименти на ягнятах і кроленятах зі здоровими та пошкодженими легенькими — прим. «Горища») по тотальному рідинному диханню тварини знаходяться під анестезією і не рухаються. Тому ми можемо організувати нормальний газообмін: доставку кисню та видалення вуглекислого газу. Для людей при фізичного навантаження, Такий як плавання і пірнання, доставка кисню і видалення вуглекислоти будуть проблемою, оскільки вироблення вуглекислоти в таких умовах вище за норму », - прокоментував Мішо. Вчений також зазначив, що технологія закріплення «штучних зябер» у стегновій вені йому невідома.

Головна проблема «рідинного дихання»

Більше того, Мішо вважає саму ідею «рідкого дихання» сумнівною, оскільки для «дихання» рідиною людська мускулатура не пристосована, а ефективна системанасосів, яка б допомагала закачувати та викачувати рідину з легких людини, коли вона рухається та виконує якусь роботу, досі не розроблена.

«Я маю зробити висновок, що на сучасному етапі розвитку технологій неможливо розробити водолазний костюм, використовуючи метод рідинної вентиляції», — вважає дослідник.

Однак застосування цієї технології продовжує досліджуватися для інших більш реалістичних цілей. Наприклад, для допомоги потонулим, промивання легень при різних захворюваннях або швидкого зниження температури тіла (застосовується у випадках реанімації при зупинці серця у дорослих та новонароджених із гіпоксично-ішемічним ураженням мозку).

Я переглядала його 8 разів точно. І щоразу робила це виключно з розважальної мети та цікавого сюжетуз приголомшливою акторською грою, яка, за свідченням знімальної групи, сильно вимотала виконавців головних ролей.

А в останній разя зрозуміла, що у цьому фільмі є щось більше.

Протягом усього фільму нам розповідають про дихання у рідині. Те, з чого ми починали в утробі матері, може продовжитись. Головне – ситуація.

Усі 7 переглядів для мене фільм був лише фантастикою, грою уяви сценариста чи режисера. В одній сцені показують мишку, яка дихає спеціальною рідиною. В іншій - Бада (герой Еда Харріса) у скафандрі, заповненому цією рідиною. Його відправляють на глибину, де ніхто не був, заповнюючи його легені "особливою водою", бо кисню в тілі людини на таких глибинах нема чого робити.

Розробивши близько шістдесяти років тому акваланг, француз Жак Ів Кусто в його назву ввів термін «вода» та «легкі». Проте сама технологія повного заповнення легень водою (у вигляді водно-сольового розчину) стала відома з публікації Kylstra J. «Миша як риба» - першою за рідинним диханням, в якій сказано про таку ідею порятунку підводників. Він перший провів на сухопутних ссавців (мишах) спуски на глибину 1000 м і показав, що перехід на рідинне дихання повністю запобігає загибелі від декомпресійного газоутворення. У це було підтверджено при штучної вентиляції легенів (ШВЛ) рідиною собак за умов імітації водолазних спусків на 1000 м.

Вся система рідинного дихання заснована на формулі перфторвуглецю. Перфлуброн - це чиста, масляниста рідина, що має малу щільність. Вона містить більше кисню, ніж повітря. Оскільки ця рідина інертна, вона не завдає шкоди легким. Так як у неї дуже низька температура кипіння, вона швидко і легко виводиться з легенів;

На світовому ринку мало виробників цих рідин, тому що їх розробка - побічний продукт. атомних проектів». Відомі рідини медичної якості всього кількох світових фірм: DuPont (США), ICI та F2 (Великобританія), Elf-Atochem (Франція). Перфторвуглецеві рідини, технологічно відпрацьовані в Санкт-Петербурзькому інституті прикладної хімії, зараз лідирують у медицині та косметології;

У Росії серйозно і без смішків у курилці задумалися про тему вільного спливання через особливу систему рідинного дихання після;

З моменту утворення РФ розробка методу рідинного дихання для порятунку підводників, як і підготовка волонтерських випробувань 2007 року, виконувалася та виконується без грантів, за рахунок коштів «AVF» у роботі із СПб ДМУ ім. І.П. Павлова та іншими організаціями;

В даний час спеціальний глибоководний водолазний апарат існує у вигляді проекту у рамках авторської концепції швидкого порятунку підводників. Він базується на унікальні властивостішвидких та стійких (до тиску) водолазів рідинного дихання;

