Кислород из воды для дыхания

Зарождение жизни

Жизнь на нашей планете зародилась, по-видимому, в воде — в среде, где запасы кислорода весьма скудны. При атмосферном давлении содержание кислорода в воздухе на уровне моря составляет 200 миллилитров на литр, а в литре поверхностного слоя воды растворено меньше семи миллилитров кислорода.

Первые обитатели нашей планеты, приспособившись к водной среде, дышали жабрами, назначение которых — экстрагировать максимальное количество кислорода из воды.

В ходе эволюции животные освоили богатую кислородом атмосферу суши и начали дышать легкими. Функции дыхательных органов остались прежними.

Как в легких, так и в жабрах кислород через тонкие мембраны проникает из окружающей среды в кровеносные сосуды, а углекислый газ выбрасывается из крови в окружающую среду. Итак, и в жабрах и в легких протекают одни и те же процессы. Отсюда возникает вопрос: смогло бы животное с легкими дышать в водной среде, если бы в ней содержалось достаточное количество кислорода?

Ответ на этот вопрос заслуживает внимания по нескольким причинам. Во-первых, мы смогли бы узнать, почему дыхательные органы сухопутных животных так отличаются по строению от соответствующих органов водных животных.

Кроме того, ответ на этот вопрос имеет и чисто практический интерес. Если бы специально подготовленный человек смог дышать в водной среде, то это облегчило бы и освоение глубин океана и путешествия к далеким планетам. Все это и послужило основанием к постановке ряда экспериментов по изучению возможности дыхания сухопутных млекопитающих водой.

Давление среды как основной фактор выбора газа для водолазов

Как известно, основным газовым компонентом для жизнедеятельности человеческого организма является кислород, который содержится в атмосфере с 20-процентной концентрацией. При нормальном атмосферном давлении такое содержание О2 считается оптимальным. Однако, при значительном повышении давления подобная концентрация кислорода может привести к кислородному отравлению, оказывая токсическое воздействие на организм.

Чем выше процент О2 в дыхательной смеси и сильнее давление воды, тем меньше длительность безопасного погружения. Предельная концентрация кислорода в зависимости от глубины должна подбираться, исходя из следующих значений:

  • 100% — погружение до 4 м;
  • 32% — погружение до 32 м;
  • 21% — погружение до 57 м.

Одним из вариантов обеспечения дыхания при дайвинге является обедненный воздух, который не допускает кислородное отравление даже на большой глубине. Однако такая методика обладает побочным действием – снижается общая активность организма и увеличивается время всплытия. Поэтому сегодня дайверы практически не прибегают к подобному варианту.

Самая трудная проблема дыхания водой

Эксперименты проводились в лабораториях Нидерландов и США. Дыхание водой связано с двумя основными проблемами. Об одной уже говорилось: при обычном атмосферном давлении в воде растворено слишком мало кислорода.

Вторая проблема заключается в том, что вода и кровь — жидкости с очень различными физиологическими свойствами. При «вдохе» вода может повредить ткани легких и вызвать фатальные изменения объема и состава находящихся в организме жидкостей.

Предположим, мы приготовили специальный изотонический раствор, где состав солей такой же, как и в плазме крови. Под большим давлением раствор насыщают кислородом (его концентрация примерно такая же, как в воздухе). Сможет ли животное дышать таким раствором?

Первые подобные эксперименты были проведены в Лейденском университете. Через шлюз, подобный спасательному шлюпу подводной лодки, мышей вводили в камеру, заполненную специально подготовленным раствором, и который под давлением был введен кислород. Через прозрачные стенки камеры можно было наблюдать за поведением мышей.

В первые несколько мгновений животные пытались выбраться на поверхность, но им мешала проволочная сетка. После первых волнений мыши успокаивались и, казалось, не очень страдали в подобной ситуации. Они совершали медленные, ритмичные дыхательные движения, по-видимому, вдыхая и выдыхая жидкость. Некоторые из них прожили в таких условиях в течение многих часов.

Вероятно, самая трудная проблема, которую предстоит разрешить, связана с выделением из легких углекислого газа при дыхании водой. Как мы уже говорили, вязкость воды примерно в 36-40 раз больше вязкости воздуха. Это значит, что легкие будут прокачивать воду, по крайней мере, в сорок раз медленнее, чем воздух.

Другими словами, здоровый молодой водолаз, способный вдыхать 200 литров воздуха в минуту, сможет вдохнуть в минуту всего 5 литров воды. Вполне очевидно, что при таком дыхании углекислый газ не будет выделяться в достаточном количестве, даже если человек целиком погружен в воду.

Можно ли разрешить эту проблему использованием среды, в которой углекислый газ растворяется лучше, чем в воде? В некоторых сжиженных синтетических фтороуглеродах углекислого газа растворяется, например, в три раза больше, чем в воде, а кислорода — в тридцать раз. Леланд С. Кларк и Франк Голлан показали, что мышь может жить в содержащем кислород жидком фтористом углероде при атмосферном давлении.

Во фтористом углероде не только содержится больше кислорода, чем в воде, но в этой среде в четыре раза выше и скорость диффузии газа. Однако и здесь по-прежнему остается камнем преткновения малая пропускная способность жидкости через легкие: фтороуглероды обладают еще большей вязкостью, чем солевой раствор.

Перевод с английского Н. Познанской

Современные дыхательные смеси

При первых попытках исследовать водный мир использовался обычный воздух. Широко известна технология водолазного колокола, который позволял сохранить под водой воздушную прослойку, чтобы водолаз на протяжении какого-то периода мог дышать.

Сжатый воздух и сегодня активно используется в дайвинге. При этом, чтобы уменьшить влияние коррозии на баллон, перед наполнением газ освобождают от паров воды. Поэтому после длительного нахождения под водой человек часто испытывает сухость во рту и жажду. «Высушивание» хоть и позволяет продлить срок службы баллона, однако не делает его вечным.

баллоны со сжатым воздухом

Помимо сжатого воздуха, в дайвинге применяется специальный дыхательный газ – нитрокс (производное от нитроген (азот) и оксиген (кислород)). Процент содержания О2 в смеси подбирается в зависимости от максимальной глубины, на которую дайвер планирует погружаться. Это может быть 30, 40 и даже 60%. В свою очередь, азот не участвует в метаболизме, поэтому не имеет требований к нижней границе. Тем не менее, N2 обладает интересным побочным эффектом, в определенных ситуациях действуя на нервную систему человека.

Нитрокс

Хотя механизм воздействия азота на ЦНС не изучен на 100%, термин «азотный наркоз» известен каждому дайверу. При повышенном давлении газ способен вызывать легкое опьянение, усталость, иногда галлюцинации, свойственные наркотическому воздействию. Каких-то необратимых последствий на организм N2 не оказывает, но может привести к снижению самоконтроля и в какой-то степени затуманить разум, а это особенно опасно на больших глубинах.

В статье было предложено общее понимание того, чем дышат водолазы. Для практического применения необходимо получить более обширные знания об эксплуатации дыхательного газа в дайвинге. Вне зависимости от сферы использования газовой смеси, нужно хорошо ориентироваться в составе и физико-химических свойствах каждого компонента.

Главная трудность дыхания водой

После ряда опытов стало ясно, что решающим фактором, определяющим продолжительность жизни мышей, является не недостаток кислорода (который мог быть введен в раствор в любом нужном количестве простым повышением его парциального давления), а трудность выделения из организма углекислого газа в необходимой степени.

Мышь, прожившая самое длительное время — 18 часов,— находилась в растворе, в который было добавлено небольшое количество органического буфера, трис(оксиметил)аминометана. Последний сводит к минимуму неблагоприятный эффект накопления углекислого газа в организме животных. Снижение температуры раствора до 20 С (примерно половина нормальной температуры тела мыши) также способствовало продлению жизни.

В данном случае это обусловливалось общим замедлением процессов обмена веществ.

Обычно в литре выдыхаемого животным воздуха содержится 50 миллилитров углекислого газа. При прочих равных условиях (температура, парциальное давление углекислого газа) в одном литре солевого раствора, идентичного по своему солевому составу крови, растворяется только 30 миллилитров этого газа.

Значит, чтобы выделить необходимое количество углекислого газа, животное должно вдыхать воды вдвое больше, чем воздуха. (А ведь для прокачивания жидкости через бронхиальные сосуды требуется в 36 раз больше энергии, так как вязкость воды в 36 раз превышает вязкость воздуха.)

Отсюда очевидно, что даже при отсутствии турбулентного движения жидкости в легких для дыхания водой необходимо в 60 раз больше энергии, чем для дыхания воздухом.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что подопытные животные постепенно ослабевали, а потом — вследствие истощения и накопления в организме углекислого газа — дыхание прекращалось.

Результаты эксперимента

На основании проведенных опытов нельзя было судить о том, какое количество кислорода поступает в легкие, насколько насыщена им артериальная кровь и какова степень накопления в крови животных углекислого газа. Постепенно мы подошли к серии более совершенных экспериментов.

Они проводились на собаках в большой камере, снабженной дополнительным оборудованием. Камера наполнялась воздухом под давлением в 5 атмосфер. Здесь же находилась ванна с солевым раствором, насыщенным кислородом. В нее погружали подопытное животное. Перед экспериментом, чтобы снизить общую потребность организма в кислороде, собак анестезировали и охлаждали до 32°С.

Во время погружения собака совершала бурные дыхательные движения. Струйки воды, поднимающиеся с поверхности, ясно показывали, что она прокачивала раствор через легкие. По окончании эксперимента собаку вытаскивали из ванны, удаляли из легких воду и вновь наполняли их воздухом. Из шести животных, подвергшихся испытанию, одно выжило. Собака дышала в воде 24 минуты.

Результаты эксперимента можно сформулировать следующим образом: в определенных условиях животные, которые дышат воздухом, в течение ограниченного промежутка времени могут дышать водой. Главный недостаток водного дыхания — накопление углекислого газа в организме.

Кислород из воды для дыхания

Во время опыта давление крови выжившей собаки было несколько меньше нормального, но оставалось постоянным; пульс и дыхание были медленными, но равномерными, артериальная кровь насыщена кислородом. Содержание углекислого газа в крови постепенно увеличивалось.

Это означало, что бурная дыхательная деятельность собаки была недостаточной для удаления необходимых количеств углекислого газа из организма.

Новая серия опытов дыхания водой

В Нью-Йоркском государственном университете я продолжил работу совместно с Германом Рааном, Эдвардом X. Ланфиром и Чарльзом В. Паганелли. В новой серии опытов были применены приборы, позволившие получить конкретные данные по газообмену, происходящему в легких собаки при дыхании жидкостью. Как и прежде, животные дышали солевым раствором, насыщенным кислородом под давлением в 5 атмосфер.

Газовый состав вдыхаемой и выдыхаемой жидкости определяли на входе и выходе раствора из легких собак. Насыщенная кислородом жидкость попадала в организм находящейся под наркозом собаки через резиновую трубку, вставленную в трахею. Поток регулировался клапанным насосом.

При каждом вдохе раствор под действием силы тяжести стекал в легкие, а при выдохе жидкость по такому же принципу поступала в специальный приемник. Количество кислорода, поглощенного в легких, и количество выделенного углекислого газа определяли как разность соответствующих величин в равных объемах вдыхаемой и выдыхаемой жидкости.

Животных не охлаждали. Оказалось, что в этих условиях собака экстрагирует примерно такое же количество кислорода из воды, как обычно из воздуха. Как и следовало ожидать, животные не выдыхали достаточного количества углекислого газа, поэтому содержание его в крови постепенно увеличивалось.

Кислород из воды для дыхания

По окончании эксперимента, продолжительность которого доходила до сорока пяти минут, воду из легких собаки удаляли через специальное отверстие в трахее. Легкие продували несколькими порциями воздуха. Дополнительных процедур по «оживлению» не проводили. Шесть из шестнадцати собак перенесли эксперимент без видимых последствий.

Взаимодействие трех элементов

1) потребности организма в газообмене,

2) физических свойств окружающей среды и

3) строения органов дыхания.

Чтобы подняться выше чисто интуитивной оценки значения строения органов в процессе приспособления, необходимо точно понимать все эти взаимодействия. Следует, очевидно, поставить такие вопросы. Как молекула кислорода попадает из окружающей среды в кровь? Каков ее точный путь? Ответить на эти вопросы куда более сложно, чем можно предположить.

При расширении грудной клетки в легкие животного попадает воздух (или вода). Что же происходит с жидкостью, попавшей в пограничные воздушные мешочки легких? Рассмотрим это явление на простом примере.

Если в частично заполненный водой шприц медленно вводить через иглу небольшое количество чернил, то они сначала образуют тоненькую струйку в центре сосуда. После прекращения «вдоха» чернила постепенно распространяются по всему объему воды.

Если же чернила вводить быстро, так, чтобы поток был турбулентным, смешивание произойдет, конечно, гораздо быстрее. На основании полученных данных, а также учитывая размер бронхиальных трубок, можно заключить, что вдыхаемый поток воздуха или воды входит в воздушные мешочки медленно, без турбулентности.

