После публичного эксперимента по жидкостному дыханию с собакой ученые в полезности этого опыта и перспективах этой технологии в целом. Редакция N + 1 попросила врача и ученого Андрея Филиппенко, который занимается разработкой систем жидкостного дыхания с советских времен, рассказать о современном состоянии исследований в этой сфере.
N + 1: Все мы видели эффектную демонстрацию с таксой, организованную Фондом перспективных исследований. Вы занимаетесь тематикой жидкостного дыхания с 1980-х годов, вы имеете какое-то отношение к этому проекту? Вы являетесь сотрудником ФПИ?
Андрей Филиппенко: Нет, я работаю независимо от ФПИ. В 1980-х я был научным руководителем исследований по проблемам жидкостного дыхания (НИОКР «Олифа МЗ»). В 2014–15 годах выполнил с ФПИ аванпроект «Терек», в качестве общественной нагрузки продолжал обучать жидкостному дыханию, ездил и согласовывал задания соисполнителям в продолжение темы «Терек-1» до первой половины 2016 года. Сейчас продолжаю работать по проблеме как врач-исследователь и разработчик аппаратов жидкостного дыхания для подводников, водолазов и космонавтов.
Эксперименты с жидкостным дыханием в 1988 году
Специалисты из ИМБП сомневаются, что в экстремальной ситуации можно действительно использовать технологию жидкостного дыхания, в частности, потому что для перехода на него требуется быстро убрать воздух из легких, иначе может наступить «белая асфиксия». Как решить эту проблему?
Причина такой асфиксии - смыкание голосовой щели, точнее, голосовых связок. Они срабатывают не у всех млекопитающих при иммерсии (полном погружении под воду), да и смыкание можно убрать анестезией. Предотвратить смыкание - это стандартная проблема для всех бронхоскопий, а бронхоскопия - рутинное мероприятие в больницах, то есть проблема недопущения смыкания связок решена.
Как обеспечить дыхание жидкостью? Ведь для этого требуется постоянная перекачка и обновление кислородсодержащей жидкости. Разве могут легкие человека обеспечить ее постоянную перекачку?
В 1987-88 годах я показал, что крупные животные (собаки) с этим могут справиться - за счет движения диафрагмы и межреберных мышц прокачивать жидкость в течение нескольких часов. Мы впервые тогда увидели противоречие западным публикациям - возможно жидкостное дыхание дольше 20 минут, то есть вдыхание кислородсодержащей жидкости и ее эвакуация наружу, при приемлемых показателях газов в крови. В случае с людьми несколько сложнее, чем с животными, но к этому нет непреодолимых препятствий. Да, это достаточно тяжело, такие эксперименты для здоровых и сильных людей, на пожилых со слабыми легкими и сердцем это и не рассчитано. Таких среди подводников нет. В переключении на жидкостное дыхание, а потом на обычное ничего невозможного нет, хотя это порой не просто. «Дьявол» в деталях.
Возможны ли негативные последствия для здоровья потом? Повреждения легких, пневмония? Насколько я понимаю, жидкость должна вымывать из легких сурфактант?
Да, альвеолы легких действительно покрыты изнутри сурфактантом, который удерживает их в развернутом состоянии. При экспериментах с солевыми растворами было установлено, что сурфактант вымывается и альвеолы в легких могли спадаться. Но мы проводили эксперименты с перфторуглеродной жидкостью, а она обладает крайне низкой смачивающей способностью, соответственно сурфактант из альвеол практически не вымывает. Кроме того, можно добавить сурфактант в саму дыхательную жидкость (они бывают разные по составу). В «чистых» перфторуглеродных экспериментах с собаками, с крысами, с мышами у нас не было случаев «спадения» альвеол легких. Следует отметить, что жидкость не всасывается в стенки альвеол и какое-то количество жидкости в легких остается, но она испаряется и выдыхается.
Но тем не менее, в результате экспериментов возникала пневмония, например, у того же Фрэнка Фалейчика?
Фалейчик, кстати, жив-здоров, мой врач-приятель из шведского Каролинского института недавно его видел. Часто дело не только в жидкости, но и в температуре. Мы ведь для имитации спасения подводников работаем в холоде, изначально животное охлаждалось, все тело погружается в воду температурой 10 градусов, а потом еще она заливается в легкие - возникает переохлаждение. И единственное, за счет чего мы можем уменьшить это переохлаждение, - это за счет быстрого подъема к поверхности.
Особенно сложная ситуация для подводников, поскольку ниже 100 метров температура воды не поднимается выше 4 градусов. Даже если нет гибели от переохлаждения в процессе всплытия, есть вероятность гибели от воспаления легких потом. Поэтому бессмысленно делать технологию жидкостного дыхания для комнатных или лабораторных условий.
