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).
Российский фонд перспективных исследований начал испытывать на собаках технологию жидкостного дыхания для подводников.
Об этом рассказал заместитель гендиректора Фонда Виталий Давыдов. По его словам, уже идут натурные испытания.
В одной из его лабораторий ведутся работы по жидкостному дыханию. Пока эксперименты проводят над собаками. При нас рыжую таксу погрузили в большую колбу с водой мордой вниз. Казалось бы, зачем над животным издеваться, сейчас захлебнется же. Ан нет. Она просидела под водой 15 минут. А рекорд - 30 минут. Невероятно. Оказывается, легкие собаки заполнились жидкостью, насыщенной кислородом, что дало ей возможность дышать под водой. Когда ее вытащили, она была немного вялая - говорят, из-за переохлаждения (а я думаю, кому понравится под водой в банке у всех на глазах торчать), но через несколько минут стала вполне себе. Скоро опыты будут проводить на людях, - рассказывает журналист "Российской газеты" Игорь Черняк, ставший очевидцем необычных испытаний.
Все это было похоже на фантастический сюжет знаменитого фильма "Бездна", где на огромную глубину человек мог спуститься в скафандре, шлем которого был заполнен жидкостью. Ею подводник и дышал. Теперь это уже не фантастика.
Технология жидкостного дыхания предполагает заполнение легких специальной жидкостью, насыщенной кислородом, который проникает в кровь. Фонд перспективных исследований одобрил реализацию уникального проекта, работы ведет НИИ медицины труда. Планируется создать специальный скафандр, который пригодится не только подводникам, но и летчикам, а также космонавтам.
Как рассказал корреспонденту ТАСС Виталий Давыдов, для собак создали специальную капсулу, которую погружали в гидрокамеру с повышенным давлением. На данный момент собаки могут без последствий для здоровья более получаса дышать на глубине до 500 метров. "Все собаки-испытатели выжили и чувствуют себя после длительного жидкостного дыхания хорошо", - заверил замглавы ФПИ.
Мало кто знает, что опыты по жидкостному дыханию на людях в нашей стране уже проводились. Дали потрясающие результаты. Акванавты дышали жидкостью на глубине в полкилометра и больше. Вот только народ о своих героях так и не узнал.
В 1980-х годах в СССР разработали и стали осуществлять серьезную программу по спасению людей на глубине.
Проектировались и даже вводились в строй специальные спасательные подводные лодки. Изучались возможности адаптации человека к глубинам в сотни метров. Причем находиться на такой глубине акванавт должен был не в тяжелом водолазном скафандре, а в легком утепленном гидрокостюме с аквалангами за спиной, движения его не были ничем стеснены.
Поскольку человеческий организм состоит почти целиком из воды, то ему не опасно страшное давление на глубине само по себе. Организм надо просто готовить к нему, повышая в барокамере давление до необходимого значения. Главная проблема в другом. Чем дышать при давлении в десятки атмосфер? Чистый воздух для организма становится ядом. Его необходимо разбавлять в специально подготовленных газовых смесях, как правило азотно-гелиево-кислородных.
Их рецептура - пропорции различных газов - самая большая тайна во всех странах, где идут аналогичные исследования. Но на очень большой глубине и гелиевые смеси не спасают. Легкие, чтобы их не разорвало, должны заполняться жидкостью. Что из себя представляет жидкость, которая, попав в легкие, не приводит к удушью, а передает через альвеолы кислород в организм - тайна из тайн.
Поэтому-то все работы с акванавтами в СССР, а затем и в России велись под грифом "совершенно секретно".
Тем не менее есть вполне достоверная информация о том, в конце 1980-х на Черном море существовала глубоководная аквастанция, в которой жили и работали подводники-испытатели. Они выходили в море, облаченные лишь в гидрокостюмы, с аквалангами за спиной, и работали на глубинах от 300 до 500 метров. В их легкие под давлением подавалась специальная газовая смесь.
Предполагалось, что если подлодка терпит бедствие и легла на дно, то к ней направят субмарину-спасатель. Акванавтов заранее подготовят к работам на соответствующей глубине.
Самое тяжелое - суметь выдержать наполнение легких жидкостью и просто не умереть со страха
И когда спасательная субмарина подойдет к месту бедствия, водолазы в легком снаряжении выйдут в океан, обследуют аварийную лодку и помогут эвакуировать экипаж с помощью специальных глубоководных аппаратов.
До конца те работы довести не удалось из-за распада СССР. Впрочем, тех, кто работал на глубине, все-таки успели наградить звездами Героев Советского Союза.
Наверное, даже более интересные исследования были продолжены уже в наше время под Санкт-Петербургом на базе одного из НИИ ВМФ.
Там тоже велись опыты по газовым смесям для глубоководных исследований. Но, самое главное, может быть, впервые в мире люди там научились дышать жидкостью.
По своей уникальности те работы были гораздо более сложными, чем, предположим, подготовка астронавтов к полетам на Луну. Испытатели подвергались огромным физическим и психологическим нагрузкам.
Сначала организм акванавтов в воздушной барокамере адаптировали к глубине в несколько сот метров. Затем они перемещались в камеру, заполненную жидкостью, где погружение продолжалось до глубин, говорят, почти в километр.
Самое тяжелое, как рассказывают те, кому все-таки довелось пообщаться с акванавтами, по их словам, было выдержать наполнение легких жидкостью и просто не умереть от страха. Это не говорит о трусости. Страх захлебнуться - естественная реакция организма. Могло случиться все. Спазм легких или сосудов головного мозга, даже инфаркт.
Когда же человек понимал, что жидкость в легких не несет смерть, а дарует жизнь на огромной глубине, возникали совершенно особые поистине фантастические ощущения. Но о них знают лишь те, кто такое погружение пережил.
Увы, потрясающие по своей значимости работы были прекращены по элементарной причине - из-за нехватки финансов. Героям-акванавтам дали звание Героев России и отправили на пенсию. Имена подводников засекречены по сей день.
Хотя чествовать их надо бы было как первых космонавтов, ведь они проложили путь в глубинный гидрокосмос Земли.
Сейчас эксперименты по жидкостному дыханию возобновили, проводят их на собаках, преимущественно таксах. Они тоже испытывают стресс.
Но исследователи их жалеют. Как правило, после подводных экспериментов забирают жить к себе домой, где кормят вкуснятиной, окружают лаской и заботой.
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.
«Далеко не все так просто, как было представлено сегодня. Бедная собачка». Такими словами специалисты комментируют эксперимент, продемонстрированный Дмитрием Рогозиным президенту Сербии как пример новейших научных разработок России: собака смогла дышать не воздухом, а жидкостью. Что представляет собой эта технология и может ли она помочь российским военным?
В ходе встречи в Москве с президентом Сербии Александром Вучичем вице-премьер Дмитрий Рогозин во вторник ряд новейших разработок российского Фонда перспективных исследований (ФПИ). Рогозин отметил, что сербского гостя могли бы свозить на какое-нибудь огромное промышленное предприятие, но куда интереснее «показать тот самый завтрашний день, куда мы стремимся». Таким «гвоздем программы» стал уникальный проект жидкостного дыхания, который был впервые продемонстрирован публично.
Как пояснил руководитель проекта военно-морской врач Федор Арсеньев, задача данного изобретения состоит в спасении экипажа гибнущей подводной лодки. Как известно, с глубины ниже 100 метров невозможно быстро подняться на поверхность из-за кессонной болезни. Чтобы избежать ее, на подлодке можно будет надеть аппарат с «не содержащей азота жидкостью», как передал ТАСС . Легкие человека при этом не будут сжиматься, что позволит быстро подняться на поверхность и спастись.
На глазах у сербского президента в особый резервуар с жидкостью была помещена собака – такса. За несколько минут она освоилась и начала самостоятельно «дышать» жидкостью. После сотрудники лаборатории вынули пса из резервуара, вытерли полотенцем, и президент Сербии смог лично убедиться, что собака в порядке. Вучич погладил пса и признался, что очень впечатлен.
Мечта про «человека-амфибию»
«Жидкостное дыхание как медицинская технология подразумевает вентиляцию легких не воздухом, а насыщенной кислородом жидкостью. В рамках проекта решается научная задача по изучению особенностей влияния различных переносящих кислород веществ на газообмен и другие функции клеток, тканей и органов млекопитающих», – рассказали газете ВЗГЛЯД в отделе по связям с общественностью Фонда перспективных исследований (ФПИ).
Одним из направлений является формирование медико-биологических основ технологии самостоятельной эвакуации подводников с больших глубин на поверхность, отметили в ФПИ, но технология способна вообще заметно продвинуть исследование человеком ранее не изученных морских и океанских глубин. Утверждается, что данная разработка понадобится и в медицине – например, поможет выходить недоношенных детей или людей, получивших ожоги дыхательных путей, найдет применение в лечении бронхообструктивных, инфекционных и других тяжелых заболеваний.
Нужно отметить, что жидкостное дыхание на первый взгляд кажется фантастическим вымыслом, но на самом деле имеет научную основу, и под эту идею подведена серьезная теоретическая база. Вместо кислорода ученые предлагают использовать особые химические соединения, которые способны хорошо растворять кислород и углекислый газ.
«Жидкостное дыхание» давно стало идеей фикс для ученых всего мира. Прибор «человека-амфибии» способен спасать аквалангистов и подводников, а в перспективе пригодится в длительных космических полетах. Разработки велись в 1970–1980-е годы в СССР и США, эксперименты проводились на животных, но больших успехов добиться не удалось.
Член-корреспондент РАЕН, кандидат медицинских наук Андрей Филиппенко, который продолжительное время работает над проектом жидкостного дыхания, признавался ранее газете «Совершенно секретно» , что о разработках практически ничего нельзя говорить из-за их закрытости. Но то, что средства аварийного спасения экипажей безнадежно устарели и нуждаются в скорейшей модернизации, показала трагедия подлодки «Курск».
Напомним, ранее сообщалось о других смелых проектах ФПИ, в частности это «конструктор» для создания и самолета будущего.
Наверху должна ждать реанимация
«Технология не один десяток лет отрабатывалась, но для этого нужны очень хорошо подготовленные люди. Когда человеку вливают в легкие эту жидкость – будет автоматически срабатывать инстинкт самосохранения, спазмы перекрывают горло, организм сопротивляется изо всех сил. Обычно это делается под наблюдением врачей. На людях такие опыты проводились в единичных случаях, а в основном они отрабатывались на животных», – пояснил газете ВЗГЛЯД глава Комитета при правительстве РФ по проведению подводных работ особого назначения в 1992–1994 гг., доктор технических наук, профессор, вице-адмирал Тенгиз Борисов.
«Как правило, вставляется в гортань специальная трубка, с помощью которой легкие медленно заполняются этой жидкостью, – сказал Борисов, добавив:
– При этом организм всячески сопротивляется, нужны препараты, которые блокируют спазмы, нужны анестетики. Далеко не все так просто, как было представлено сегодня. Бедная собачка».
«Если человек всплывет из подводной лодки, то он действительно избежит кессонной болезни, но самостоятельно спасаться подводники в любом случае не смогут. Нужно: а) исключительно грамотные люди на подводной лодке, б) наверху должна ждать, грубо говоря, команда реанимации, которая будет выкачивать из человека эту жидкость и заставлять его дышать обычным способом», – добавил эксперт.
«Думаю, в медицине эту технологию куда легче внедрить и применять в условиях стационара, когда рядом есть специалисты и большое количество необходимой аппаратуры. А вот спасение экипажа затонувшей субмарины такими методами в обозримом будущем крайне маловероятно», – заключил Борисов.
December 28th, 2017
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.
Лично мне конечно непонятно, почему толпы жалеющих собаку в соцсетях не кидаются защищать например мышей и кроликов, которые вообще то гибнут пачками в институтах. А еще интересно, они считают например Королева тоже жестоким и бессердечным - он то не одну собаку подарил во благо человечества. А вот , а . Ну ладно, мы не об этом вообще то.
Что это была за жидкость? Можно ли дышать жидкостью? И как обстоят дела в этой сфере научных исследований?
Чтобы было понятно, почему открытие называют настоящим прорывом. Еще в конце 80-х годов жидкостное дыхание считалось научной фантастикой. Им пользовались герои фильма американского режиссера Джеймса Кэмерона "Бездна". И даже в картине оно называлось экспериментальной разработкой.
Научить человека и животных дышать жидкостью пытались давно. Первые опыты в 60-х были неудачными, подопытные мыши жили очень недолго. На людях технику жидкостной вентиляции легких проверяли один единственный раз в США, для спасения недоношенных детей. Однако ни одного из трех младенцев не удалось реанимировать.
Тогда для доставки кислорода в легкие использовали перфторан, его еще применяют в качестве кровезаменителей. Основной проблемой было то, что эту жидкость не удавалось достаточным образом очистить. В ней плохо растворялся углекислый газ, и для длительного дыхания нужна была принудительная вентиляция легких. В покое мужчина обычной комплекции среднего роста должен был пропускать через себя 5 литров жидкости в минуту, при нагрузках - 10 литров в минуту. Легкие для таких нагрузок не приспособлены. Нашим исследователям удалось эту проблему решить.
Жидкостное дыхание, жидкостная вентиляция лёгких — дыхание с помощью хорошо растворяющей кислород жидкости. На настоящий момент проводились лишь отдельные эксперименты подобных технологий.
Жидкостное дыхание предполагает заполнение лёгких жидкостью, насыщенной растворённым кислородом, который проникает в кровь. Наиболее подходящими веществами для этой цели рассматриваются перфторуглеродные соединения, хорошо растворяющие кислород и углекислый газ, имеющие низкое поверхностное натяжение, высокоинертные, и не метаболизирующиеся в организме.
Частичная жидкостная вентиляция лёгких в настоящее время находится в стадии клинических испытаний при различных нарушениях дыхания. Разработано несколько способов жидкостной вентиляции лёгких, в том числе вентиляции с помощью паров и аэрозолей перфторуглеродов.
Полная жидкостная вентиляция лёгких заключается в полном заполнении лёгких жидкостью. Эксперименты по полной жидкостной вентиляции лёгких проводились на животных в 1970 — 1980-е годы в СССР и США. Например, в 1975 г. в институте сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева профессор Ф. Ф. Белоярцев впервые в стране выполнил работы по длительной внелёгочной оксигенации с использованием фторуглеродных оксигенаторов и по замене газовой среды в лёгких на жидкий перфторуглерод. Однако, данные эксперименты до сих пор не вышли из этой стадии. Это связано с тем, что изученные соединения, пригодные для жидкостной вентиляции лёгких, обладают рядом недостатков, которые значительно ограничивают их применимость. В частности, не было найдено методов, которые могли бы применяться продолжительно.
Предполагается, что жидкостное дыхание может использоваться при глубоководных погружениях, космических полётах, в качестве одного из средств в комплексной терапии некоторых болезней.
В РФ экспериментами и разработками в области жидкостного дыхания занимается ученый, врач, разработчик технологии и изобретатель аппарата "Жидкостного дыхания" Андрей Викторович Филиппенко. Разработки ученого известны, как в России, так и за рубежом. Филиппенко - действующий кандидат медицинских наук, специалист по жидкостному дыханию, патофизиологии легких, восстановительной медицине, фармакологическим испытаниям и разработке медицинских приборов. Выпустил более 20 научно-технических отчетов и опубликовал около 30 научных статей в российской и зарубежной печати. Выступал на множестве конференций по теме жидкостного дыхания и спасения подводников, в том числе в России, Германии, Бельгии, Швеции, Великобритании и Испании. Имеет авторские свидетельства на метод ультразвуковой локации декомпрессионных газовых пузырьков и др. В 2014 году Андрей Викторович Филиппенко заключил договор с Фондом перспективных исследований, работа с которым продлилась вплоть до 2016 года.
"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 статья 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.
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.
Источники:
