Одна из трудностей, с которой встречается человек в гидросфере, связана с неприспособленностью жителя суши к дыханию под водой даже в том случае, когда окружающая среда богата кислородом. В гидросфере зачастую возникает трудность даже с таким, казалось бы, простым вопросом, как выдох, точнее – удаление продуктов выдоха (углекислого газа, азота, пара и других составляющих).

Почти все двигатели – дизельные, газотурбинные, внутреннего сгорания и другие, – также не приспособлены для работы непосредственно в гидросфере, также требуют газовой смеси, обогащенной кислородом, и удаления продуктов сгорания.

Таким образом, проблема газообмена в гидросфере давно является актуальной, но все еще ждет достаточно эффективных решений. Уже первые простейшие решения проблемы – накачивание воздуха под воду по шлангам, засасывание с помощью специальной трубы (шноркеля или РДП – устройства для работы двигателя под водой) и тому подобные, не явились оригинальными с точки зрения бионики, так как аналогичные устройства для снабжения органов дыхания воздухом из атмосферы давно известны в живой природе. Например, личинка обычного комара имеет длинную (по сравнению с размерами тела) дыхательную трубку, конец которой высовывается из воды. Достаточно очевидно, что данный пример сейчас пригоден лишь для коллекции фактов гидробионики, а не для практического использования. Сюда же можно отнести и широко известный факт захвата некоторыми насекомыми пузырька воздуха с поверхности воды на глубину, что увеличивает их плавучесть и обеспечивает их запасом кислорода. Интересен результат эксперимента, доказывающий, что такой пузырек воздуха является не только хранилищем кислорода, захваченного с поверхности, но и механизмом, позволяющим извлекать кислород, растворенный в воде, за счет направленной диффузии частиц газа. Этот механизм получил свое развитие у некоторых мелких обитателей гидросферы, которые создают так называемый пластрон – своеобразную систему воздушных пузырьков, распределенных в виде тонкого слоя воздуха между близко расположенными волосками. Для удержания пластрона и осуществления направленного газообмена требуется большая плотность волосков на поверхности тела – около 2 млн. волосков на 1 мм2.

Самым эффективным органом, в котором осуществляется газообмен, являются жабры. Не случайно ряд ученых работает над проблемой жаберного дыхания в воде, и даже над способами пересадки жабр обитателям суши. Обсуждаются возможности обеспечения жабрами человека (см., например, изложение яркой речи Ж.И. Кусто). Правда, опыты последних лет показывают, что разница в механизмах дыхания жабрами и легкими не так уж велика. Напомним об этих опытах.

И. Кильстер и М. Тиссинг брали воду с солевым составом, близким к плазме крови, и под давлением в 8 атм нагнетали в нее кислород. Благодаря этому давлению содержание кислорода в воде стало таким же, как и в воздухе (нормально в воде растворено кислорода почти в 30 раз меньше, чем в таком же объеме воздуха). В этой водной среде мыши смогли жить 18 часов, а одна из подопытных собак находилась под водой 24 минуты без каких-либо вредных последствий. По окончании эксперимента вода из легких животного удалялась, и легкие вновь наполнялись обычным воздухом.

В опытах Э. Лампьера вода, насыщенная кислородом, под давлением нагнеталась прямо в легкие собак. Из 16 собак 7 выжили и после опыта восстановили нормальное дыхание.

Аналогичные результаты были получены русскими гидробиониками на мышах, которые длительное время могли находиться на дне специального сосуда, совершая довольно удачные попытки освоиться в непривычной для них водной среде.

Пока преждевременно делать окончательные выводы, но все известные факты подводного дыхания требуют систематизации и обобщения. К сожалению, подобные эксперименты в области техники описываются крайне лаконично. Так, на одном японском подводном исследовательском судне-диске предполагалось использовать специальные биохимические фильтры, разработанные японским океанологом Осака. Но никаких подробностей, кроме сообщения о том, что биофильтры позволяли извлекать кислород из воды на любых глубинах, пока не опубликовано.

Много рекламных сообщений было в связи с работами У. Робба, сотрудника фирмы «Дженерал электрик», который создал кремнийорганическую пленку толщиной 0,025 мм. Несколько слоев такой пленки образуют мембрану, которая разделяет воду, богатую свободным кислородом, от обедненной. Сквозь мембрану при незначительной разности давлений проходят молекулы кислорода. Самое интересное, что молекулы кислорода могут проходить через мембрану и в том случае, если мембрана отделяет воду, содержащую кислород, от воздуха. В порядке эксперимента был создан резервуар, стенки которого обтянули кремнийорганической мембраной. Внутри резервуара помещался хомяк, который дышал кислородом воздуха. Хомяк продолжал нормально дышать и тогда, когда резервуар погружали в воду на некоторую глубину. Считают, что созданная мембрана позволит находиться под водой и человеку. Для этого достаточно нескольких квадратных метров пленки, обтягивающей помещение, внутри которого человек сможет находиться много часов без пополнения запасов воздуха. Газообмен будет осуществляться за счет обратной диффузии двуокиси углерода через мембрану из воздуха в воду.