Нужно решать эту проблему. Как и исключить возможность попадания в легкие каких-то примесей с жидкостью, например, шерсти собак в опыте. Именно поэтому я предложил и опробовал в море три года назад погружать таксу головой вниз в капсуле для морских испытаний. Она дышала оксигенированной жидкостью, потом смогла вывернуться из собачьего гидрокостюма и хлебнула много холодной морской воды.
Первые опыты на крупных собаках в лаборатории ВНИИ пульмонологии в 1987 году. Виден монитор состояния собаки и забор пробы дыхательной жидкости на этапе заполнения легких.
Личный архив Андрея Филиппенко
Еще одна проблема связана с самой жидкостью. В ранних экспериментах с солевыми растворами животные часто гибли, поскольку не могли вернуться обратно к дыханию воздухом. Не дает таких осложнений при адекватной методике чистая перфторуглеродная жидкость. Кстати, даже обученный для презентации первым лицам государства сотрудник ФПИ в представленном на весь мир видео оговорился и назвал ее перфтораном, невольно сделав рекламу нашему уникальному по возрасту препарату. Тут критически важна именно чистота жидкости, она должна быть чище, чем для переливаний в кровь, даже малейшие примеси могут привести к тяжелым последствиям.
Насколько серьезной проблемой может быть нервный синдром высокого давления?
В гипербарическом центре ВМФ города Ломоносова, где я работал с 1979 года, исследовали этот эффект много лет вместе с институтами Академии наук. Пробовали и лекарства, и добавление инертных газов в дыхательную смесь. Помогало и то, и другое снять проявления НСВД. Что будет на сверхбольших глубинах - узнаем, когда к ним будет приближаться человек. Опыты на животных, даже человекообразных обезьянах, мы не можем полностью переносить на людей.
Зачем вообще подводникам может понадобиться технология жидкостного дыхания? Не проще ли сделать средства спасения с обычным дыханием?
Подводников спасать сложно - в момент аварии на лодке может не быть ни света, ни тепла, почти всегда в аварийном отсеке - вода, и часто единственным способом спасения остается свободное всплытие. Один из вариантов спасения состоит в том, что подводники в специальных водолазных костюмах собираются в одном отсеке, который затапливается, а затем они через люк всплывают на поверхность. На практике это срабатывает только на очень небольшой глубине, потому что при повышении давления в отсеке азот начинает интенсивно растворяться в крови, а затем при всплытии пузыри азота выделяются обратно – в кровеносных сосудах, в тканях, возникает множество азотных пузырьков, которые закупоривают сосуды, что может привести к фатальным последствиям. Это и называется декомпрессионной болезнью. Предотвратить ее можно, только выдерживая очень длительный график всплытия в воде или в барокамере, что в условиях аварии, смертельно низкой температуры воды и недостатка кислорода попросту невозможно.
Поэтому промежуток подъема давления в отсеке должен быть максимально короткий - десятки секунд, инструкции допускают в этом случае даже прорыв барабанных перепонок, потому что декомпрессионная болезнь намного опаснее. Даже при учениях подводников, когда они тренируются на свободное всплытие, гибнут люди, как докладывали офицеры ВМС Голландии при мне в штаб-квартире НАТО в Брюсселе.
А в случае серьезной глубоководной аварии, как например, в случае «Курска», шанс на спасение может быть только у одного человека, остальные просто не успеют. Поэтому скорее всего подводники будут ждать спасения извне. Ждать до гибели, если глубина более 200 метров.
В случае использования жидкостного дыхания ситуация выглядит совершенно иначе. Экипаж надевает аппараты для жидкостного дыхания, включает их, а затем они поднимаются, всплывая в спасательном гидрокостюме на поверхность. В дыхательной жидкости нет азота, нет значительного перепада давления между легкими и внешней средой, поэтому риска декомпрессионной болезни нет. Это не значит, что все проблемы спасения людей в море будут решены, но будет решена одна из них - подъем к поверхности.
Но ведь такое устройство должно быть крайне сложным: в нем должны быть системы перекачки жидкости, системы насыщения ее кислородом и удаления из нее углекислого газа, должен быть подогрев жидкости и многое другое. Можно ли вообще использовать такое сложное и ненадежное устройство в экстренной ситуации? Насколько реально ее построить?
Что касается аппарата механической, принудительной вентиляции, то американцы сделали аппарат жидкостного дыхания величиной со шкаф. Мне же пришлось сделать размером с «дипломат» для бумаг. Просто не было возможности его возить на машине в командировки. Наш аппарат в опытах с жидкостным дыханием собак тридцать лет назад вдвое превысил заданную рабочую глубину - 700 метров вместо 350 метров. Был успех. Если толковым людям правильно взяться, можно сделать многое.
Когда же мы делаем длительное принудительное жидкостное дыхание аппаратом водолаза-спасателя, то у него, например, должна быть система подогрева жидкости, прецизионные датчики насыщения кислородом перфторуглерода. Как в ребризерах, с тройным резервированием. И все же не вижу проблем сделать устройство достаточно компактным.
