Людина, яка може дихати під водою. Глибоке дихання

МОСКВА, 27 січ - РІА Новини, Ольга Коленцова.Хоча плід дев'ять місяців живе у воді, а плавання корисне для здоров'я, водне середовище для людини небезпечне. Потонути може будь-хто — дитина, дорослий, чудово підготовлений плавець… А у рятувальників не так багато часу, щоб зберегти людині не лише життя, а й розум.

Подолати натяг

Коли людина тоне, вода потрапляє у її легені. Але чому люди не можуть хоч би недовго прожити, черпаючи кисень із води? Щоб зрозуміти це, розберемося, як людина дихає. Легкі схожі на грон винограду, де бронхи розгалужуються, немов гілочки-пагони, на безліч повітроносних шляхів (бронхіол) і вінчаються ягодами - альвеолами. Волокна в них стискаються та розтискаються, пропускаючи кисень та інші гази з атмосфери в кровоносні судини або випускаючи назовні CO2.

Для оновлення повітря необхідно здійснити дихальний рух, в якому беруть участь міжреберні м'язи, діафрагма і частина м'язів шиї. Однак поверхневе натяг води набагато більше, ніж у повітря. Молекули всередині речовини притягуються один до одного рівномірно завдяки тому, що з усіх боків є сусіди. У молекул на поверхні сусідів менше, і вони притягуються один до одного сильніше. медичних наукОлексій Умрюхін, завідувач кафедри нормальної фізіологіїПершого МДМУ імені І. М. Сєченова.

У легенях дорослої людини міститься 700-800 мільйонів альвеол. Їх Загальна площа- порядку 90 квадратних метрів. Нелегко відірвати один від одного навіть два гладкі стекла, якщо між ними є шар води. Уявіть, які зусилля при вдиху потрібно докласти, щоб розліпити величезну площу альвеол.

До речі, саме сила поверхневого натягу становить величезну проблему розробки рідинного дихання. Можна наситити розчин киснем та підібрати його параметри так, щоб зв'язки між молекулами були ослаблені, але в будь-якому випадку сила поверхневого натягу залишиться значною. М'язам, що беруть участь у диханні, все одно знадобиться набагато більше зусиль, щоб загнати розчин в альвеоли і вигнати його звідти. На рідинному диханні можна протриматися кілька хвилин чи годину, але рано чи пізно м'язи просто втомляться та не зможуть справлятися з роботою.

Переродитися не вийде

Альвеоли новонародженого заповнені деякою кількістю навколоплідної рідини, тобто знаходяться в стані, що зліпився. Дитина робить перший вдих, і альвеоли відкриваються вже на все життя. Якщо у легені потрапляє вода, поверхневий натяг змушує альвеоли склеїтися, і потрібне величезне зусилля, щоб їх розліпити. Два, три, чотири вдихи у воді – ось максимум людини. Все це супроводжується судомами — організм працює на межі, легені та м'язи горять, намагаючись вичавити з себе все, що можна.

У популярному серіалі "Гра престолів" є такий епізод. Претендента на трон посвячують у королі так: голову тримають під водою, доки він не перестане борсатися і подавати ознаки життя. Потім тіло витягують на берег і чекають, коли людина сама зробить вдих, відкашлюється і встане. Після цього претендент визнається повноправним правителем. Але творці серіалу прикрасили реальність: після серії вдихів-видихів у воді організм здається — і мозок перестає надсилати сигнали про те, що треба пробувати дихати.

Розум - слабка ланка

Людина може утримувати дихання на три-п'ять хвилин. Потім рівень кисню в крові знижується, бажання зробити вдих стає нестерпним і неконтрольованим. Вода потрапляє у легені, але у ній недостатньо кисню, щоб наситити тканини. Від відсутності кисню страждає насамперед мозок. Інші клітини здатні якийсь час протриматися на анаеробному, тобто безкисневому, диханні, хоча й енергії вироблятимуть у 19 разів менше, ніж у аеробному процесі.

"Структури мозку витрачають кисень по-різному. Особливою "ненажерливістю" відрізняється кора великих півкуль. Саме вона контролює свідому сферу діяльності, тобто відповідальна за творчість, вищі соціальні функції, інтелект. Її нейрони першими витратить запаси кисню та загинуть", - зазначає експерт.

Якщо утопленикові вдається повернути життя, його свідомість може так і не прийти до норми. Звичайно, багато залежить від часу перебування під водою, стану організму, індивідуальних особливостей. Але лікарі вважають, що в середньому мозок втопленого гине за п'ять хвилин.