Следовательно, можно предположить, что при вдохе свежего воздуха (или воды) молекулы кислорода сначала сосредоточатся в центре воздушных мешочков (альвеол). Теперь им предстоит преодолеть посредством диффузии значительные расстояния, прежде чем они достигнут стенок, через которые попадут в кровь.

Эти расстояния во много раз больше толщины мембран, отделяющих в легких воздух от крови. Если вдыхаемой средой является воздух, это не имеет большого значения: кислород распределяется равномерно по всей альвеоле за миллионные доли секунды.

Скорость распространения газов в воде в 6 тысяч раз меньше, чем в воздухе. Поэтому при дыхании водой возникает разность парциальных давлений кислорода в центральной и периферийной областях. Вследствие малой скорости диффузии газов давление кислорода в центре альвеолы с каждым циклом дыхания становится выше,чем у стенок. Концентрация же углекислого газа, уходящего из крови, больше у стенок альвеолы, чем в центре.

Газообмен в легких

Такие теоретические предпосылки возникли на основании изучения газового состава выдыхаемой жидкости во время экспериментов на собаках. Воду, вытекающую из легких собаки, собирали в длинную трубку.

При этом оказалось, что в первой порции воды, поступившей, по-видимому, из центральной части альвеол, кислорода больше, чем в последней, поступившей от стенок. При дыхании собак в воздушной среде ощутимой разницы в составах первой и последней порций выдыхаемого воздуха не наблюдалось.

Интересно отметить, что газообмен, происходящий в легких собаки при дыхании водой, очень напоминает процесс, протекающий в простой капле воды, когда на ее поверхности осуществляется обмен: кислород — углекислый газ. На основании такой аналогии была построена математическая модель легких, а в качестве функциональной единицы выбрана сфера с диаметром примерно в один миллиметр.

Расчет показал, что легкие составляют около полумиллиона таких сферических газообменных ячеек, передача газа в которых осуществляется только при помощи диффузии. Вычисленное количество и размер этих ячеек близко совпадают с количеством и размером определенных структур легких, называемых «первичными дольками» (лобулями).

По-видимому, эти дольки и являются главными функциональными единицами легких. Аналогично — с привлечением анатомических данных — можно построить математическую модель жабр рыб, первичные газообменные единицы которых будут иметь соответственно другую форму.

Построение математических моделей позволило провести четкую грань между органами дыхания млекопитающих и рыб. Оказывается, главное заключается в геометрической структуре дыхательных ячеек. Это становится особенно очевидным при исследовании зависимости, связывающей потребность рыбы в газообмене, а свойства окружающей среды с формой органов дыхания рыб.

В уравнение, выражающее данную зависимость, входят такие величины, как доступность кислорода, то есть его концентрация, скорость диффузии и растворимость в окружающей животное среде.

Объем вдыхаемого воздуха или воды, число и размер газообменных ячеек, количество кислорода, поглощаемого ими, и, наконец, давление кислорода в артериальной крови. Предположим, что рыбы имеют в качестве органов дыхания не жабры, а легкие.

Подставив в уравнение реальные данные газообмена, протекающего при дыхании рыбы, мы обнаружим, что рыба с легкими не сможет жить в воде, так как расчет показывает полное отсутствие кислорода в артериальной крови вашей модели рыбы.

Значит, в предположении была ошибка, а именно: выбранная форма газообменной ячейки оказалась неверной. Рыбы живут в воде благодаря жабрам, состоящим из плоских, тонких, плотно упакованных пластинок. В такой структуре — в отличие от сферических ячеек легких — не возникает проблемы диффузии газов.

Животное с органами дыхания, подобными легким, может выжить в воде только в том случае, если потребность его организма в кислороде крайне мала. В качестве примера назовем голотурию (морской огурец).

Жабры дают рыбам возможность жить в воде, и эти же жабры не позволяют им существовать вне воды. На воздухе они разрушаются под действием силы тяжести. Поверхностное натяжение на границе воздух — вода вызывает слипание плотно упакованных жаберных пластинок.

Кислород из воды для дыхания

Общая площадь жабр, доступная для газообмена, уменьшается настолько, что рыба не может дышать, несмотря на обилие кислорода в воздухе. Альвеолы легких предохраняются от разрушения, во-первых, грудной клеткой, во-вторых, выделяющимся в легких смачивающим агентом, который значительно уменьшает поверхностное натяжение.

Дыхание млекопитающих в воде

Изучение процессов дыхания млекопитающих в воде дало, таким образом, новые сведения об основных принципах дыхания вообще. С другой стороны, возникло реальное предположение, что человек сможет без вредных последствий ограниченное время дышать жидкостью. Это позволит водолазам спускаться на значительно большие глубины океана, чем сейчас.

Главная опасность глубоководного погружения связана с давлением воды на грудную клетку и легкие. В результате в легких повышается давление газов, и часть газов попадает в кровь, что приводит к серьезным последствиям. При высоких давлениях большинство газов токсично для организма.

Так, азот, попадающий в кровь водолаза, вызывает интоксикацию уже на глубине 30 метров и практически выводит его из строя на глубине 90 метров благодаря возникающему азотному наркозу. (Эта проблема может быть решена использованием редких газов, таких, как гелий, которые не токсичны даже при очень высоких концентрациях.)

Кроме того, если водолаз возвращается слишком быстро с глубины на поверхность, газы, растворенные в крови и тканях, выделяются в виде пузырьков, вызывая кессонную болезнь.

Этой опасности можно избежать, если водолаз будет дышать не воздухом, а жидкостью, обогащенной кислородом. Жидкость в легких выдержит значительные внешние давления, а объем ее при этом практически не изменится. В таких условиях водолаз, опускаясь на глубину в несколько сот метров, сможет быстро, без всяких последствий вернуться на поверхность.

В доказательство того, что кессонная болезнь не возникает при дыхании водой, в моей лаборатории были проведены следующие опыты. В экспериментах с мышью, которая дышала жидкостью, давление в 30 атмосфер в течение трех секунд доводили до одной атмосферы. Признаков заболевания не наблюдалось. Такая степень изменения давления эквивалентна эффекту подъема с глубины 910 метров со скоростью 1 100 километров в час.

Человек может дышать водой

Дыхание жидкостью может пригодиться человеку во время будущих путешествий в космос. При возвращении с далеких планет, например, с Юпитера, возникнет потребность в огромных ускорениях, позволяющих выйти из зоны притяжения планеты. Эти ускорения значительно больше того, что может вынести организм человека, особенно легко уязвимые легкие.

Но те же нагрузки станут вполне допустимыми, если легкие будут заполнены жидкостью, а тело космонавта погружено в жидкость с плотностью, равной плотности крови, подобно тому, как плод погружен в амниотическую жидкость материнской утробы.

Кислородный концентратор выделяет кислород

Итальянские физиологи Рудольф Маргариа, Т. Гволтеротти и Д. Спинелли в 1958 году ставили такой опыт. Стальной цилиндр, в котором находились беременные крысы, бросали с разных высот на свинцовую опору. Целью эксперимента было проверить, выживет ли плод в условиях резкого торможения и толчка при приземлении. Скорость торможения вычисляли по глубине вдавливания цилиндра в свинцовую основу.

Сами животные в ходе опыта немедленно погибали. Вскрытия показывали значительное повреждение легких. Однако освобожденные хирургическим путем эмбрионы были живыми и развивались нормально. Плод, защищенный утробной жидкостью, способен перенести отрицательные ускорения до 10 тысяч g.

После экспериментов, показавших, что сухопутные животные могут дышать жидкостью, резонно предположить такую возможность и для человека. В настоящее время мы располагаем некоторыми прямыми доказательствами в пользу этого предположения. Так, например, нами используется сейчас новый метод лечения некоторых заболеваний легких.

Метод состоит в промывании одного легкого солевым раствором, удаляющим патологические выделения из альвеол и бронхов. Второе легкое дышит при этом газообразным кислородом.

Успешное осуществление этой операции вдохновило нас поставить эксперимент, на который добровольно вызвался мужественный водолаз — глубинник Фрэнсис Д. Фалейчик.

Под наркозом в его трахею был введен двойной катетер, каждая трубка которого доходила до легких. При нормальной температуре тела воздух в одном легком заменили 0,9-процентным раствором поваренной соли. «Дыхательный цикл» заключался в ведении солевого раствора в легкое и последующем удалении его.

Цикл был повторен семь раз, причем для каждого «вдоха» брали 500 миллилитров раствора. Фалейчик, находившийся в течение всей процедуры в полном сознании, рассказал, что он не заметил значительной разницы между легким, дышащим воздухом, и легким, дышащим водой. Он не испытывал также неприятных ощущений при входе и выходе потока жидкости из легкого.

Конечно, этот опыт еще очень далек от попытки осуществить процесс дыхания обоими легкими в воде, но он показал, что заполнение легких человека солевым раствором, если процедура выполнена правильно, не вызывает серьезных разрушений тканей и не производит неприятных ощущений.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
MinProduct.ru