Считаю, что можно сделать простое устройство для подводников, правда, нужны большой опыт и талант, а также граничные условия применения от заказчика. Помня, что этот метод не решает всех проблем при аварии лодки. Это не магия.
Вопрос использования - вопрос тренировки подводников профессионалами. Переключиться на жидкостное дыхание не просто, но эту операцию возможно отработать. В Институте пульмонологии регулярно проводят процедуры заливания и промывки легких жидкостью - она жизненно необходима для больных альвеолярным протеинозом. Без этого они не способны жить дальше. И не всегда эта процедура проводится под общим наркозом, порой его из-за опасности для больного не применяли.
Наконец, когда у нас появилось требование, чтобы человек вышел в космос, сложнейший скафандр «Беркут» сделали сверхбыстро - за девять месяцев, и в полете Леонов его испытал. Наши деды сделали, мы тоже, если возьмемся, сможем!
В каком состоянии эти исследования сейчас?
Это непростой вопрос. Сейчас мы в проекте «Терек-1» повторили результаты 1988 года, когда я по заказу ВМФ СССР вместе с Научно-исследовательским институтом спасания и подводных технологий провел в НИОКР «Олифа МЗ» серию экспериментов с собаками в барокамерах при гипербарии и в лаборатории при нормальном давлении. Мне повторить свой же результат было не сложно, а коллегам из ФПИ и их подопечным из Института медицины труда и Севастопольского государственного института пришлось учиться. И результат есть.
Пока в простом варианте: без видеокамеры снизу и датчиков контроля состояния собаки, при нормальном давлении, в рамках нескольких минут. В таких условиях сложно увидеть собственно жидкостное дыхание.
Если говорить о научных результатах публичного опыта, то здесь их не собрать: сразу после опыта перевозить животное в самолете в Москву или забирать домой - все это непременно сказывается на показателях здоровья. Результаты будут искаженными. Это допустимо только при пилотных, пробных опытах или при отсутствии финансирования. Очень важно содержать животное после реабилитации к норме в стандартных условиях. Нужно ежедневно контролировать его состояние в течение нескольких лет и планировать секцию опытных животных порой через годы.
Хорошо знаю, что сейчас масса проблем с экспериментальными животными, поэтому при планировании темы «Терек-1» в 2016 году я требовал опережающего строительства в Севастополе вивария для животных и создания мест для их пожизненного проживания под присмотром ветеринаров после экстремальных глубоководных экспериментов. Надеюсь, мы увидим образцовый виварий, раз иностранцам показывали такой опыт.
А как скоро можно ожидать экспериментов на людях в России?
Пилотный эксперимент со здоровыми добровольцами, находящимися в сознании, может быть проведен через три месяца. Я 30 лет разрабатываю свою методику самостоятельного жидкостного дыхания. Да, должна быть слаженная команда высококвалифицированных специалистов. За долгие годы успел со многими поработать. Сложилась команда готовых к уникальным экспериментам врачей-исследователей. Волонтерские испытания с военнослужащими отпадают, поскольку нет соответствующего законодательства. В России проводят испытания лекарств и медицинских устройств (в основном западных) на гражданских лицах, но Фонд перспективных исследований не имеет необходимых разрешений на проведение таких исследований, их головной в теме «Терек-1» - московский Институт медицины труда - проблемный по сравнению с другими организациями. Еще в 2014–2015 годах (до моих морских испытаний) их специалисты отрицали возможность успешного самостоятельного жидкостного дыхания крупных животных по своему опыту с животными в теме 2008 года.
Когда это может быть реализовано иностранной группой - сказать не могу, да и вряд ли у кого получится. Шведы и американцы прямо говорили: «Мы после вас».
Горжусь этим, да и тем, что 25 лет хранил и передал прорывную технологию нашей стране. Есть недостатки и трудности, но можно сказать, что тема жидкостного дыхания получила поддержку в России и будет развиваться.
Беседовал Илья Ферапонтов
Ихтиандры среди нас. Российские ученые начали испытывать технологию жидкостного дыхания у подводников. Опыты сейчас пока проходят на собаках. Рекорд дыхания в жидкости — уже 30 минут. Как чудеса из романов и фильмов претворяются в жизнь, выяснял корреспондент «Вестей ФМ» Сергей Гололобов.
Наблюдение за экспериментом. Таксу погружают в ванну с жидкостью мордой вниз. Удивительно, но собака не захлебнулась, а начала дышать той самой жидкостью. Заглатывая её судорожно, рывками. Но ведь дышала. Спустя 15 минут ее вытащили. Собака была вялой, причем, скорее, от переохлаждения, но, главное, живой. А спустя некоторое время и во все пришла в свое обычное игривое настроение. Чудо. Что-то похожее демонстрировалось в знаменитом голливудском фильме «Бездна» 1989 года. Там, залив в колбу с водой некие присадки, запускали туда белую крысу. Причем снято все натурально. И крыса действительно дышала якобы под водой.