Часто ті, хто тонули, перетворюються на інвалідів — лежать у комі або майже повністю паралізовані. Хоча формально організм у нормі, потерпілий мозок не може керувати ним. Так сталося з 17-річним Маліком Ахмадовим, який у 2010 році врятував дівчину, що тонула, ціною свого здоров'я. Ось уже сім років хлопець проходить реабілітацію за курсом, але повністю його мозок не відновився.

Винятки рідкісні, але трапляються. 1974 року п'ятирічний хлопчик у Норвегії вийшов на лід річки, провалився і потонув. Його дістали з води лише через 40 хвилин. Лікарі зробили штучне дихання, масаж серця і реанімація увінчалася успіхом. Два дні дитина пролежала непритомна, а потім розплющила очі. Лікарі обстежили його і здивовано констатували, що головний мозок — в абсолютній нормі. Можливо, крижана воданастільки уповільнила обмін речовин в організмі дитини, що його мозок ніби заморозився і не потребував кисню, як і інші органи.

Лікарі попереджають: якщо людина вже пішла під воду, рятувальник має буквально хвилину, щоб її врятувати. Чим швидше потерпілому видалити воду з легенів, викликавши блювотний рефлекс, тим більше шансів на відновлення. Важливо пам'ятати, що людина, що тоне, рідко видає себе криком або активними спробами втриматися на воді, у нього просто не вистачає на це сил. Тому, якщо ви запідозрили недобре, краще запитати, чи все гаразд, і якщо відповіді немає, вжити заходів до порятунку потопаючого.

Фокусник-ілюзіоніст Гаррі Гудіні прославився своїм умінням затримувати подих на три хвилини. Але сьогодні досвідчені дайвери можуть утримувати подих на десять, п'ятнадцять і навіть двадцять хвилин. Як дайвери це роблять і як тренуватися, щоб затримати дихання на довгий термін?

Мій кращий результатпо затримці дихання у статичному становищі взагалі вражає, гадаю, він близько 5,5 хвилин. Марк Хелі, серфер

Здається, такий результат просто нереальний, а Хелі просто скромничає. Хтось скаже, що затримати дихання на такий термін просто неможливо, але це не так для людей, які практикують «статичне апное».

Це спортивна дисципліна, в якій дайвер затримує дихання та «зависає» під водою без руху настільки довго, наскільки це можливо. Так от, для таких дайверів п'ять із половиною хвилин — справді невелике досягнення.

У 2001 році знаменитий фрідайвер Мартін Степанек затримав подих на вісім хвилин шість секунд. Його рекорд протримався три роки, до червня 2004 року, коли фрідайвер Том Сієтас підвищив планку на 41 секунду. найкращим часомпід водою 8:47.

Цей рекорд був побитий вісім разів (п'ять із них самим Томом Сієтасом), але найвражаючіший час на сьогодні належить французькому фрідайверу Стефану Міфсуду. 2009 року Міфсуд провів під водою 11 хвилин 35 секунд.

Що таке статичне апное

Статичне апное - це єдина дисципліна у фрідайвінгу, яка вимірюється за часом, але є чистим проявом цього виду спорту, його основою. Тривала затримка дихання важлива для решти дисциплін фрідайвінгу, як у басейні, так і у відкритій воді.

Фрідайвер, який виступає в дисципліні «Динаміка в ластах», на змаганнях у Лондоні, 2009 рік

Фрідайвери мають різні дисципліни, такі як «динаміка в ластах» або без, коли дайверу треба якнайдалі пропливти під водою, або «без обмежень» - найскладніша дисципліна, в якій дайвер занурюється за допомогою візка так глибоко, як може, а потім за допомогою кулі спливає назад.

Але й та, й інша дисципліни засновані на апное - вмінні якомога довше протриматися без повітря.

Зміни в організмі

Кисень, який ви вдихаєте, надходить у кров і доставляється до різних тканин тіла, де трансформується в енергію. Наприкінці цього процесу утворюється CO2, який надходить назад у легені та виводиться з організму з видихом.

Коли ви затримуєте дихання, кисень також перетворюється на CO2, але йому нема куди виходити. Він циркулює за вашими венами, окислюючи кров і подаючи сигнали організму, що настав час вдихнути. Спочатку це легкі, а потім - сильні і болючі спазми діафрагми.

Фрідайвери витрачають роки тренувань, щоб прокачати затримку дихання, і у процесі поступово змінюється їхня фізіологія. Кров фрідайверів окислюється повільніше, ніж кров звичайних людей, які все життя вдихають та видихають рефлекторно.

Активація симпатичної нервової системизмушує їх периферичні кровоносні судини скорочуватися після того, як вони перестали дихати. Кров, багата на кисень, зберігається в тілі і перенаправляється від кінцівок до найважливіших органів, в основному, до серця і мозку.

Деякі фрідайвери також практикують медитацію, щоб заспокоїти серце. Вони уповільнюють природні ритми, і кисень повільніше перетворюється на вуглекислий газ.

Медитація надає заспокійливий ефект і на розум теж, тому що основна складність у затримці дихання полягає в свідомості. Ви повинні знати, що ваше тіло може існувати на кисні, який вже є і успішно ігнорувати потребу організму вдихнути.

На це потрібні роки тренувань, але є й інші. швидкі способидля затримки дихання.

«Щічне накачування» та гіпервентиляція

Є спосіб, який дайвери називають особистим «сховищем газу» або «щечним накачуванням». Його давним-давно придумали рибалки-пірначі. Спосіб включає найбільш глибоке дихання, з використанням м'язів рота і глотки для збільшення запасів повітря.

Людина повністю наповнює легені повітрям, після чого за допомогою м'язів глотки перекриває доступ, щоб повітря не виходило. Після цього він набирає повітря в рот і при закритті рота за допомогою м'язів щік вштовхує додаткове повітря в легені. Повторивши таке дихання 50 разів, дайвер може збільшити запас легенів на три літри.

У 2003 році провели дослідження щодо вимірювання ємності легень у дайверів, і отримали такі результати: «щічна накачування» збільшує об'єм легень з 9.28 літрів до 11.02.

Місткість легень також може відрізнятися залежно від людини. Приблизний обсяг легень жінки становить чотири літри, чоловіки – шість, але може бути й більше. Наприклад, відомий фрідайвер Герберт Ніч мав об'єм легких 14 літрів.

Є ще один спосіб – гіпервентиляція легеньчасто використовують дайвери. Цей спосіб дозволяє позбавити організм від Вуглекислий газта наповнити тіло киснем. Найбільш екстремальна версія цієї техніки включає дихання тільки киснем за 30 хвилин до занурення.

У повітрі міститься лише 21% кисню, отже, якщо дихати атмосферним повітрямПеред зануренням, кисню в організмі буде менше, ніж якщо вдихати чистий кисень.

Саме ця техніка дозволила фокуснику Девіду Блейну побити світовий рекорд із затримки дихання у 2008 році, протримавшись без повітря 17 хвилин та 4 секунди. За її допомогою Стіг Северинесен побив цей рекорд у 2012 році з часом 22 хвилини.

На відміну від "статичного апное", в якому не дозволяється дихати чистим киснемПеред зануренням, Книга рекордів Гіннеса не така сувора, тому рекорд у 22 хвилини зараз вважається першим у світі.

Небезпеки апное

Але всі ці техніки та тренування по-своєму небезпечні. Тривала затримка дихання та кисневе голодуванняорганізму може погано позначитися на здоров'я, а гіпервентиляція може призвести до втрати свідомості та інших ризиків. Що стосується методу щічного накачування, від цього може статися розрив легень.

І з цієї причини фрідайвери не проводять тренування поодинці, лише під наглядом. Навіть коли вони перебувають у неглибокій воді, оскільки немає різниці, на якій глибині ти перебуваєш, якщо знепритомнів.

Так що, якщо ви вирішили потренуватися затримувати дихання, краще не робіть цього на самоті, мало що може статися.

Затримка дихання у воді для людини не є простим питанням. Людські істоти що неспроможні дихати під водою як риба, але можуть на нетривалий час затримати дихання. Коли діти грають у басейні, на озері або навіть у ванні, то у вигляді конкурсу затримують подих хто найдовше не дихатиме під водою.

Затримка дихання під водою – це не просто дитяча гра. Екстремальні спортсмени, відомі як фрідайвери, регулярно проводять змагання з метою встановлення нових рекордів. Ця практика відома як статичне апное. Апное - тимчасове припинення дихання та фрідайвери практикують, щоб збільшити кількість часу, яке можуть залишатися під водою не виринувши.

У Нині француз Стефан Міфсуд із статичного апное має рекорд із затримки дихання 11 хвилин 35 секунд.

Насправді були люди, які затримували подих ще довше, ніж 11 хвилин. У Книзі рекордів Гіннеса є спеціальна категорія, хто міг затримувати дихання під водою. На відміну від фрідайверів, хто практикує статичне апное, хто реєструє рекорди книги Гіннеса, вони дозволяють конкурсантам дихати чистим киснем протягом 30 хвилин до своєї спроби.

З попереднім диханням чистим киснем нинішній світовий Гіннеса рекорд із затримки диханняпід водою належить Рікардо Баїя з Бразилії на цілих 20 хвилин 21 секунду!

Дихання під водою

Більшість людей у доброму здоров'ї можуть затримувати дихання протягом двох хвилин. Експерти вважають, що ще трохи практики може збільшити цей проміжок часу зовсім небагато. Однак вони також попереджають, що позбавляючи свій організм кисню можна мати багато негативних наслідківтому не робіть звичку затримувати дихання на дуже довго! Коли людина затримує дихання, двоокис вуглецю (газ, який зазвичай видихається), накопичується всередині організму. Зрештою, цей газ має бути звільнений і рефлекс викликає дихальні м'язи до спазмів. Ці спазми зазвичай змушують людину задихатися буквально за кілька хвилин. Якщо без тренування ще довше протриматися без повітря, може змінитися без кисню і він може загинути. Коли кандидати на рекорд Гіннеса дихають чистим киснем, вони роблять це, щоб змусити максимально видалити вуглекислий газ зі свого тіла. Додатковий кисень допомагає їм довше бути без цього фізіологічного процесу.

Перебуваючи під водою, організм виявляє природну реакцію на затримку дихання. Як дельфіни та кити, наші тіла інстинктивно економлять кисень, коли людина знаходиться не на повітрі. Ця реакція називається дайвінг-рефлекс - допомагає зберегти кисень в організмі і дозволяє втриматися без цього фізіологічного процесу довше.

Акваланг для фізіологічного процесу під водою

Дайвери, які хочуть провести велика кількістьчасу під водою зазвичай використовують акваланг. Акваланг спочатку був абревіатурою від «автономний підводний» дихальний апарат». Сьогодні, акваланг використовується як звичайне словодля позначення практики використання спеціального спорядження для природного процесупід водою без необхідності затримки дихання під час занурення.

Перший акваланг було розроблено під час Другої Світової війни для американських бойових водолазів. Бойові плавці використовують пристрої, звані ребризери, щоб залишатися під водою протягом тривалих періодівчасу для підводних військових місій Сьогодні аквалангісти користуються балонами зі стисненим повітрям, які кріпляться до спини. Аквалангісти отримують повітря через мундштук, з'єднаний з балонами через регулятор. Потрібен деякий час, щоб пристосуватися до дихання під водою таким чином.

Ось чому люди, які хочуть стати аквалангістами, повинні мати спеціальну підготовкудо сертифікації для дайвінгу.

Перший лікар, який побував на навколоземній орбіті, радянський льотчик-космонавт Борис Єгоров, якось заявив: «На глибині понад 500-700 метрів у людини (принаймні теоретично) є можливість стати Іхтіандром, не використовуючи жодної техніки! Він там плаватиме, подібно до риби, і житиме максимально довго. Потрібно лише... заповнити легкі водою. На глибині 500-700 метрів легкі людини, зважаючи на все, засвоюватимуть кисень безпосередньо з води».

На перший погляд, ця думка здається неймовірною. Хіба не гинуть щороку тисячі людей, що захлинулися морською водою? Чи здатна вода стати заміною звичайному кисню? Перенесемося в лабораторію голландського фізіолога Йоганнеса Кілстра, де вчений проводить свої дивовижні досліди. Ось один із них.

Вчений заливає водою невеликий прозорий резервуар та додає туди трохи солі. Далі він закупорює ємність і через трубку накачує до неї кисень під тиском. Посудину збовтують і незабаром через проміжну (шлюзову) камеру впускають всередину білу мишу. Піднятися вона не може – цьому перешкоджає сітка на поверхні води. Але... Минає півгодини, година, дві. Миша, як це не здається дивним, дихає - так, так, саме дихає водою! Але жодної паніки у миші немає. Легкі звірята діють подібно до риб'ячих зябер, отримуючи кисень безпосередньо з води. Звісно ж, ні про яку кесонну хворобу і мови бути не може - азот у воду не додавали. Такі експерименти робили і вчені СРСР, очолювані кандидатом медичних наук Владленом Козаком.

Отже, перший крок зроблено. І цілком вдало. Проте вчені не поспішають оголосити про це. Раптом здатність до дихання рідиною мають лише дрібні тварини? Щоб розпорошити сумніви, метод перевіряють на собаках. І що ж? У перших експериментах собаки дихали солонуватим розчином, насиченим киснем, більше півгодини. Досліди показали, що не лише собаки, а й кішки можуть довго дихати рідиною. Іноді вони залишалися під водою багато годин поспіль і потім спокійно поверталися до звичний спосібдихання.

А чи здатна дихати водою людина? Підбадьорений успіхом дослідів на тваринах, Йоганнес Кілстра зробив спробу прояснити це питання. Першим випробуваним став водолаз із 20-річним досвідом Френк Фалежчик. Коли йому залили одну легеню, він почував себе так добре, що просив одночасно заповнити й інше. "Поки в цьому немає необхідності", - сказав учений. Однак через деякий час Кілстра зважився на такий експеримент.

У лабораторії зібралося двадцять лікарів, щоб засвідчити дивовижний досвід. Піддослідним погодився бути той самий Френк Фалежчик. Йому зробили анестезію горла для придушення ковтального рефлексу та ввели в трахею (дихальне горло) еластичну трубку. Через неї вчений почавпоступово вливати спеціальний розчин. Рідина надходила в обидві легені, і всі напружено спостерігали за Фалежчиком, який не виявляв жодних ознак паніки. Більше того, він показав знаками, що готовий допомагати експериментаторам і сам почав записувати свої відчуття. Людина дихала рідиною не одну годину! Однак, знадобилося кілька днів, щоб остаточно відкачати її з легенів. "Я не відчував ніякого дискомфорту, - сказав після досвіду Френк Фалежчик, - і не відчував тяжкості в грудях, як спочатку припускав". Розмірковуючи над результатами цих найцікавіших дослідів, доктор Килстра висловив переконання, що людина із залитими водою легень може безболісно опуститися на півкілометра і через двадцять хвилин повернутися на поверхню.

Багато років тому Жак-Ів Кусто висунув цікаве припущення. «Прийде час, – писав він, – і людство виведе нову расу людей-«Гомо акватикус» («людина підводна»). Вони заселять морське дно, збудують там міста і житимуть, як на землі». Хто знає, може, пророцтво відважного капітана, визнаного старійшини підводних плавців, колись і збудеться?

Підпишіться на нас

Життя на нашій планеті зародилося, мабуть, у воді - в середовищі, де запаси кисню дуже мізерні. При атмосферному тискувміст 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 водному середовищі, дихали зябрами, призначення яких - екстрагувати максимальна кількістькисню 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 органиСухопутні тварини так 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 і 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 тискомрозчин 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 шлюпу 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 довгий 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 даному випадкуце зумовлювалося 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, забезпеченій додатковим обладнанням. Камера наповнювалася повітрям під тиском 5 атмосфер. Тут же знаходилася 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: певних умовтварини, які дихають повітрям протягом обмеженого проміжку часу можуть дихати водою. Головний недолікводного 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 діяльністьсобаки була недостатньою для видалення необхідних кількостейвуглекислого 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 нової серіїДослідів були застосовані прилади, що дозволили отримати конкретні дані щодо газообміну, що відбувається в 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 рівних обсягахвдихається 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 процедурз «оживлення» не проводили. Шість із шістнадцяти собак перенесли експеримент без видимих наслідків.

Взаємодія трьох елементів

Дихання і риб і ссавців засноване на складній взаємодіїтрьох елементів:

1) потреби організму в газообміні,

2) фізичних властивостейнавколишнього 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 при вдиху свіжого повітря(або 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 тисківкисню 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 передумовивиникли на підставі вивчення газового складурідини, 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 складають 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.

В 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 часдихати рідиною. Це дозволить водолазам спускатися значно великі глибиниокеану, ніж зараз.

Головна небезпека глибоководного занурення пов'язана із тиском води на грудну клітинута легкі. В результаті в легенях підвищується тиск газів, і частина газів потрапляє у кров, що призводить до серйозних наслідків. При високих тискахбільшість 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 наступні 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 більш тогощо може винести організм людини, особливо легко уразливі легені.

Але ті ж навантаження стануть цілком допустимими, якщо легені будуть заповнені рідиною, а тіло космонавта занурене в рідину із щільністю, рівної щільностікрові, 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 гальмуванняі поштовх 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, нами використовується зараз новий методлікування деяких захворювань легень.

Метод полягає у промиванні одного легкого сольовим розчином, що видаляє патологічні виділення з альвеол та бронхів. Друга легкадихає 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 температурітіла повітря в одній легені замінили 0,9-відсотковим 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, що знаходився протягом усієї процедури в повній свідомості, Розповів, що він не помітив значної різниці між легким, що дихає повітрям, і легким, що дихає водою. Він не відчував також неприємних відчуттівпри вході та виході потоку рідини з легкого.

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 достатню кількістьнавіть 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 вчетверо вище і швидкість дифузії газу. Однак і тут, як і раніше, залишається каменем спотикання мала пропускна здатність рідини через легені: фторвуглеці мають ще більшу в'язкість, ніж сольовий розчин.

Переклад з англійської Н. Познанської.