Arnold Lande, колишній хірург, а нині американський пенсіонер-винахідник, зареєстрував патент на водолазний костюм, оснащений балоном із спеціальною рідиною, збагаченою киснем. Так зване "рідке повітря" подається з балона в шолом дайвера, заповнює собою весь простір навколо голови, витісняє повітря з легень, порожнин носоглотки та вух, насичуючи легені людини достатньою кількістю кисню. У свою чергу, вуглекислий газ, що виділяється в процесі дихання, виходить назовні за допомогою своєрідної подоби зябер, прикріплених до стегнової вені нирця. Тобто сам процес дихання стає просто не потрібним - кисень надходить у кров через легені, а вуглекислий газ виводиться прямо з крові. Правда, як подаватиметься з балона ця сама стислива рідина поки що не зовсім зрозуміло ...;

Є інформація про те, що досліди з дихання в рідині проводяться. І в Росії в тому числі;

У фільмі "Безодня", звичайно, ніхто з акторів не дихав "особливою водою". І в одній зі сцен навіть допущено маленький, але дуже запам'ятовується косяк, коли Бад опускається на глибину, з його рота виходить зрадницька бульбашка, якого в умовах рідинного дихання бути не повинно;

Актору Еду Харрісу, який зіграв одну з головних ролей, роль Бада, якось по дорозі зі зйомок довелося з'їхати на узбіччя через напад мимовільного плачу. Камерон вимагав виняткової правдоподібності.

Дивіться кіно. Дихайте вільно і з'їжджайте з узбіччя тільки щоб пофотографувати метеликів.

Дякуємо за відкритий доступ до деяких даних члену-кореспонденту РАЄН, к.м.н.А. В. Філіппенка.

December 28th, 2017

З того часу, як у 2016 році Фонд перспективних досліджень (ФПІ) схвалив проект рідинного дихання, громадськість жваво цікавиться його успіхами. Нещодавня демонстрація можливостей цієї технології буквально висадила в повітря інтернет. На зустрічі заступника голови уряду Дмитра Рогозіна з президентом Сербії Олександром Вучичем таксу завантажили на дві хвилини в акваріум із спеціальною рідиною, насиченою киснем. Після процедури собака, за словами віце-прем'єра, живий і здоровий.

Особисто мені звичайно незрозуміло, чому натовпи жаліючих собаку в соцмережах не кидаються захищати, наприклад, мишей і кроликів, які взагалі гинуть пачками в інститутах. А ще цікаво, вони вважають, наприклад, Корольова теж жорстоким і безсердечним - він то не одну собаку подарував на благо людства. А ось, а. Ну гаразд, ми не про це взагалі те.

Що то була за рідину? Чи можна дихати рідиною? І як справи у цій сфері наукових досліджень?

Щоб було зрозуміло, чому відкриття називають справжнім проривом. Ще наприкінці 80-х років рідинне дихання вважалося науковою фантастикою. Ним користувалися герої фільму американського режисера Джеймса Кемерона "Безодня". І навіть у картині воно називалося експериментальною розробкою.

Навчити людину та тварин дихати рідиною намагалися давно. Перші досліди у 60-х були невдалими, піддослідні миші жили дуже недовго. На людях техніку рідинної вентиляції легень перевіряли один раз у США для порятунку недоношених дітей. Однак жодного із трьох немовлят не вдалося реанімувати.

Тоді для доставки кисню в легені використовували перфторан, його ще застосовують як кровозамінники. Основною проблемою було те, що цю рідину не вдавалося достатньо очистити. У ній погано розчинявся вуглекислий газ, і тривалого дихання потрібна була примусова вентиляція легких. У спокої чоловік звичайної комплекції середнього зросту повинен був пропускати через себе 5 літрів рідини за хвилину, при навантаженнях - 10 літрів за хвилину. Легкі для таких навантажень не пристосовані. Нашим дослідникам вдалося вирішити цю проблему.

Рідинне дихання, рідинна вентиляція легень - дихання за допомогою рідини, що добре розчиняє кисень. На даний момент проводилися лише окремі експерименти подібних технологій.

Рідкісне дихання передбачає заповнення легень рідиною, насиченою розчиненим киснем, який проникає в кров. Найбільш підходящими речовинами для цієї мети розглядаються перфторвуглецеві сполуки, що добре розчиняють кисень і вуглекислий газ, мають низький поверхневий натяг, високоінертні, і не метаболізуються в організмі.

