Жидкость в которой можно дышать

Вице-премьеру Дмитрию Рогозину и его гостю, президенту Сербии Александру Вучичу, продемонстрировали в присутствии журналистов поражающий воображение эксперимент: в сосуде с жидкостью утопили собаку — черную таксу, которая провела там некоторое время, а потом была извлечена на поверхность и оказалась живой. В репортажах об этом событии говорили, что технология жидкостного дыхания поможет в будущем спасать моряков с подводных лодок и обеспечит водолазам возможность погружаться на недоступные глубины, а у защитников животных уже появились вопросы к организаторам. Редакция N + 1 решила вспомнить историю вопроса и попросила доктора медицинских наук Александра Суворова, заведующего отделом физиологии человека в экстремальных условиях и лаборатории кардиореспираторной системы и баромедицины Института медико-биологических проблем РАН, прокомментировать эту эффектную демонстрацию.

От мышей к собакам

Почти 60 лет назад, в 1962 году, Йоханнес Кильстра из университета Лейдена вместе с несколькими коллегами впервые провел серию экспериментов по жидкостному дыханию.

Водой, точнее растворенным в воде кислородом, можно дышать, как это делают рыбы. Но концентрации, которой достаточно рыбам, не хватает млекопитающим: для них доля кислорода должна быть не менее 10–15 процентов. В 1966 году Лиланд Кларк и Фрэнк Голлан в экспериментах на мышах и кошках добились того, что животные выживали в течение недель после того, как дышали во фторуглеродной жидкости, которая может удерживать значительно больше кислорода, чем вода. Все они получили повреждения легких, но авторы надеялись, что к моменту, когда придет время экспериментов на людях, будут найдены более щадящие способы перехода от жидкостного дыхания к обычному.

В 1977 году Кильстра, который к тому времени перебрался в Медицинский центр университета Дьюка, впервые провел эксперимент на человеке. 49-летнему Фрэнку Фалейчику (Frank Falejczyk) залили одно легкое раствором соли (другим он дышал воздухом) и проследили за тем, как это легкое реагирует на поток жидкости и как идет газообмен. Фалейчик благополучно перенес эксперимент, хотя впоследствии у него развилась пневмония.

В Советском Союзе похожие программы начали разрабатывать в конце 1960-х годов, когда начались эксперименты в лаборатории гидробионики в Киеве, а в 1980-х годах была запущена программа «Перфторуглероды в биологии и медицине», инициаторами которой стали Генрих Иваницкий, Феликс Белоярцев и Иван Кнунянц. Однако главной задачей программы было создание эффективных кровезаменителей. И они были созданы — искусственная кровь на базе перфторуглеродов даже применялась во время войны в Афганистане.

Применение технологий жидкостного дыхания обещает массу преимуществ: благодаря несжимаемости жидкости можно уравнивать давление между водолазом и водной средой, исключается угроза кессонной болезни, можно обеспечить спасение подводников и водолазов. Именно для этого Фонд перспективных исследований, российский аналог DARPA, в апреле 2016 года одобрил программу создания технологий жидкостного дыхания на базе НИИ медицины труда.

Почему же спустя полвека после первых экспериментов эта технология еще не внедрена в широкую практику?

Предельная глубина

«Теоретически эта идея выглядит очень заманчиво. Например, захочет человек понырять на сверхбольшие глубины. На суше ему заполняют легкие жидкостью, он ныряет, плавает на глубине — свободно, без декомпрессии, с аппаратом, который насыщает жидкость кислородом, — говорит Суворов. — Но сейчас уже достоверно установлено, что основным пределом, препятствующим погружению человека на сверхбольшие глубины, является не проблемы с газообменом, а влияние давления в чистом виде».

Начиная с глубины 300 метров, высокое давление начинает действовать непосредственно на нервную систему человека, развивается нервный синдром высокого давления (НСВД) — начинается дрожание рук, ухудшается координация движений, самоконтроль и внимание, появляется сонливость. Суворов и его коллеги имитировали в ИМБП возможное использование газовых смесей на глубинах до полутора километров и больше и установили, что человек по дыханию может идти на глубину полтора-два километра.

«Но против НСВД средств нет. Поэтому сейчас все эти погружения на сверхбольшие глубины остановились на глубине 700–800 метров, дальше человеческий организм нам погружаться не дает. Поэтому если подводная лодка окажется на глубине километр, человек оттуда всплыть не сможет. В реальности человек без жестких скафандров может переносить глубину до 500 метров», — поясняет Суворов.

Суперсложный аппарат

Вторая проблема с жидкостным дыханием — оно требует крайне сложного оборудования, которое будет на порядок сложнее и дороже традиционных водолазных устройств и аквалангов.

Во-первых, поясняет Суворов, необходимо постоянно насыщать дыхательную жидкость кислородом, то есть аппарат должен 5–6 раз в минуту закачивать и выкачивать ее в легкие и из легких, направляя ее в газообменник. Без такого насоса дыхание жидкостью невозможно. Если животные — собаки, кошки и крысы, — способны справиться с перекачкой жидкости в легкие и из легких с помощью своих межреберных мышц, то человеку это не под силу.

«Мы изучили на человеке 30-кратное увеличение плотности. Если взять нормальную плотность за единицу, то наши испытатели дышали неоново-кислородной смесью с содержанием кислорода на уровне 0,5 процента и плотностью 32 грамма на литр. Это при давлении 40 атмосфер (что эквивалентно глубине 400 метров). Но дыхательная жидкость плотнее не в 30, а в тысячу раз — человек не в состоянии самостоятельно справиться с этим», — говорит Суворов.

Еще одна проблема — выведение углекислого газа. Для этого во фторуглеродную жидкость необходимо добавлять дополнительные компоненты, которые будут поглощать углекислоту. Эти компоненты нужно тоже очищать и заменять. Кроме того, на глубине 100–200 метров температура воды фактически не превышает плюс 4 градуса Цельсия, а значит, надо подогревать эту смесь, чтобы поддерживать ее температуру на уровне около 20 градусов.

«Такой жидкостный акваланг — очень непростое устройство, и если вдруг случится какая-то заминка — электрическая, механическая, электронная, то аппарат останавливается, человек умирает. Я вижу здесь колоссальные проблемы, это очень рискованно даже в нормальных условиях — доверять жизнь человека такому аппарату, и сомневаюсь, что его можно с успехом использовать в экстремальной ситуации», — говорит ученый.

Подготовьте реаниматологов

Сам по себе переход на жидкостное дыхание и возвращение на воздух тоже создают угрозу для жизни. Для заполнения легких жидкостью требуется анестезия и подавление рвотного рефлекса, но в тот момент, когда человек возвращается к дыханию воздухом, желательно иметь под руками реанимационную бригаду.

После того как жидкость откачается, необходимо быстро расправить легкие, заполнить их сурфактантом. Легочные альвеолы покрыты изнутри поверхностно-активными веществами, сурфактантами, которые в нормальном состоянии не дают альвеолам спадаться. Любая жидкость, попадая в легкие, вымывает их, что может привести к спаданию альвеол и остановке дыхания.

«Нужно быстро залить альвеолы сурфактантами, такие вещества есть, их используют при бронхоскопии, но в этом случае обычно заливают физраствором только часть легкого. А ведь альвеолы — это примерно 80–100 квадратных метров, и надо быстро по всей этой стометровой поверхности сделать орошение. Здесь высок риск нарушения дыхания», — говорит Суворов.

Реанимация и искусственная кровь

По мнению ученого, главное направление, где действительно могут пригодиться разработки в сфере жидкостного дыхания, — это реанимация новорожденных. «Дети рождаются без дыхания, они должны сами сделать первый вдох. Если у них есть определенные виды патологии, когда это невозможно, то методы жидкостного дыхания могут быть полезны», — говорит Суворов.

Кроме того, добавляет он, несомненно полезны будут разработки в сфере создания искусственной крови.

По его мнению, это крайне интересное направление фундаментальной науки с точки зрения изучения механики дыхания, газообмена, но говорить о том, что жидкостное дыхание очень скоро может стать практически достижимой технологией, преждевременно.

«Нельзя предсказать, что сможем ли мы когда-нибудь достичь такой возможности, что человеку смогут залить в легкие жидкость и он будет благополучно дышать, что мы сумеем реализовать такую практику в массовом масштабе. И кроме того, неясно, насколько оправдан риск — в настоящий момент мне и моим коллегам кажется, что он намного превышает плюсы от этой технологии», — говорит ученый.

Илья Ферапонтов

nplus1.ru

.

Тема жидкостного дыхания давно волнует умы людей – сначала фантастов, а затем и серьёзных учёных. Как выяснилось после долгих лет исследований, наши лёгкие всё же способны работать наподобие рыбьих жабр: для этого необходимо заполнить их специальной жидкостью, которая будет регулярно обновляться. Эти разработки являются победой человека над силами природы и законами физики, а понятие кессонной болезни скоро безнадёжно устареет.

Глубоководная болезнь

Декомпрессионная, или кессонная болезнь, известна с середины 19 века. Заболевание связано с тем, что в баллонах со сжатым воздухом, которыми пользуются водолазы, находится обычный по составу воздух. В нём содержится всего 20% кислорода, который наш организм полностью использует и перерабатывает в углекислый газ. Остальные 80% составляют, в основном, азот, гелий, водород и незначительные примеси. Когда дайвер быстро поднимается из глубины моря на поверхность, давление этих балластных газов изменяется. В результате они начинают выделяться в виде пузырьков в кровь и разрушать стенки клеток и кровеносных сосудов, блокировать кровоток. При тяжёлой форме декомпрессионная болезнь может привести к параличу или смерти.

Поэтому увлечённые дайвингом люди долгое время не могли себе позволить нырять глубже 70 метров, потому что это крайне опасно. На большие глубины способны погружаться лишь уникальные специалисты — их все­го несколько человек в мире. Мировой рекордсмен здесь — южно-африканец Нуно Гомес. Его погружение в 2005 году на глубину 318 метров заняло всего 14 минут, тогда как подъём продолжался около 12 часов. При этом Гомес потратил 35 баллонов (почти 450 литров) сжатого воздуха.

Группа риска включает в себя не только дайверов и рабочих, работающих в кессонах (камерах с повышенным давлением, обычно использующиеся для строительства туннелей под реками и закрепления в донном грунте опор мостов), но и пилотов на большой высоте, а так же космонавтов, использующих для выхода в открытый космос костюмы, поддерживающие низкое давление. К сожалению, заменить дыхательную смесь чистым кислородом – тоже не вариант. Он вызывает головные боли и общую слабость, а при продолжительном использовании наступает перекисное окисление липидов и активацию свободнорадикального окисления, что приводит к истощению антиоксидантов и возникновению окислительного стресса организма. А это уже практически 100%-ный риск развития онкологических заболеваний.

Первые успехи

Первые опыты, связанные с дыханием при помощи жидкости, были проведены в 1966 году на мышах. Кларк Леланд осуществил замену воздуха в легких у подопытных животных жидкими перфторуглеродными соединениями. Результаты были вполне удачными — мыши смогли дышать, будучи погруженными в жидкость на несколько часов, а затем снова дышать воздухом. Уже более 20 лет неонатологи используют подобные технологи для ухода за недоношенными младенцами. Лёгочная ткань таких детишек к рождению сформирована не до конца, поэтому с помощью специальных устройств дыхательную систему насыщают как раз кислородсодержащим раствором на основе перфторуглеродов.

Эти вещества представляют собой углеводороды, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора. Перфторуглероды обладают аномально высокой способностью растворять газы, например, кислород и углекислый газ. Они так же высокоинертны и не метаболизируются в организме, что позволяет использовать их не только для вентиляции лёгких, но даже в качестве искусственной крови. В последние год ведутся исследования по улучшению свойств дыхательной жидкости: новая формула получила название «перфлуброн» Это чистая, маслянистая жидкость, обладающая малой плотностью. Так как у нее весьма низкая температура кипения, она быстро и легко выводится (испаряется) из легких.

К погружению готов!

Арнольд Лэнди (Arnold Lande), бывший хирург, а ныне обычный американский пенсионер-изобретатель, зарегистрировал патент на водолазный костюм, оснащенный баллоном с «жидким воздухом». Оттуда он подаётся в шлем дайвера, заполняет собой все пространство вокруг головы, вытесняет воздух из легких, полостей носоглотки и ушей, насыщая легкие человека достаточным количеством кислорода. В свою очередь, углекислый газ, который выделяется в процессе дыхания, выходит наружу при помощи своеобразного подобия жабр, прикрепленных к бедренной вене ныряльщика.

Таким образом сам процесс дыхания становится попросту не нужен – кислород поступает в кровь через легкие, а углекислый газ выводится прямо из крови. Да и давление толщи воды на по-настоящему большой глубине слишком большое: пытаясь сделать вдох где-нибудь на дне Марианской впадины, водолаз рискует сломать рёбра. Так что во главе угла теперь стоит психологический момент: нужно отучить водолазов дышать, при этом не испытывая вполне понятной тревоги. Для этого дайверам потребуется проходить курс обучения, и только приобретя все необходимые навыки, из бассейна отправляться в «открытое плавание».

«Моё изобретение позволяет полностью избежать развития кессонной болезни, поскольку вдыхаемая жидкость не содержит азота, гелия и водорода, собственно и образующих пузырьки, закупоривающих сосуды и приводящих к серьезным поражениям внутренних органов», -торжествующе заявил Арнольд Лэнди, выступая на Международной конференции по прикладной бионике и биомеханике, состоявшейся в Италии.

Таким образом, изобретатель сделал ценный подарок не только одним лишь покорителям морских глубин. Предполагается, что жидкостное дыхание так же может быть успешно использовано при космических полётах и в качестве одного из средств комплексной терапии некоторых болезней. Порадоваться могли бы и защитники природы: к примеру, печально известный разрыв на нефтяной скважине в Мексиканском заливе произошёл на глубине полторы тысячи метров, что многовато даже для техники. А вот дайверы, дышащие как рыбы, смогли бы в данной ситуации быстро справиться с ремонтом.

Источник

my19edwin.livejournal.com

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.

habr.com

Жидкостное дыхание ( дыхание с помощью жидкостей )

Забавно, как некоторые мысли могут надолго засесть в нашей голове. Когда я учился в 8 классе, я подготовил доклад по закону Паскаля, посвященный описанию поведения жидкости в замкнутой системе (в котором я также рассматривал основы гидравлической системы). И я случайно наткнулся на один факт, который взбудоражил мое 13 летнее сознание: слово «вода» не является абсолютным синонимом слову «жидкость». Вода может быть в жидком и газообразном состоянии. Я дышал «водой» всю мою жизнь? Я никак не мог это понять. В это не верили и мои друзья. Мне казалось, что мое увлечение этим вопросом делает меня умнее, но они считали меня занудой.

Год назад я посмотрел сериал «Звездный путь «Вояджера»», в котором члены экипаж космического корабля, новая человеческая раса, дышали какой-то жидкостью. В книге более подробно описывались ощущения одного человека, который находился в постоянном контакте с этой расой. И хотя эта фантастическая жидкость нормально воспринималась легкими, при дыхании жидкостью человек испытывал значительный психологический шок. Немного позже, в фильме «Бездна», тоже прослеживалась эта концепция. Но это же всего лишь фантастика, не так ли? Однако как бы странно это не звучало, человек на самом деле может дышать особенной жидкостью.

Для того, чтобы человек мог дышать жидкостью, она должна выполнять две главные функции: поставлять кислород легким и выводить углекислый газ. Этим свойством обладает кислород, который мы вдыхаем, и еще несколько газов (например, которые используются для наполнения баллонов и плавания под водой). Тогда вполне логично, что некоторые жидкости тоже могут выполнять эти функции. Первые опыты, связанные с дыханием при помощи жидкости, были проведены в 1960 годы. Этот опыт проводился на мышах. Ученые осуществили полную замену крови крыс эмульсией перфтортрибутиламина (ПФТБА) с большой концентрацией жидкого кислорода. Какое-то время мыши могли дышать жидкостью, но, несмотря на достаточное количество кислорода, жидкость не могла выводить углекислый газ; через какое-то время это привело к разрушению легких.

Через несколько лет ученые решили повторить этот опыт с перфторуглеродными соединениями, или полностью фторированными углеводородами – жидкости подобные фреону, которые (хотя при испарении разрушают озоновый слой) способны растворять кислород и углекислый газ. Первые результаты были более удачными по сравнению с опытами с соляным раствором, и мыши в последствии могли спокойно вновь дышать кислородом. В последующие годы формула перфторуглерода была доработана. Одной из новых жидкостей стала перфлуброновая жидкость, которая используется в препарате LiquiVent. Перфлуброн – это чистая, маслянистая жидкость, обладающая большей плотностью воды. Она содержит больше кислорода, чем воздух. И поскольку эта жидкость инертна, то она не наносит вреда легким. Так как ее температура кипения намного ниже, она быстро и легко выводится из легких.

Вам может показаться, что было бы замечательно, если бы человек мог дышать жидкостью, но зачем это нам нужно?

enc.guru.ua

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 глубин.

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).

chrdk.ru

Дмитрий Рогозин показал сербскому президенту Александру Вучичу новейшие российские разработки. Среди них проект жидкостного дыхания. Для Вучича провели демонстрацию на таксе, которую поместили в резервуар с жидкостью, и уже через несколько секунд в новой среде она задышала. Эта система поможет дышать морякам на затонувшем судне или людям с ожогами легких. Как вообще возможно дышать жидкостью?

Это лишь одна из разработок, которые были созданы при содействии созданного государственного Фонда перспективных исследований. Он специализируется на прорывных исследованиях в различных областях науки и техники.

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.

"Проблема тех лет в том, что жидкость, которая была предназначена для дыхания, невозможно было очистить достаточным образом. И как следствие, под высоким давлением растворимые в ней побочные вещества вызывали токсический эффект. В семидесятые годы это были в основном перфтораны, они достаточно токсичны. Сейчас – это производные перфтордекалинов. Это вещества, которые используются в косметологической промышленности как прекрасный переносчик лекарственных и иных веществ через кожу в организм для насыщения кожи, в том числе и кислородом", — сказал руководитель направления химико-биологических и медицинских исследований Фонда перспективных исследований Федор Арсеньев.

Возможности, которые дает нынешнее открытие российских ученых, чрезвычайно высоки. Одна из них — борьба с перегрузками. Жидкость равномерно распределяет нагрузку по всем направлениям. Поэтому человек, помещенный в нее, способен выдерживать гораздо более высокие нагрузки, чем просто человек в скафандре. Их переносимость может увеличиться в несколько раз, существенно превысив 20 G, которые сейчас считаются пределом для человеческого организма.

При погружении в воду давление на человека возрастает на одну атмосферу каждые 10 метров. Поэтому на больших глубинах используются очень громоздкие костюмы. Когда легкие человека заполнены не воздухом, а жидкостью, давление внутри тела уравновешивает давление внешнее, и человек может погружаться на большие глубины без специальных костюмов. Кровь при этом не насыщается азотом и гелием, поэтому и не требуется длительной декомпрессии при подъеме на поверхность.

"Открытие поможет непосредственно спасаться экипажам подводных лодок без привлечения спасательных сил, специальных аппаратов – это то, что происходит на кораблях, это время идет на сутки – то, что случилось с "Курском". На больших глубинах с применением этих смесей жидкостных подводники вполне могут подниматься живыми-здоровыми с больших глубин", — отметил капитан 1-го ранга в отставке, заместитель главного редактора журнала Министерства обороны РФ "Воин России" Василий Дандыкин.

Российская разработка найдет применение не только в оборонной отрасли. Ее также можно будет использовать для помощи недоношенным младенцам и людям, получившим ожоги дыхательных путей.

www.vesti.ru

» />

Сегодня вице-президент Российской Федерации Дмитрий Рогозин в ходе встречи с президентом Сербии Александром Вучичем продемонстрировал ему ряд инновационных российских разработок в различных областях. Одной из них стала уникальная система жидкостного дыхания, позволяющая живым организмам дышать под водой при помощи жидкости, заполняющей их лёгкие. Нечто подобное вы могли видеть в научно-фантастическом фильме «Бездна» режиссёра Джеймса Кэмерона.

Специально для президента Сербии провели впечатляющую демонстрацию уникальной технологии. В резервуар с насыщенной кислородом жидкостью поместили таксу, которая освоилась там спустя несколько минут, после чего начала совершенно нормально дышать в новой для себя среде. Спустя некоторое время собаку извлекли из резервуара, тщательно протёрли полотенцем, и Александр Вучич смог лично убедиться, что с животным всё в полном порядке. Президент отметил, что остался сильно впечатлён увиденным. Дмитрий Рогозин подчеркнул, что данная российская разработка – это завтрашний день, к которому стремятся российские учёные.

Жидкостное дыхание осуществляется при помощи жидкостей, отлично растворяющих кислород. Оно подразумевает заполнение лёгких насыщенной кислородом жидкостью, который затем поступает в кровь. Чаще всего для этих целей используются перфторуглеродные соединения, которые имеют низкое поверхностное натяжение, высокоинертны, а также не метаболизируются в организме. На сегодняшний день не существует ни одной системы жидкостного дыхания, которую бы активно использовали в той или иной сфере. Несколько команд исследователей лишь проводили отдельные эксперименты в данной области.

Данная технология является одной из нескольких, созданных в стенах Фонда перспективных исследований (ФПИ). Руководит проектом Фёдор Арсеньев. Учёный считает, что рабочая система жидкостного дыхания сможет спасти немало человеческих жизней. Например, во время крушения подводной лодки на глубине свыше 100 метров, моряки просто не могут подняться на поверхность из-за кессонной болезни, в ходе которой возникает «эффект закипающей крови». В случае же использования аппаратов жидкостного дыхания, люди смогут покинуть субмарину без какого-либо риска и совершенно спокойно подняться на поверхность. Помимо всего прочего, подобная технология может спасти недоношенных детей, а также помочь людям, получившим ожоги дыхательных путей.

hi-news.ru

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 советские ученые ради науки лихо головы собакам отрезали., а китайцы их вообще едят без хлеба.. 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]Источники:
https://ria.ru/science/20171225/1511622360.html
https://www.vesti.ru/doc.html?id=2968156
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B4%D1%8B%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5

masterok.livejournal.com

Полезно обратить внимание:

Подводное ружье своими руками чертежи Пистолет для подводной охоты Подводное ружье самодельное Водолазная маска Подводное пневматическое ружье Камера для подводных работ