«Прорывные» исследования российских ученых в сфере жидкостного дыхания: реальное положение дел
Предыстория
В декабре далекого теперь уже 2017 года, во время визита в Россию президенту Сербии Александру Вучичу показали эксперимент, в котором такса погружалась в специализированную колбу, наполненную дыхательной жидкостью.
Данное событие освещалось Российскими СМИ примерно так:
Казалось бы, инфоповод по современным меркам стар – почему же к нему приходится возвращаться аж 2021 году?
Дело в том, что прошедшая тогда рекламная акция разработок российских ученых возымела свой эффект. В результате чего в комментариях к моей прошлой статье Экспертная оценка снаряжения российских боевых пловцов появлялись комментарии следующего содержания:
А насчет технологических преимуществ – жидкостное дыхание есть только в РФ. Глянцевые баллоны блекнут рядом с этим.
В связи с этим я решил осветить реальное положение дел в этом направлении.
Актуальность проблемы
В 1927 году в Шанхае родился Жак Майоль.
Этот человек примечателен тем, что в то время, пока другие грезили полетами, фантазии Жака были устремлены в подводный мир. Причем покорение морских глубин предполагалось без использования каких-либо вспомогательных технических средств – без снаряжения и на задержке дыхания.
При погружении человека в глубину, давление, действующее на грудную клетку, возрастает на 1 атмосферу каждые 10 метров и уже на глубине 40 метров составляет 5 атмосфер.
Физиологи того времени полагали, что человек физически не сможет нырять на задержке дыхания глубже 50 метров, так как это приведет к разрушению грудной клетки и травмам, несовместимым с жизнью.
Однако Жак Майоль нырнул. Сначала на 50, потом на 60, а затем и на 100 метров.
Изучили причины, по которым ему удалось выжить после таких погружений. И физиологами впервые были открыты новые, «недокументированные» функции человеческого организма, как наследие наших подводных предков. Оказалось, что организм каждого человека все еще «помнит» некоторые адаптационные механизмы, позволяющие приспособиться к нахождению на глубине. Позднее этот механизм получил название «кровяной сдвиг».
Кровяной сдвиг заключается в притоке крови из периферических областей тела в центральные, особенно в капилляры лёгочных альвеол. Таким образом кровь сдерживает сжатие лёгких под высоким давлением воды, позволяя нырять на глубины, значительно превышающие 40 метров (теоретический предел без учета кровяного сдвига).
Данный эффект позволил сделать скачок с 40 метров до 100, а позднее и до 170.
Именно такой результат (171 м, если быть точным) удалось достичь французу Лоику Леферму в категории «без ограничений».
Немного забегая вперед, вот Жак Майоль в передаче «Вокруг света» в 1982 году. К вопросу о том, кто занимался исследованиями влияния давления именно на живого человека.
Однако движение дальше для человека невозможно.
В определенный момент может произойти разрушение грудной клетки и/или коллапс (схлопывание) легкого, что гарантированно приведет к смерти.
Использование дыхательных аппаратов решает проблему, создавая внутри легких давление равное внешнему. Однако, чем больше глубина, тем больше требуется газа.
Так, к примеру, стандартного баллона на 12 литров, забитого на 200 бар, на глубине 200 метров хватит всего на 6 минут в спокойном состоянии, без учета стресса и физических нагрузок.
Другая проблема газового решения состоит в том, что азот и гелий проникают в ткани, насыщая их под давлением, что делает необходимым декомпрессию. Ее общее время для водолазов, работающих на больших глубинах, в формате предельного насыщения составляют целую неделю.
Фрагмент диаграммы, отображающий декомпрессию при предельном насыщении. Глубина 180 метров. Наверху размерность шкалы имеет формат дни:часы.
Выше приведен пример профиля декомпрессии при погружении на 180 метров. Еще раз замечу, что речь идет не о кратковременном погружении, а о работе на глубине «вахтовым» методом.
Поэтому для подводной работы команды из нескольких водолазов задействовано целое судно обеспечения с высокопроизводительными системами подготовки и хранения газовых смесей.
И, казалось бы, «изобретение Рогозина» позволяет осуществить прорыв в этой сфере. Да и конкурентов не наблюдается. То есть мы столкнулись с очередным продуктом,
«не имеющим аналогов в мире»?
Однако не все так просто.
И для отсутствия подобных решений у других стран есть вполне объективные основания.
Давайте разберем те сложности, которые стоят на пути воплощения в жизнь этой заманчивой идеи.
Проблема 1
Дыхание – предельно комплексный процесс, включающий в себя сложные механизмы внешнего дыхания (как происходит вдох и как газ попадает в легкие) и внутреннего дыхания (транспорт газов, обмен газами между кровью и тканями и клеточное дыхание).
Дабы не утяжелять и без того громоздкий материал, некоторые вещи я упрощу в угоду экономии времени и простоте изложения, однако смысл останется неизменным.
В альвеолах легких происходит газообмен между альвеолярным воздухом и кровью. Транспортную функцию в крови выполняет гемоглобин, при этом он транспортирует газ в двух направлениях – отдает в легкие СО2, который забрал до этого из тканей организма, и берет кислород, который затем доставляет в ткани. В тканях процесс обратный – кислород отдается, а СО2 «захватывается» для транспортировки к легким.
Поскольку мы живем на поверхности, вся система газообмена сбалансирована с учетом нормального атмосферного давления. И на поверхности работает, что называется как швейцарские часы. Но часы начинают сбоить, когда равновесие нарушается. При повышении давления изменяется парциальное давление газов, которое зависит от двух величин – процента газа в смеси и, собственно, давления.
При определенном давлении сродство кислорода с гемоглобином увеличивается до такой степени, что последний теряет способность транспортировать СО2 из тканей. Что в итоге приводит к быстро развивающемуся тяжелому поражению ЦНС с последующими потерей сознания, конвульсиями и смертью.
Данный сценарий – лишь один из многих.
Каждый газ в смеси должен быть уравновешен. Данный факт обуславливает использование в техническом дайвинге разных газовых смесей для разных глубин. Дайвер начинает погружение на одном газе, затем (при достижении заданной глубины) переходит на другой, и, добираясь до конечной точки погружения, переходит на так называемый «донный газ».
При подъеме газы меняются в обратном направлении.
Обычно комбинируется содержание кислорода, азота и гелия. Донный газ содержит максимальное количество гелия и минимальное кислорода.
А завершается погружение крайней декомпрессионной остановкой на 5–8 метрах на чистом кислороде.
Технические дайверы с баллонами, в которых находятся смеси для разных глубин.
Как это относится к эксперименту с жидкостным дыханием?
Пока опыты проводятся при постоянном давлении – проблем нет. Но в процессе спуска и подъема давление будет меняться. А это значит, что необходимо менять и содержание газа, растворенного в дыхательной жидкости. В лабораторных условиях жидкость, безусловно, можно подготовить заранее. Но как это сделать в условиях компактного дыхательного аппарата? Совершенно непонятно.
Проблема 2
Таксу не случайно помещали в раствор вертикально головой вниз.
Дело в том, что животное предварительно явно обкололи чем-то, что блокировало дыхательный центр, снижая возбудимость (о такой необходимости подавления рефлексов говорили и сами разработчики).
Расположение таксы вертикально вниз головой позволяет исключить полное заполнение легких жидкостью.
Почему это так важно?
Дело в том, что альвеолы изнутри покрыты тончайшим слоем легочного сурфактанта.
Далее позволю себе процитировать:
Сурфактант (от англ. surface active agent) – «поверхностно-активное вещество», смесь поверхностно-активных веществ, выстилающая лёгочные альвеолы изнутри (то есть находящаяся на границе воздух-жидкость). Препятствует спадению (слипанию) стенок альвеол при дыхании за счёт снижения поверхностного натяжения плёнки тканевой жидкости, покрывающей альвеолярный эпителий. Сурфактант секретируется специальной разновидностью альвеолоцитов II типа из компонентов плазмы крови.
Без него легкие попросту спадаются (как стенки мокрого целлофанового пакета).
То есть для возобновления дыхания после перехода с жидкости на воздух потребуется работа реанимационной бригады.
Утверждается, что современные жидкости лишены такого недостатка. В действительности это следует понимать так: они лучше по сравнению с первыми образцами.
Но они не делают обратный переход (с жидкости на газ) безопасным.
Проблема 3
Существует и еще одна весьма деликатная проблема.
Дело в том, что легкие не единственная воздушная полость.
Есть еще гайморовы пазухи и внутреннее ухо.
В идеале необходимо удалить оттуда воздух и также заполнить их жидкостью. В теории такое возможно. Схожие манипуляции проводятся в специализированных условиях подготовленным врачом. Но не на терпящей бедствие подводной лодке.
Если инженер посмотрит на схему внутреннего уха, то (с инженерной точки зрения) он не увидит серьезных проблем. Однако сложности в большей степени обусловлены медицинскими аспектами.
Дело в том, что все внутренние полости напичканы специфическими рецепторами, в том числе и крайне чувствительными.
Например, во внутреннем ухе находятся рецепторы вестибулярного аппарата.
Тем, кто нырял с аквалангом, может быть знакомо неприятное ощущение головокружения, возникающее при подъеме, которое возникает из-за того, что давление выравнивается недостаточно равномерно. Мозг получает разные сигналы из левого и правого уха. И не может сориентироваться в пространстве.
Само по себе внутреннее ухо отделено от глотки. Так же не случайно.
Вопрос влияния рефлексов и рецепторов в данном проекте практически не прорабатывается.
Это очень обширная тема. И разобрать ее всю в одной статье просто не удастся. Но в качестве примера можно продемонстрировать влияние рецепторов носогубного треугольника.
В процессе соревнований фридайверы иногда теряют сознание в воде.
Обычно механизм утопления таков: человек, попавший под воду, задерживает дыхание и активно борется за жизнь. Затем начинается заглатывание воды; считается, что это уменьшает желание сделать вдох. После происходит глубокий вдох, но в результате ларингоспазма вода не проникает в нижние дыхательные пути.
Рефлекторно возникший ларингоспазм препятствует попаданию воды в легкие, дыхание останавливается.
При этом, когда человека поднимают на поверхность, с него первым делом снимают маску и дуют на лицо. Рецепторы распознают действие воздуха. Мозг понимает, что среда безопасна для дыхания. И оно моментально возобновляется, без каких-либо дополнительных мероприятий.
Понимают ли эти проблемы сами разработчики?
Да понимают. Далее цитирую фрагмент интервью с Андреем Филиппенко, размещенного на портале tass.ru.
Включение в аппарат начинается с того, что нам нужно подавить кашель, – ингаляционным способом вводится специальное вещество в дозе, необходимой для конкретного человека. Это может быть внешний ингалятор или встроенный в аппарат. Человек всего лишь должен не кашлять, не должно быть смыкания голосовой щели (есть еще один, более сложный вариант – с постановкой ингаляционной трубки)
Проблема 4
Если не вдаваться в анатомические подробности относительно устройства плевры и легких – у нас очень маленькое усилие на вдох, по этой причине самостоятельно «дышать» плотной жидкостью человек не может.
Ситуация усугубляется еще и тем, что в реальном газообмене участвует не весь объем легких, а только альвеолярный объем. По этой причине для нас жизненно необходима постоянная циркуляция воздуха в легких, для того чтобы альвеолярный воздух постоянно менялся.
То есть, условно говоря, в легких человека должен быть установлен механизм, который будет постоянно «перемешивать» дыхательную жидкость, если мы хотим, чтобы использовался весь ее объем.
При этом выделяемый организмом СО2 должен как-то удаляться из дыхательной жидкости.
Проблема вентиляции напрямую связана с еще одной нерешенной проблемой – потерей тепла.
В норме на долю легких приходится только 15 % от общих теплопотерь. Но это при дыхании воздухом и в нормальном состоянии.
Важно учесть, что происходит, когда мы замерзаем, а легкие наполняются жидкостью.
Механизм борьбы с переохлаждением таков: периферические сосуды сужаются, и кровоток по конечностям уменьшается. Организм старается сохранить тепло внутри себя, увеличивая внутренний кровоток, обеспечив функционирование внутренних органов и мозга.
Площадь дыхательной поверхности легких при глубоком вдохе достигает 100 квадратных метров. Что в 30 раз больше площади кожного покрова.
По сути, это большой радиатор, в котором организм будет пытаться сохранить тепло, а аппарат жидкостного дыхания будет максимально эффективно забирать из этого резерва остатки тепла.
Перечень проблем не ограничивается четырьмя озвученными. Однако дальнейшее погружение в них в рамках одной статьи нецелесообразно (например, как планируется многократно продувать отсек, через который будут выходить подводники, как они будут освобождаться от жидкости в легких, ведь, как таксу, их никто на поверхности переворачивать не будет).
Как выглядят реальные российские проекты
Исторически одним из тех, кто стоял у истоков данной темы в СССР, является Андрей Филиппенко. Именно при его непосредственном участии в 1980-х годах ставились опыты на собаках.
На современном этапе к проекту присоединился (ФПИ) Фонд перспективных исследований.
Опыты, аналогичные тому, что были продемонстрированы президенту Сербии, отечественными учеными ставились еще 1980-х годах. И с тех пор в них мало что изменилось.
Видео из архива А. Филиппенко.
В комментариях к видео один из зрителей задал вполне логичный вопрос (внизу скриншота).
Однако и здесь необходимо сделать одну поправку. Он писал об отечественном опыте от 1988 года.
В то время, как в 1966 году (то есть на 22 года раньше) результаты своих работ в этом же направлении опубликовал американский ученый.
Скриншот с сайта научных публикаций jstore.
А до этого в 1962 году (за 26 лет до советских опытов) была опубликована другая статья на эту же тематику «Мыши как рыбы» («Of mice as fish»).
Другими словами, что же получается в сухом остатке?
Рогозин в 2017 году демонстрировал сербскому президенту (и всему миру) опыт образца 1962 года (55 лет разницы)?
В отношении которого в СМИ употреблялись эпитеты: «изобрели», «прорывной», «новаторский» и «не имеющий аналогов»?
Пример подачи опыта как «изобретения» с сайта habr.ru
Но, как говорилось в рекламе, и
«это еще не все»!
Комментируя данный вопрос, человек с аватаркой,
«очень похожей на Филиппенко»,
из-под аккаунта «Andrei Filippenko, PhD» написал следующее:
Поэтому, несмотря на всю критику ФПИ, я рад, что мне, в 2014 году удалось убедить их возобновить исследования по этой теме, обучить персонал фонда и профильных организаций и передать накопленные знания. Особенно горжусь тем, что удалось включить в эту работу Севастополь, город, с которым меня многое связывает.
Не берусь ничего утверждать, но ситуация в целом подозрительно смахивает на то, что под «возобновлением исследований» понимается повторение опытов 1960-х годов с минимальными косметическими изменениями.
Но ведь что-то же сделано?
Действительно, можно попытаться возразить, что некоторые подвижки в проекте были.
Например, замена изначально использовавшегося раствора на жидкость нового поколения – перфторан.
Однако он создавался совсем другими учеными для совершенно иных задач (замена донорской крови).
Перфторан был создан в 1984 году в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН под руководством проф. Ф.Ф. Белоярцева и Г.Р. Иваницкого. Создание негемоглобинового переносчика кислорода («искусственной крови») было отмечено Государственной премией Российской Федерации в области науки и техники (1998). Большой вклад в разработку клинических аспектов применения препарата внесли сотрудники кафедры анестезиологии и интенсивной терапии Днепропетровской государственной медицинской академии под руководством чл.-корр. НАН и АМН Украины, проф. Л.В. Усенко.
Таким образом, хронологически развитие проекта выглядит так:
1. Изучили опыт американцев 1960-х годов.
2. Повторили эти опыты в 1980-х годах с минимальными изменениями.
3. Проштудировали результаты исследований французов, связанные с нырянием на задержке дыхания.
4. Решили использовать в своем проекте созданный другими учеными перфторан.
Выводы пусть читатели делают сами.
Подключение молодых специалистов
Удачным дополнением фокуса с таксой служат и дизайн-проекты перспективной техники.
Андрей Филиппенко выступал в роли научного консультанта на дипломных проектах (по всей видимости) студентов Академии Штиглица.
Важно понимать, что это художественно-промышленная академия.
То есть проекты разрабатывались не инженерами, а дизайнерами. Однако картинки вполне могут использоваться в целях популяризации направления.
В качестве примера предлагаю рассмотреть один из таких проектов.
Предложение заключается в создании специального аппарата массой до 5 тонн, который вертолетом или другим авиационным транспортом доставляется к месту аварии в течение считанных часов. Экипаж состоит из трёх человек, при этом один находится в сфере, а двое других сидят в мокром отсеке в костюмах с жидкостным дыханием.
Поскольку моряки аварийной ПЛ находятся в неблагоприятных условиях, шансы на успешное спасение действительно со временем падают. В то же время существующие современные системы спасения с использованием судов обеспечения, естественно, имеют ограничение по скорости прибытия на место.
Разработанный концепт же делает ставку именно на скорость. При этом девушке задают вопрос – почему аппарат не оборудован никакими техническими средствами, вроде манипуляторов.
На что она отвечает, что манипуляторы много весят. И тогда не удастся транспортировать аппарат по воздуху.
При этом остается совершенно неясным – каким образом прибывшие два водолаза смогут помочь морякам внутри лодки? У них нет с собой ни еды, ни запасов воды, ни воздуха, ни средств спасения либо оказания помощи. У них нет вообще ничего.
Быстрое прибытие на место погружения в их суперкостюмах лишено какого-либо практического смысла.
Спекуляция на трагедии с Курском
После трагедии, произошедшей с Курском, адепты направления жидкостного дыхания начали ссылаться на эту трагедию, аргументируя необходимость в своем «прорывном проекте» (который прорывается уже 60 лет и вот-вот прорвётся).
При этом регулярно допускаются неточности.
Первая неточность – никто не умеет спасать.
В 1939 году американцы провели спасательную операцию с подводной лодки USS Squalus.
Спасение проходило по классическому сценарию – судно обеспечения и курсирующая между ним и аварийной лодкой капсула, которая за 5 «рейсов» подняла на поверхность всех, кто выжил, после самой аварии.
Схема, взятая с сайта , представлена ниже.
Лодка лежала на глубине 240 футов (70 метров).
И произошло это, вдумайтесь, в 1939 году.
Напомню, что Курск затонул на глубине 110 метров, но габариты лодки были несопоставимы с USS Squalus – длина 154 метра, ширина 18, высота до аварийного люка около 15 метров.
Спасательная капсула выглядела примерно так – не факт что один в один, но модель схожая.
Вторая неточность заключается в том, что нельзя было спасти «за часы».
Я напомню, что это не был боевой поход через Атлантический океан. Это были учения – спланированное мероприятие. А это значит, что ничто не мешало вывести в море спасательное судно (им тоже нужно тренироваться).
Да и в случае, если бы судно-спасатель не выводили заранее в море, а расстояние до Мурманска составляло всего 300 км, то оно могло бы прибыть на место уже в течение 12 часов.
Здесь необходимо внести ясность.
Да, спасать людей с 600 метров это непросто. Но опустить водолазный колокол на 100 метров – задача тривиальнейшая. И здесь не может быть никаких оправданий. Кроме констатации полной материально-технической неготовности к элементарным операциям.
Сегодня подобная операция штатно проводится на учениях (что радует).
Выводы
Потенциально тема жидкостного дыхания перспективна. Однако ее дальнейшее развитие напрямую зависит от решения целого спектра сложных задач, упомянутых в статье.
Эти задачи, в свою очередь, не решаются.
В том числе и по причине того, что нет понимания, как, вообще, можно подступиться к их решению (как вентилировать жидкость в легких, как снабжать человека пищей и едой, как решить вопрос терморегуляции и рефлексов).
Но парадокс в том, что без решения этих вопросов – развивать в проекте попросту нечего.
Так как все, что уже можно было сделать, сделано. И дальше – просто топтание на месте и демонстрация старых экспериментов.
Все серьезные ученые это прекрасно понимают. Поэтому и не видят смысла смешить весь мир, показывая старые опыты под видом прорывных исследований.
С другой точки зрения, подобное вполне можно показывать. Например, на днях открытых дверей или на специализированных мероприятиях для студентов младших курсов технических вузов с целью привлечения внимания к отрасли, а также для мотивации научного интереса у молодых специалистов.
- Алексанр Воронцов
- https://cenotexplore.com, https://www.jstor.org, https://habr.com
Информация