Часткова рідинна вентиляція легень у час перебуває у стадії клінічних випробувань при різних порушеннях дихання. Розроблено кілька способів рідинної вентиляції легень, у тому числі вентиляції за допомогою пар та аерозолів перфторвуглеців.

Повна рідинна вентиляція легень полягає у повному заповненні легень рідиною. Експерименти з повної рідинної вентиляції легень проводилися на тваринах у 1970—1980-ті роки у СРСР та. Наприклад, 1975 р. в інституті серцево-судинної хірургії ім. А. Н. Бакульова професор Ф. Ф. Білоярцев вперше в країні виконав роботи з тривалої позалегеневої оксигенації з використанням фторвуглецевих оксигенаторів та заміни газового середовища в легень на рідкий перфторвуглець. Проте, дані експерименти досі не вийшли із цієї стадії. Це пов'язано з тим, що вивчені сполуки, придатні для рідинної вентиляції легень, мають ряд недоліків, які значно обмежують їх застосування. Зокрема, не було знайдено методів, які могли б застосовуватись тривало.

Передбачається, що рідинне дихання може використовуватися при глибоководних зануреннях, космічних польотах, як один із засобів комплексної терапії деяких хвороб.

У РФ експериментами та розробками в галузі рідинного дихання займається вчений, лікар, розробник технології та винахідник апарату "Рідинного дихання" Андрій Вікторович Філіппенко. Розробки вченого відомі як у Росії, так і за кордоном. Філіппенко - чинний кандидат медичних наук, спеціаліст з рідинного дихання, патофізіології легень, відновлювальної медицини, фармакологічних випробувань та розробки медичних приладів. Випустив понад 20 науково-технічних звітів та опублікував близько 30 наукових статейу російській та зарубіжній пресі. Виступав на безлічі конференцій з теми рідинного дихання та порятунку підводників, у тому числі в Росії, Німеччині, Бельгії, Швеції, Великій Британії та Іспанії. Має авторські свідоцтва на метод ультразвукової локації декомпресійних газових бульбашок та ін.

"Вчені синтезували неіснуючі в природі речовини — перфторвуглеці, в яких міжмолекулярні сили настільки малі, що їх вважають чимось проміжним між рідиною та газом. Вони розчиняють у собі кисень у 18-20 разів більше, ніж вода", — розповідає доктор медичних наук. Євген Маєвський, професор, завідувач лабораторії енергетики біологічних систем Інституту теоретичної та експериментальної біофізики РАН, один із творців перфторану, так званої блакитної крові. Він працює над медичними програмами перфторвуглеців з 1979 року.

При парціальному тиску в одну атмосферу в 100 мл води розчиняється всього 2,3 мл кисню. За тих же умов перфторвуглеці можуть містити до 50 мл кисню. Це робить їх потенційно придатними для дихання.

"Наприклад, при зануренні на глибину через кожні 10 метрів тиск збільшується як мінімум на одну атмосферу. У результаті грудна клітка і легені стиснуться настільки, що дихати в газовому середовищі стане неможливо. А якщо в легенях знаходиться рідина, що переносить газ, істотно більшої щільності, Чим повітря і навіть вода, то вони зможуть функціонувати. У перфторвуглецях можна розчинити кисень без домішки азоту, якого багато в повітрі і розчинення якого в тканинах є однією з найістотніших причин кесонної хвороби під час підйому з глибини», — продовжує Маєвський.

Кисень надходитиме в кров з рідини, що наповнює легені. У ній може розчинятися переносимий кров'ю вуглекислий газ.

Принцип дихання рідиною чудово освоєно рибами. Їхні зябра пропускають через себе колосальний об'єм води, забирають розчинений там кисень і віддають у кров. У людини немає зябер, а весь газообмін йде через легені, площа поверхні яких приблизно в 45 разів перевищує площу поверхні тіла. Щоб прогнати через них повітря, ми робимо вдих та видих. У цьому нам допомагають дихальні м'язи. Оскільки перфторвуглеці щільніші, ніж повітря, дихати на поверхні з їх допомогою дуже проблематично.

"У цьому й складаються наука та мистецтво підібрати такі перфторвуглеці, щоб полегшити роботу дихальних м'язів і не допустити пошкодження легень. Багато залежить від тривалості процесу дихання рідиною, від того, насильно чи спонтанно воно відбувається", - підсумовує дослідник.

Однак принципових перешкод до того, щоб людина дихала рідиною, немає. Євген Маєвський вважає, що продемонстровану технологію російські вчені доведуть до практичного застосування протягом кількох років.

Від реанімації до порятунку підводників

Вчені почали розглядати перфторвуглеці як альтернативу дихальним газовим сумішам у середині минулого століття. У 1962 році вийшла стаття голландського дослідника Йоханнеса Кілстри (Johannes Kylstra) "Про миші-риби" (Of mice as fish), де описаний досвід з гризуном, поміщеним в насичений киснем сольовий розчин при тиску 160 атмосфер. Тварина залишалася живою протягом 18 годин. Потім Кілстра почав експериментувати з перфторвуглецями, і вже в 1966 році в дитячому госпіталі Клівленда (США) фізіолог Леланд Кларк (Leland C. Clark) спробував застосувати їх, щоб налагодити дихання новонароджених, хворих на муковісцидоз. Це генетичне захворювання, при якому дитина народжується з недорозвиненими легенями, його альвеоли схлопуються, що перешкоджає диханню. Легкі таких пацієнтів промивають фізрозчином, насиченим киснем. Кларк вирішив, що краще робити це кисневмісною рідиною. Цей дослідник згодом багато зробив у розвиток рідинного дихання.

На початку 1970-х "дихальною" рідиною зацікавилися в СРСР, значною мірою завдяки керівнику лабораторії ленінградського НДІ переливання крові Зої Олександрівні Чаплигіної. Цей інститут став одним із лідерів проекту зі створення кровозамінників — переносників кисню на основі емульсій перфторвуглеців та розчинів модифікованого гемоглобіну.

Над застосуванням цих речовин для промивання легень активно працювали в Інституті серцево-судинної хірургії Фелікс Білоярцев та Халід Хапій.

"У наших експериментах у дрібних тварин дещо страждали легені, але всі вони виживали", - згадує Євген Маєвський.

Систему дихання за допомогою рідини розробляли за закритою тематикою в інститутах Ленінграда та Москви, а з 2008 року – на кафедрі аерогідродинаміки Самарського державного аерокосмічного університету. Там зробили капсулу типу "Русалка" для відпрацювання рідинного дихання у разі екстреного порятунку підводників із великої глибини. З 2015 року розробку випробовували в Севастополі на тему "Терек", що підтримується ФПІ.

Спадщина атомного проекту

Перфторвуглеці (перфторвуглеводні) - це органічні сполуки, де всі атоми водню заміщені на атоми фтору. На цьому наголошує латинська приставка "пер-", що означає завершеність, цілісність. Ці речовини не виявлено у природі. Їх намагалися синтезувати ще в наприкінці XIXстоліття, але реально досягли успіху тільки після Другої світової, коли вони знадобилися для атомної промисловості. Їхнє виробництво в СРСР налагодив академік Іван Людвігович Кнунянц, засновник лабораторії фторорганічних сполук в ІНЕОС РАН.

"Перфторвуглеці використовували в технології отримання збагаченого урану. У СРСР їх найбільшим розробником був Державний інститутприкладної хімії у Ленінграді. Нині їх випускають у Кірово-Чепецьку та Пермі», — каже Маєвський.

Зовні рідкі перфторвуглеці виглядають як вода, але відчутно щільніші. Вони не вступають у реакцію з лугами та кислотами, не окислюються, розкладаються при температурі понад 600 градусів. Фактично їх вважають хімічно інертними сполуками. Завдяки цим властивостям перфторвуглецеві матеріали застосовують у реанімаційній та регенеративній медицині.

"Є така операція - бронхіальний лаваж, коли людині під наркозом промивають одну легеню, а потім іншу. На початку 80-х разом з волгоградським хірургом А. П. Савіним ми дійшли висновку, що цю процедуру краще робити перфторвуглецем у вигляді емульсії", - Наводить приклад Євген Маєвський.

Ці речовини активно застосовують в офтальмології, для прискорення загоєння ран при діагностиці захворювань, у тому числі онкологічних. У Останніми рокамиМетод ЯМР-діагностики із застосуванням перфторвуглеців розробляють за кордоном. У нашій країні ці дослідження успішно проводить колектив вчених із МДУ ім. М. В. Ломоносова під керівництвом академіка Олексія Хохлова, ІНЕОС, ІТЕБ РАН та ІІФ (Серпухов).

Не можна не згадати і те, що з цих речовин роблять мастила, мастила для систем, що працюють в умовах високих температур, включаючи реактивні двигуни.

Джерела: