Жидкостное дыхание



    Это уже, наверное, клише в научной фантастике: в костюм или капсулу очень быстро поступает некое вязкое вещество, и главный герой внезапно для себя обнаруживает, как быстро он теряет остатки воздуха из собственных лёгких, а его внутренности заполняются необычной жидкостью оттенка от лимфы до крови. В конце концов он даже паникует, но делает несколько инстинктивных глотков или, скорее, вздохов и с удивлением обнаруживает — он может дышать этой экзотической смесью так, словно он дышит обычным воздухом.

    Так ли мы далеки от реализации идеи жидкостного дыхания? Возможно ли дышать жидкой смесью, и есть ли в этом реальная необходимость?
    Существует три перспективных пути использования этой технологии: это медицина, ныряние на большие глубины и космонавтика.

    Давление на тело ныряльщика растёт с каждыми десятью метрами на одну атмосферу. Из-за резкого понижения давления может начаться кессонная болезнь, при проявлениях которой растворённые в крови газы начинают закипать пузырьками. Также при высоком давлении возможны кислородное и наркотическое азотное отравление. Со всем этим борются применением специальных дыхательных смесей, но и они не дают никаких гарантий, а лишь снижают вероятность неприятных последствий. Конечно, можно использовать водолазные скафандры, которые поддерживают давление на тело ныряльщика и его дыхательной смеси ровно в одну атмосферу, но они в свою очередь крупногабаритны, громоздки, затрудняют движение, а также очень дороги.

    Жидкостное дыхание могло бы предоставить третье решение этой проблемы с сохранением мобильности эластичных гидрокомбинезонов и низких рисков жёстких скафандров. Дыхательная жидкость в отличие от дорогих дыхательных смесей не насыщает тело гелием или азотом, поэтому также отпадает необходимость в медленной декомпрессии для избежания кессонной болезни.

    В медицине жидкостное дыхание можно использовать при лечении недоношенных детей, чтобы избежать повреждения недоразвитых бронхов лёгких давлением, объёмом и концентрацией кислорода воздуха аппаратов искусственной вентиляции лёгких. Подбирать и пробовать различные смеси для обеспечения выживания недоношенного плода начали уже в 90-х. Возможно использование жидкой смеси при полных остановках или частичных недостаточностях дыхания.

    Космический полёт сопряжён с большими перегрузками, а жидкости распространяют давление равномерно. Если человека погрузить в жидкость, то при перегрузках давление будет идти на всё его тело, а не конкретные опоры (спинки кресла, ремни безопасности). Такой принцип использовался при создании костюма для перегрузок Libelle, который представляет из себя жёсткий скафандр, наполненный водой, что позволяет пилоту сохранять сознание и работоспособность даже при перегрузках выше 10 g.

    Этот метод ограничен разницей плотностей тканей тела человека и используемой жидкостью для погружения, поэтому предел составляет 15—20 g. Но можно пойти дальше и заполнить лёгкие жидкостью, близкой по плотности к воде. Полностью погруженный в жидкость и дышащий жидкостью космонавт будет относительно слабо ощущать эффект экстремально высоких перегрузок, поскольку силы в жидкости распределяются равномерно во всех направлениях, но эффект всё равно будет из-за различной плотности тканей его тела. Предел всё равно останется, но он будет высок.

    Первые эксперименты по жидкостному дыханию проводились в 60-х годах прошлого века на лабораторных мышах и крысах, которых заставили вдыхать солевой раствор с высоким содержанием растворённого кислорода. Эта примитивная смесь давала животным возможность выжить некоторое количество времени, но она не могла удалять углекислый газ, поэтому лёгким животных наносился непоправимый вред.

    Позже начались работы с перфторуглеродами, и их первые результаты были куда лучше результатов экспериментов с соляным раствором. Перфторуглероды — это органические вещества, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. Перфторуглеродные соединения обладают способностью растворять как кислород, так и углекислый газ, они очень инертны, бесцветны, прозрачны, не могут нанести повреждения ткани лёгких и не усваиваются организмом.

    С того момента жидкости для дыхания были улучшены, самое совершенное на данный момент решение называется перфлуброн или «Ликвивент» (коммерческое название). Эта маслоподобная прозрачная жидкость с плотностью в два раза выше плотности воды обладает множеством полезных качеств: она может нести в два раза больше кислорода, чем обычный воздух, имеет низкую температуру кипения, поэтому после использования окончательное её удаление из лёгких производится испарением. Альвеолы под воздействием этой жидкости лучше открываются, и вещество получает доступ к их содержимому, это улучшает обмен газами.

    Лёгкие могут заполняться жидкостью полностью, это потребует мембранного оксигенатора, нагревающего элемента и принудительной вентиляции. Но в клинической практике чаще всего так не делают, а используют жидкостное дыхание в комбинации с обычной газовой вентиляцией, заполняя лёгкие перфлуброном лишь частично, примерно на 40% от всего объёма.


    Кадр из фильма Бездна (The Abyss), 1989 год

    Что же мешает нам использовать жидкостное дыхание? Жидкость для дыхания вязка и плохо выводит углекислый газ, поэтому понадобится принудительная вентиляция лёгких. Для удаления углекислого газа от обычного человека массой 70 килограммов потребуется поток 5 литров в минуту и выше, и это очень много с учётом высокой вязкости жидкостей. При физических нагрузках величина необходимого потока будет только расти, и вряд ли человек сможет двигать 10 литров жидкости в минуту. Наши лёгкие просто не созданы для дыхания жидкостью и сами прокачивать такие объёмы не в состоянии.

    Использование положительных черт жидкости для дыхания в авиации и космонавтике тоже может навсегда остаться мечтой — жидкость в лёгких для костюма защиты от перегрузок должна обладать плотностью воды, а перфлуброн в два раза её тяжелей.

    Да, наши лёгкие технически способны «дышать» определённой богатой кислородом смесью, но, к сожалению, пока мы можем это делать только на протяжении нескольких минут, поскольку наши лёгкие не настолько сильны, чтобы обеспечивать циркуляцию дыхательной смеси продолжительные периоды времени. Ситуация может измениться в будущем, остаётся лишь обратить наши надежды на исследователей в этой области.

    По материалам zidbits.com и en.wikipedia.org.
    Поделиться публикацией
    Комментарии 63
      +1
      Если предварительно ввести субъект в состояние сна и замедлить его метаболизм, то потребление кислорода и, соответственно, выделение углекислого газа снизится. Это к вопросу о космосе и длительных перелетах. Но, есть подозрение, что даже в таком случае продолжительная принудительная «прокачка» легких может оказаться деструктивной. Стоит ли оно того?
        +6
        Не лёгкие не тянут, а диафрагма и межреберные мышцы. Плюс, в норме выдох полностью пассивен, а тут придётся форсированно работать в обе стороны.
          +5
          Реально ли натренировать эти мышцы до нужного уровня силы и выносливости?
            +2
            Теоретически. На практике растянете ткани лёгких, они нежные. Будут как тряпка. Повреждения в длительном варианте неизбежны (много часов)
              +1
              Кроме того, альвеолы покрыты изнутри рыхлым веществом которое будет смыто жидкостью. Выкачиваем жидкость и умираем от воспаления легких
                +1
                Так вот прям сразу и умираем? :) На стенках альвеол, емнип, нет никакого вещества или слизи.
                UPD: вру, пишут такое:

                Большие альвеоциты (гранулярные, кубовидные, секреторные клетки), как и дыхательные альвеоциты, расположены на базальной мембране; эти клетки вырабатывают сурфактант — поверхностно-активное вещество, выстилающее изнутри альвеолы и препятствующее их спадению.
                  +1
                  Да, собрался было писать разгромный ответ, но к счастью не пришлось :) спасибо :)
            +1
            Можно вскрыть грудную клетку, аккуратно достать легкие, расправить их и промывать обогащенной кислородом жидкостью. Правда, не думаю, что это пригодится кому-то кроме запаянных в капсулы пилотов космических кораблей.
              +6
              Проще тогда уж прямо кровь кислородом обогащать, думаю. В обход лёгких.
                +1
                Вы только что изобрели экстракорпоральную оксигенации) буквально недавно видел учебный вариант на обезьяне.
                  +2
                  Я ещё пилюли-«дышарики» из «Сирен Титана» Воннегута вспомню. Ректальное дыхание, то бишь.
                    +1
                    А через поверхность кожи реально газообмен производить? Как у лягушек.
                      +1
                      Площадь лёгких в тысячи раз больше. Лягушки во-первых раз в 10 тоньше человека (в ~10 раз больше площадь на единицу объёма тела), во-вторых, холоднокровные, из-за чего им надо в разы меньше кислорода.

                      Насекомые вон не имеют лёгких — весь газообмен через разветвлённые трахеи, но могут позволить себе это исключительно из-за мелких размеров.
                        +1
                        Да, верно. Вспомнился факт о гигантских стрекозах во времена когда кислорода было в атмосфере больше.
                    +1
                    Легкие — уже имеющийся у человека прибор для обогащения крови кислородом, ЭКМО используют только в случае их отказа. Хотя, да, мне кажется, от вскрытия грудной клетки и вываливания легких в жидкость будет не меньше проблем, чем от применения ЭКМО…
                    +1
                    Зачем вываливать, достаточно сделать дырки в груди и завальцовать аккуратно подсоединив фиттинги и компрессор
                      +1
                      Как при пневмотораксе.
                    0
                    А как насчет принудительного стимулирования сокращения?
                      +2
                      А если лошадь заставить тянуть 15 тонн и бить электрошокером, чтобы быстрее тащила?
                        0
                        Насколько ваше сравнение соотносится с действительностью моего комментария?
                          +1
                          в указанных условиях износ лошади и лёгких будет приблизительно одинаковым (до потери работоспособности).
                            +2
                            Смысл в том, что если вы выходите далеко за пределы рабочих параметров, то любой механизм будет поврежден. Жидкость и газ — принципиально разные среды.
                              +1
                              А Ихтиандров делать жабры имплантировать ещё никто не пытался? Я имею в виду реальные опыты/разработки.
                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                        +2
                        А люди ставили над собой такие эксперименты или пока это слишком опасно?
                          –6
                          Ну как бэ в том же упомянутом фильме Бездна актер спокойно дышал так, правда первый раз рефлекторно дико сопротивлялся этой «экзекуции».
                            +9
                            Реально дышал? Если это не «спецэфффект», то дайте ссылку с какими-то подтверждающими материалами пожалуйста
                              +4
                              Хм, точно помню, что читал где-то аля факты про создание фильма.
                              Сейчас нарыл только опровержение snob.ru/profile/8757/blog/34398
                                +1
                                Ну наверное это было бы ожидаемо. Кино это сплошные спецэффекты с самого его рождения. Хотя у меня после просмотра этого фильма еще тогда возникло ощущение что жидкостное дыхание уже вот, почти рядом… Жаль что это не так.
                              +4
                              А в фильме разве реальные жидкости использовали, а не спецэффект.
                                +1
                                В фильме была реальная жидкость, но скафандр был приоткрыт и рядом плавал загубник акваланга. Так что все сцены с этим скафандром снимали кусочками по 30-40 секунд, пока актер задерживал дыхание.
                              +1
                              Первые опыты на людях начались в 1989 году в Пенсильвании, штат Филадельфия. Это были младенцы при смерти с серьёзными нарушениями дыхания. Их физиологические показатели улучшились и даже оставались такими после прекращения жидкостной вентиляции, но позже они все погибли. Также в 1996 году проводились эксперименты с недоношенными младенцами 24—34 (в среднем 28) недель беременности весом в среднем по килограмму (от 640 до 2000 грамм).
                              +10
                              . Из-за глубины может начаться кессонная болезнь, при проявлениях которой растворённые в крови газы начинают закипать пузырьками.
                              Кессонная болезнь начинается не из-за глубины, а из-за резкого всплытия.
                                +3
                                Из-за резкого снижения давления.
                                И еще уточнение, не газов а в первую очередь азота.
                                  +1
                                  Ну да, в контексте погружений резкое всплытие — это и есть снижение давления. Кстати, если такая неприятность произошла, можно попытаться решить проблему помещением пострадавшего в камеру с высоким давлением, и постепенно снижать давление. Первые признаки выделяющегося азота — боль в суставах, если мне не изменяет память.
                                    +1
                                    Ещё опьянение и спутанность сознания.
                                  +2
                                  Есть ещё гадкая вещь. Если вы без баллона нырнули, то кесонная болезнь не грозит. Однако, на глубине давление кислорода в крови повышается. Вы на глубине чувствуете, что кислород заканчивается. Всплываете и давление с 10% резерва падает внезапно, скажем, до 1%. И потеря сознания по дороге.
                                    +1
                                    Тем не менее фридайверы существуют, и текущий рекорд уже превышает 200 метров.
                                      +2
                                      Существуют, кто же спорит. Рекордсмены обычно на тросе спускаются, чтобы их обратно буйком выдернули.
                                        +1
                                        Да, и так тоже, там разные дисциплины есть.
                                          +1
                                          Если за 200 метров — то да, верно :)
                                          А вообще дисциплины разные есть, рекорд за 200 был поставлен без ограничений — т.е. с использованием баллона.
                                          Спускаться они могут с грузом — чтобы быстрее и меньше сил тратить, а поднимаются сами.
                                          Вот описание дисциплин, из которых я почерпнул информацию по теме:
                                          exler.livejournal.com/3159813.html
                                          +1
                                          Но и гибнут регулярно при этом.
                                            +1
                                            Что, чаще дайверов? Есть статистика?
                                      +3
                                      Необходимость дышать больше обусловлена накоплением двуокиси углерода, чем потребностью в кислороде. Если бы существовал другой способ выводить углекислый газ из крови, мы могли бы дышать примерно раз в минуту.
                                        +1
                                        А что если принудительно «прокачивать» жидкость через лёгкие насосом каким. Подошло бы для пилотов и космонавтов. Всего-то 2 дырки по одной в каждом лёгком через рёрбра проделать надо :)
                                          +1
                                          Проще уж жабры сразу.
                                            +1
                                            Зачем же сразу дырки? Может катетер в трахею всё-таки лучше. Попеременно вгонять и выгонять жидкость. Можно даже каким-нибудь образом отслеживать дыхание, что бы помогать организму дышать жидкостью естественным образом. То есть, если человек пытается вдохнуть — подаём жидкость, если выдохнуть — откачиваем.
                                              +1
                                              Если не будет повышаться концентрация углекислоты выше определенного предела, не возникнет позыва на вдох, задерживать дыхание можно будет неограниченно долго без дискомфорта. Проблема может возникнуть на этапе восстановления, после удаления жидкости, когда нужно будет снова запустить рефлекторное дыхание.
                                              Помнится, какой-то исследовать ставил на себе эксперимент по полному переводу рефлекторного дыхания в осознанное. Получилось, но потом он не спал несколько дней, боясь задохнуться во сне, пока не вернулся обратно к рефлеткорному дыханию.
                                                +1
                                                Ссылочкой не поделитесь? Любопытно.
                                                  0
                                                  Видел в комментариях на Хабре некоторое время назад, сейчас, к сожалению, не получается найти.
                                                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                              +1
                                              А что если подключить к крупным магистральным сосудам «отвод» и пустить через искусственный аппарат, производящий газообмен? В дополнение к жидкостному дыханию. Трудно, но наверняка достижимо.
                                              +1
                                              Жидкость не сжимаема, а значит это проблема с транспортировкой. Газ же можно сжать.
                                                +1
                                                Жидкость можно дегазировать\газировать где-нибудь во внешнем блоке и использовать ту же самую. Вангую проблемы с микробами и слизью, но их можно отфильтровать при желании.
                                                  +1
                                                  А что мешает прямо дегазировать\газировать кровь?
                                                    +1
                                                    Это называется ЭКМО. Уже упоминали. Но это огромный аппарат и небезопасная манипуляция.
                                                      0
                                                      Например свертываемость.
                                                        +1
                                                        В принципе, в экстренных случаях можно заменять кровь (частично или полностью) перфторуглеродной эмульсией, на собаках проверяли. Побочный плюс — кислород доходит туда, куда его не доносят эритроциты из-за своего большого размера. Минус — проблемы с выведением и потенциальная канцерогенность.
                                                    +1
                                                    Слышал от участника подъема Курска байку, что будто там был человек, подготовленный к спуску на глубину с жидкостной вентиляцией легких. Под давлением в жидкости растворяется достаточно кислорода для нормального газообмена.
                                                    Спустился, выполнил задачу, поднялся, откачали в прямом и переносном смысле, получил инвалидность, и на пенсию.
                                                    И вот подготовленного товарища перспектива не устроила, он в последний момент устроил бунт, обложил всех матюгами, и отказался спускаться.
                                                      +2
                                                      Видимо придется использовать комбинацию методов, жидкость в легкие — для защиты от перегрузок и давления + подключение к системе кровообращения.
                                                      Появиться возможность стартовать на гораздо более высоких перегрузках, погружаться на большую глубину.

                                                      Возможно в требованиях к космонавтам и глубоководникам появится пункт «вживленный порт к кровеносной системе».
                                                        +1
                                                        Можно попробовать придумать жидкость с большой концентрацией кислорода и со способностью поглощать много углекислого газа. Чем больше эти параметры, тем меньше жидкости надо прокачивать. Может лёгкие и сами справятся в конце концов.

                                                        Ещё можно лёгким помочь — переворачивать тело головой вниз на выходе, ногами вниз на вдохе. Но это уже экстрим :)
                                                          +1
                                                          Там ещё простыть можно если температура дыхательной жидкости отличается на 5 градусов от температуры тела…

                                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                          Самое читаемое