А хитрость этого эпизода из фильма «Бездна» в том, что крыса дышала не водой как таковой, а некой специальной жидкостью. Именно на этом и основывается технология жидкостного дыхания. Наиболее подходящими веществами для этой цели считаются перфторуглеродные соединения. Они хорошо растворяют в себе кислород и углекислый газ и не приносят вред организму. То есть живые существа вдыхают не воду, а те самые жидкие углероды. Для чего это нужно людям, рассказал врач-пульмонолог, руководитель научной темы по жидкостному дыханию еще с восьмидесятых годов Андрей Филиппенко.
«Это нужня для спасения подводников. При большом давлении, если у них будет в легких жидкость, если они из этой жидкости извлекут кислород, то они смогут выйти на большой глубине, и быстро, без всякой декомпрессионной проблемы подняться к поверхности».
Известно, что выход с больших глубин у водолазов и подводников занимает часы. Если же подниматься на поверхность быстро, то вас настигнет кессонная болезнь. Попадающие с дыхательной смесью в кровь пузырьки азота вскипают из-за резкого перепада давления и разрушают сосуды. Если использовать аппарат со специальной дыхательной жидкостью, таких проблем не возникнет, поясняет Андрей Филиппенко.
«Фторуглеродная жидкость является носителем, так сказать, азот-кислорода, то есть переносчиком. Но в отличие от азота, который переходит в ткань организма при большом давлении, на глубине, и из-за этого возникает кессонная болезнь, здесь этого нет. То есть нет причин для кессонной болезни. Нет пересыщения инертным газом организма. То есть нет принципиально причин для пузырьков».
Опыты по жидкостному дыханию активно велись, начиная с 60-х, в Советском Союзе и США. Но дальше экспериментов с животными дело не доходило. После развала Союза у нас научный поиск в этом направлении сошел на нет. Но очень мощные наработки остались. И сейчас их решено использовать по новой, говорит Андрей Филиппенко.
«Большой задел по технологии жидкостного дыхания, и по жидкостям. И плюс еще у нас еще есть последствия этих жидкостей. Потому что все вводимые в кровь фторуглероды, а у нас уже 25 лет используется такое вещество, выходят через легкие. То есть мы знаем и последствия влияния на организм введения в него перфторуглеродов. У американцев или французов, англичан таких данных нет».
Недавно российские ученые создали специальную капсулу для собак, которую погружали в гидрокамеру с повышенным давлением. И сейчас собаки могут без последствий для здоровья более получаса дышать на глубине до полукилометра. А вскоре планируется перейти к экспериментам на людях. Самое страшное — это, конечно, заставить себя вдохнуть жидкость, размышляет президент Конфедерации подводной деятельности России Валентин Сташевский:
«Когда воду вдыхаешь, это просто кошмар. Это значит первый путь к тому, чтобы утонуть. Так было по всем историческим предшествующим событиям. Захлебываешься, как только вода попадает в дыхательные пути и так далее».
Тем не менее, желающие стать фактически утопленниками, но при этом начать дышать как человек-амфибия, ну или Садко, у нас есть, отмечает Андрей Филиппенко.
«Добровольцы есть. Но давайте сразу уточним, добровольцами здесь могут быть только те люди, которые очень хорошо понимают, что может произойти. То есть это фактически могут быть только те врачи, которые много занимались жидкостным дыханием. Вот такие в нашей команде есть. И не один. Нужно только правильно всё оорганизовать».
Сейчас работы по жидкостному дыханию переданы в НИИ медицины труда. Основная цель исследований — создать специальный скафандр, который пригодится не только подводникам, но и летчикам, а также космонавтам. Но, повторим, речь идет о дыхании специальными жидкостями. Дышать непосредственно водой, как ихтиандр, пока человеку недоступно.
МОСКВА, 25 дек — РИА Новости, Татьяна Пичугина. С тех пор как в 2016 году Фонд перспективных исследований (ФПИ) одобрил проект жидкостного дыхания, общественность живо интересуется его успехами. Недавняя демонстрация возможностей этой технологии буквально взорвала интернет. На встрече зампреда правительства Дмитрия Рогозина с президентом Сербии Александром Вучичем таксу погрузили на две минуты в аквариум со специальной жидкостью, насыщенной кислородом. После процедуры собака, по словам вице-премьера, жива и здорова. Что это была за жидкость?
"Ученые синтезировали несуществующие в природе вещества — перфторуглероды, в которых межмолекулярные силы настолько малы, что их считают чем-то промежуточным между жидкостью и газом. Они растворяют в себе кислород в 18-20 раз больше, чем вода", — рассказывает доктор медицинских наук Евгений Маевский, профессор, заведующий лабораторией энергетики биологических систем Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, один из создателей перфторана, так называемой голубой крови. Он работает над медицинскими приложениями перфторуглеродов с 1979 года.
При парциальном давлении в одну атмосферу в 100 миллилитрах воды растворяется всего 2,3 миллилитра кислорода. При тех же условиях перфторуглероды могут содержать до 50 миллилитров кислорода. Это делает их потенциально пригодными для дыхания.
"Например, при погружении на глубину через каждые 10 метров давление увеличивается как минимум на одну атмосферу. В итоге грудная клетка и легкие сожмутся до такой степени, что дышать в газовой среде станет невозможно. А если в легких находится переносящая газ жидкость, существенно большей плотности, чем воздух и даже вода, то они смогут функционировать. В перфторуглеродах можно растворить кислород без примеси азота, которого много в воздухе и растворение которого в тканях является одной из наиболее существенных причин кессонной болезни при подъеме с глубины", — продолжает Маевский.
Кислород будет поступать в кровь из жидкости, наполняющей легкие. В ней же может растворяться переносимый кровью углекислый газ.
Принцип дыхания жидкостью прекрасно освоен рыбами. Их жабры пропускают через себя колоссальный объем воды, забирают растворенный там кислород и отдают в кровь. У человека нет жабр, а весь газообмен идет через легкие, площадь поверхности которых примерно в 45 раз превосходит площадь поверхности тела. Чтобы прогнать через них воздух, мы делаем вдох и выдох. В этом нам помогают дыхательные мышцы. Поскольку перфторуглероды плотнее, чем воздух, то дышать на поверхности с их помощью весьма проблематично.
"В этом и состоят наука и искусство подобрать такие перфторуглероды, чтобы облегчить работу дыхательных мышц и не допустить повреждения легких. Многое зависит от длительности процесса дыхания жидкостью, от того, насильственно или спонтанно оно происходит", — заключает исследователь.
Однако принципиальных препятствий к тому, чтобы человек дышал жидкостью, нет. Евгений Маевский полагает, что продемонстрированную технологию российские ученые доведут до практического применения в ближайшие несколько лет.
От реанимации до спасения подводников
Ученые стали рассматривать перфторуглероды как альтернативу дыхательным газовым смесям в середине прошлого века. В 1962 году вышла голландского исследователя Йоханнеса Килстры (Johannes Kylstra) "О мышах-рыбах" (Of mice as fish), где описан опыт с грызуном, помещенным в насыщенный кислородом солевой раствор при давлении 160 атмосфер. Животное оставалось живым в течение 18 часов. Затем Килстра стал экспериментировать с перфторуглеродами, и уже в 1966 году в детском госпитале Кливленда (США) физиолог Леланд Кларк (Leland C. Clark) попытался применить их, чтобы наладить дыхание новорожденных, больных муковисцидозом. Это генетическое заболевание, при котором ребенок рождается с недоразвитыми легкими, его альвеолы схлопываются, что препятствует дыханию. Легкие таких пациентов промывают физраствором, насыщенным кислородом. Кларк решил, что лучше делать это кислородсодержащей жидкостью. Этот исследователь впоследствии много сделал для развития жидкостного дыхания.
© 20th Century Fox Film Corporation Кадр из фильма "Бездна"
© 20th Century Fox Film Corporation
В начале 1970-х "дыхательной" жидкостью заинтересовались в СССР, в значительной мере благодаря руководителю лаборатории ленинградского НИИ переливания крови Зое Александровне Чаплыгиной. Этот институт стал одним из лидеров проекта по созданию кровезаменителей — переносчиков кислорода на основе эмульсий перфторуглеродов и растворов модифицированного гемоглобина.
Над применением этих веществ для промывания легких активно работали в Институте сердечно-сосудистой хирургии Феликс Белоярцев и Халид Хапий.
"В наших экспериментах у мелких животных несколько страдали легкие, но все они выживали", — вспоминает Евгений Маевский.
Систему дыхания с помощью жидкости разрабатывали по закрытой тематике в институтах Ленинграда и Москвы, а с 2008 года — на кафедре аэрогидродинамики Самарского государственного аэрокосмического университета. Там сделали капсулу типа "Русалка" для отработки жидкостного дыхания в случае экстренного спасения подводников с большой глубины. С 2015 года разработку испытывали в Севастополе по теме "Терек", поддерживаемой ФПИ.
Наследие атомного проекта
Перфторуглероды (перфторуглеводороды) — это органические соединения, где все атомы водорода замещены на атомы фтора. Это подчеркивает латинская приставка "пер-", означающая завершенность, целостность. Эти вещества не обнаружены в природе. Их пытались синтезировать еще в конце XIX века, но реально преуспели только после Второй мировой, когда они понадобились для атомной промышленности. Их производство в СССР наладил академик Иван Людвигович Кнунянц, основатель лаборатории фторорганических соединений в ИНЭОС РАН.
"Перфторуглероды использовали в технологии получения обогащенного урана. В СССР их крупнейшим разработчиком был Государственный институт прикладной химии в Ленинграде. В настоящее время их выпускают в Кирово-Чепецке и Перми", — говорит Маевский.
Внешне жидкие перфторуглероды выглядят как вода, но ощутимо более плотные. Они не вступают в реакцию с щелочами и кислотами, не окисляются, разлагаются при температуре более 600 градусов. Фактически их считают химически инертными соединениями. Благодаря этим свойствам перфторуглеродные материалы применяют в реанимационной и регенеративной медицине.
"Есть такая операция — бронхиальный лаваж, когда человеку под наркозом промывают одно легкое, а потом другое. В начале 80-х вместе с волгоградским хирургом А. П. Савиным мы пришли к выводу, что эту процедуру лучше делать перфторуглеродом в виде эмульсии", — приводит пример Евгений Маевский.
Эти вещества активно применяют в офтальмологии, для ускорения заживления ран, при диагностике заболеваний, в том числе онкологических. В последние годы метод ЯМР-диагностики с применением перфторуглеродов разрабатывают за рубежом. В нашей стране эти исследования успешно проводит коллектив ученых из МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством академика Алексея Хохлова, ИНЭОС, ИТЭБ РАН и ИИФ (Серпухов).
Нельзя не упомянуть и то, что из этих веществ делают масла, смазки для систем, работающих в условиях высоких температур, включая реактивные двигатели.
Тема жидкостного дыхания давно волнует умы людей - сначала фантастов, а затем и серьёзных учёных. Как выяснилось после долгих лет исследований, наши лёгкие всё же способны работать наподобие рыбьих жабр: для этого необходимо заполнить их специальной жидкостью, которая будет регулярно обновляться. Эти разработки являются победой человека над силами природы и законами физики, а понятие кессонной болезни скоро безнадёжно устареет.
Глубоководная болезнь
Декомпрессионная, или кессонная болезнь, известна с середины 19 века. Заболевание связано с тем, что в баллонах со сжатым воздухом, которыми пользуются водолазы, находится обычный по составу воздух. В нём содержится всего 20% кислорода, который наш организм полностью использует и перерабатывает в углекислый газ. Остальные 80% составляют, в основном, азот, гелий, водород и незначительные примеси. Когда дайвер быстро поднимается из глубины моря на поверхность, давление этих балластных газов изменяется. В результате они начинают выделяться в виде пузырьков в кровь и разрушать стенки клеток и кровеносных сосудов, блокировать кровоток. При тяжёлой форме декомпрессионная болезнь может привести к параличу или смерти.
Поэтому увлечённые дайвингом люди долгое время не могли себе позволить нырять глубже 70 метров, потому что это крайне опасно. На большие глубины способны погружаться лишь уникальные специалисты - их все-го несколько человек в мире. Мировой рекордсмен здесь - южно-африканец Нуно Гомес. Его погружение в 2005 году на глубину 318 метров заняло всего 14 минут, тогда как подъём продолжался около 12 часов. При этом Гомес потратил 35 баллонов (почти 450 литров) сжатого воздуха.
Группа риска включает в себя не только дайверов и рабочих, работающих в кессонах (камерах с повышенным давлением, обычно использующиеся для строительства туннелей под реками и закрепления в донном грунте опор мостов), но и пилотов на большой высоте, а так же космонавтов, использующих для выхода в открытый космос костюмы, поддерживающие низкое давление. К сожалению, заменить дыхательную смесь чистым кислородом - тоже не вариант. Он вызывает головные боли и общую слабость, а при продолжительном использовании наступает перекисное окисление липидов и активацию свободнорадикального окисления, что приводит к истощению антиоксидантов и возникновению окислительного стресса организма. А это уже практически 100%-ный риск развития онкологических заболеваний.
Первые успехи
Первые опыты, связанные с дыханием при помощи жидкости, были проведены в 1966 году на мышах. Кларк Леланд осуществил замену воздуха в легких у подопытных животных жидкими перфторуглеродными соединениями. Результаты были вполне удачными — мыши смогли дышать, будучи погруженными в жидкость на несколько часов, а затем снова дышать воздухом. Уже более 20 лет неонатологи используют подобные технологи для ухода за недоношенными младенцами. Лёгочная ткань таких детишек к рождению сформирована не до конца, поэтому с помощью специальных устройств дыхательную систему насыщают как раз кислородсодержащим раствором на основе перфторуглеродов.
Эти вещества представляют собой углеводороды, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. Перфторуглероды обладают аномально высокой способностью растворять газы, например, кислород и углекислый газ. Они так же высокоинертны и не метаболизируются в организме, что позволяет использовать их не только для вентиляции лёгких, но даже в качестве искусственной крови. В последние год ведутся исследования по улучшению свойств дыхательной жидкости: новая формула получила название «перфлуброн» Это чистая, маслянистая жидкость, обладающая малой плотностью. Так как у нее весьма низкая температура кипения, она быстро и легко выводится (испаряется) из легких.
К погружению готов!
Арнольд Лэнди (Arnold Lande), бывший хирург, а ныне обычный американский пенсионер-изобретатель, зарегистрировал патент на водолазный костюм, оснащенный баллоном с «жидким воздухом». Оттуда он подаётся в шлем дайвера, заполняет собой все пространство вокруг головы, вытесняет воздух из легких, полостей носоглотки и ушей, насыщая легкие человека достаточным количеством кислорода. В свою очередь, углекислый газ, который выделяется в процессе дыхания, выходит наружу при помощи своеобразного подобия жабр, прикрепленных к бедренной вене ныряльщика.
Таким образом сам процесс дыхания становится попросту не нужен - кислород поступает в кровь через легкие, а углекислый газ выводится прямо из крови. Да и давление толщи воды на по-настоящему большой глубине слишком большое: пытаясь сделать вдох где-нибудь на дне Марианской впадины, водолаз рискует сломать рёбра. Так что во главе угла теперь стоит психологический момент: нужно отучить водолазов дышать, при этом не испытывая вполне понятной тревоги. Для этого дайверам потребуется проходить курс обучения, и только приобретя все необходимые навыки, из бассейна отправляться в «открытое плавание».
«Моё изобретение позволяет полностью избежать развития кессонной болезни, поскольку вдыхаемая жидкость не содержит азота, гелия и водорода, собственно и образующих пузырьки, закупоривающих сосуды и приводящих к серьезным поражениям внутренних органов», -торжествующе заявил Арнольд Лэнди, выступая на Международной конференции по прикладной бионике и биомеханике, состоявшейся в Италии.
Таким образом, изобретатель сделал ценный подарок не только одним лишь покорителям морских глубин. Предполагается, что жидкостное дыхание так же может быть успешно использовано при космических полётах и в качестве одного из средств комплексной терапии некоторых болезней. Порадоваться могли бы и защитники природы: к примеру, печально известный разрыв на нефтяной скважине в Мексиканском заливе произошёл на глубине полторы тысячи метров, что многовато даже для техники. А вот дайверы, дышащие как рыбы, смогли бы в данной ситуации быстро справиться с ремонтом.
Недавно Научно-технический совет государственного Фонда перспективных исследований одобрил «проект по созданию технологии спасения подводников свободным всплытием с использованием метода жидкостного дыхания», реализацией которого должен заняться московский Институт медицины труда (на момент написания статьи руководство института было недоступно для комментариев). «Чердак» решил разобраться, что скрывается за таинственным словосочетанием «жидкостное дыхание».
Наиболее впечатляюще жидкостное дыхание показано в фильме Джеймса Кэмерона «Бездна».
Правда, в таком виде опыты на людях еще никогда не проводились. Но в целом ученые не сильно уступают Кэмерону по части исследования этого вопроса.
Мыши как рыбы
Первым, кто показал, что млекопитающие в принципе могут получать кислород не из смеси газов, а из жидкости, был Йоханнес Килстра (Johannes Kylstra) из медицинского центра университета Дьюка (США). Вместе с коллегами он в 1962 году опубликовал работу «Мыши как рыбы » (Of mice as fish) в журнале Transactions of American Society for Artificial Internal Organs .
Килстра и его коллеги погружали мышей в физраствор. Чтобы растворить в нем достаточное для дыхания количество кислорода, исследователями «вгоняли» газ в жидкость под давлением до 160 атмосфер — как на глубине 1,5 километра. Мыши в этих экспериментах выживали, но не очень долго: кислорода в жидкости было достаточно, а вот сам процесс дыхания, втягивания и выталкивания жидкости из легких требовал слишком больших усилий.
«Вещество Джо»
Стало понятно, что нужно подобрать такую жидкость, в которой кислород будет растворяться намного лучше, чем в воде. Требуемыми свойствами обладали два типа жидкостей: силиконовые масла и жидкие перфторуглероды. После экспериментов Леланда Кларка (Leland Clark), биохимика из медицинской школы университета Алабамы, в середине 1960-х годов выяснилось, что оба типа жидкостей можно использовать для доставки кислорода в легкие. В опытах мышей и кошек полностью погружали и в перфторуглероды, и в силиконовые масла. Однако последние оказались токсичны — подопытные звери погибали вскоре после эксперимента. А вот перфторуглероды оказались вполне пригодны для использования.
Перфторуглероды были впервые синтезированы в ходе Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы: ученые искали вещества, которые бы не разрушались при взаимодействии с соединениями урана, и они проходили под кодовым названием «вещества Джо» (Joe’s stuff). Для жидкостного дыхания они подходят очень хорошо: «вещества Джо» не взаимодействуют с живыми тканями и прекрасно растворяют газы, в том числе кислород и углекислый газ при атмосферном давлении и нормальной температуре человеческого тела.
Килстра и его коллеги исследовали технологию жидкостного дыхания в поисках технологии, которая бы позволяла людям погружаться и всплывать на поверхность, не опасаясь развития кессонной болезни. Быстрый подъем с большой глубины с запасом сжатого газа очень опасен: газы лучше растворяются в жидкостях под давлением, поэтому по мере того, как водолаз всплывает, растворенные в крови газы, в частности азот, образуют пузырьки, которые повреждают кровеносные сосуды. Результат может быть печальным, вплоть до смертельного.
В 1977 году Килстра представил в Военно-морское министерство США заключение, в котором писал, что, по его расчетам, здоровый человек может получать необходимое количество кислорода при использовании перфторуглеродов, и, соответственно, их потенциально возможно использовать вместо сжатого газа. Ученый указывал, что такая возможность открывает новые перспективы для спасения подводников с больших .
Эксперименты на людях
На практике техника жидкостного дыхания, к тому времени получившая название жидкостной вентиляции легких, была применена на людях всего один раз, в 1989 году. Тогда Томас Шаффер (Thomas Shaffer), педиатр из медицинской школы Темпльского университета (США), и его коллеги использовали этот метод для спасения недоношенных младенцев. Легкие зародыша в утробе матери заполнены жидкостью, а когда человек рождается и начинает дышать воздухом, тканям легких на протяжении всей оставшейся жизни не дает слипаться смесь веществ, называемая легочным сурфактантом. У недоношенных младенцев он не успевает накопиться в нужном количестве, и дыхание требует очень больших усилий, что чревато летальным исходом. В тот раз, правда, жидкостная вентиляция младенцев не спасла: все трое пациентов вскоре умерли, однако этот печальный факт был отнесен на счет других причин, а не на счет несовершенства метода.
Больше экспериментов по тотальной жидкостной вентиляции легких, как эта технология называется по-научному, на людях не проводилось. Однако в 1990-х годах исследователи модифицировали метод и проводили на пациентах с тяжелым воспалительным поражением легких эксперименты по частичной жидкостной вентиляции, при которой легкие заполняются жидкостью не полностью. Первые результаты выглядели обнадеживающими, но в конечном счете до клинического применения дело не дошло — оказалось, что обычная вентиляция легких воздухом работает не хуже.
Патент на фантастику
В настоящее время исследователи вернулись к идее использования полной жидкостной вентиляции легких. Однако фантастическая картина водолазного костюма, в котором человек будет дышать жидкостью вместо специальной смеси газов, далека от реальности, хотя и будоражит воображение публики и умы изобретателей.
Так, в 2008 году отошедший от дел американский хирург Арнольд Ланде (Arnold Lande) запатентовал водолазный костюм с использованием технологии жидкостной вентиляции. Вместо сжатого газа он предложил использовать перфторуглероды, а избыток углекислоты, которая будет образовываться в крови, выводить при помощи искусственных жабр, «воткнутых» прямо в бедренную вену водолаза. Изобретение получило некоторую известность после того, как о нем написало издание The Inpependent .
Как считает специалист по жидкостной вентиляции из Шербрукского университета в Канаде Филипп Мишо (Philippe Micheau), проект Ланде выглядит сомнительным. «В наших экспериментах (Мишо и его коллеги проводят эксперименты на ягнятах и крольчатах со здоровыми и поврежденными легкими — прим. «Чердака») по тотальному жидкостному дыханию животные находятся под анестезией и не двигаются. Поэтому мы можем организовать нормальный газообмен: доставку кислорода и удаление углекислого газа. Для людей при физической нагрузке, такой как плавание и ныряние, доставка кислорода и удаление углекислоты будут проблемой, так как выработка углекислоты в таких условиях выше нормы», — прокомментировал Мишо. Ученый также отметил, что технология закрепления «искусственных жабр» в бедренной вене ему неизвестна.
Главная проблема «жидкостного дыхания»
Более того, Мишо считает саму идею «жидкостного дыхания» сомнительной, поскольку для «дыхания» жидкостью человеческая мускулатура не приспособлена, а эффективная система насосов, которая бы помогала закачивать и выкачивать жидкость из легких человека, когда он двигается и выполняет какую-то работу, до сих пор не разработана.
«Я должен заключить, что на современном этапе развития технологий невозможно разработать водолазный костюм, используя метод жидкостной вентиляции», — считает исследователь.
Однако применение этой технологии продолжает исследоваться для других, более реалистичных целей. Например, для помощи утонувшим, промывания легких при различных заболеваниях или быстрого понижения температуры тела (применяется в случаях реанимации при остановке сердца у взрослых и новорожденных с гипоксически-ишемическим поражением мозга).
Загрузка...