Сообщается также, что через кремнийорганическую мембрану, хотя и очень медленно, но проникает вода. Если окружающая вода соленая, то внутрь объема воздушного пространства, отделяемого мембраной, проникает только пресная вода. Таким образом, эта же мембрана может служить и для опреснения морской воды.

Естественно, возникает вопрос о возможности использования мембранного механизма газообмена на больших глубинах. Ответ может быть положительным только в том случае, если добиться уравновешивания давлений снаружи и внутри аппарата. Но именно значительные перепады давления с изменением глубины погружения составляют основную проблему дыхания под водой.

Гидробиология располагает фактами, которые говорят о том, что некоторые млекопитающие не подвергаются кессонной болезни. Так, кашалот, сделав перед погружением 60–70 вдохов и выдохов, ныряет на большую глубину и может оставаться под водой до 160 минут. В 1955 г. у побережья Южной Америки был найден кашалот, запутавшийся в кабеле на глубине 1200 м, а в августе 1951 г. подобный случай был зафиксирован на глубине 2200 м. Сам факт запутывания кашалота в телефонном кабеле биологи склонны объяснять тем, что кашалот принимает кабель за щупальца гигантских кальмаров, которыми он преимущественно питается. Для нас сейчас важно другое – ведь на глубине свыше 1000 м кашалот испытывает давление более 100 атм, а после этого он всплывает на поверхность, в то время как одной из трудностей подводного погружения человека как раз и является преодоление перепада давлений – чем больше глубина погружения, тем меньше времени водолаз может оставаться под водой, тем продолжительнее ступенчатая декомпрессия при подъеме его на поверхность.

При нормальном барометрическом давлении в нашем организме растворено около 1 л азота. С погружением это количество возрастает, но полное насыщение организма азотом для определенного давления происходит через длительное время – порядка 6 часов. При подъеме на поверхность процесс идет в обратном порядке: растворенный газ стремится выйти из тканей организма. При очень медленном подъеме это выделение может происходить постепенно, через легкие человека, при быстром подъеме газ в виде пузырьков интенсивно выделяется из тканей организма в кровь. В итоге минуты пребывания на глубине требуют затем многочасового подъема, а физическая работа на глубине значительно удлиняет и без того большое время декомпрессии. Огромное практическое значение подводных жилищ как раз в том и состоит, что в какой-то степени снимается временное ограничение пребывания на глубине. Ведь время декомпрессий не изменяется от того, одни сутки или неделю пробыл гидронавт под водой. Важно только, что время погружения превысило 6–12 часов (период частичного или полного растворения азота в крови). Впрочем, с подводными жилищами могут успешно конкурировать более мобильные способы: помещение гидронавта в специальную капсулу, которая совмещает функции барокамеры и подводного снаряда, где поддерживается давление, соответствующее глубинам погружения, а само погружение осуществляется в нужном районе и по мере надобности.

Теория и техника декомпрессии и других сторон газообмена организма при глубоководных погружениях достаточно сложны, чтобы излагать их здесь подробно. К тому же существует обширная литература по этому вопросу и по новым воззрениям на физиологию водолазного дела, возникшим в связи с рекордными погружениями Леонида Кобзаря в 1956 г. и Ганса Келлера в 1960 г. Так, скоростное погружение Г. Келлера на глубины 156, 250, 300 и 400 м и такой же быстрый подъем потребовали пересмотра основ теории водолазного дела. Келлер уменьшил время подъема примерно в 10 раз по сравнению с классическими апробированными таблицами декомпрессии.

Г. Келлер до сего времени не сообщает о своих методах, несмотря на ряд запросов заинтересованных организаций многих стран. Известно только, что будучи математиком, он с помощью электронной вычислительной машины вычислил огромное количество вариантов выделения газов и газообмена в зависимости от глубины и скорости подъема. Так, для подъема с глубины 300 м было подсчитано 250 000 изменений состава газовой дыхательной смеси. Таким образом, выбирались сложные варианты многократного изменения состава смеси для одного единственного погружения, с учетом скорости выделения газов из разных тканей организма при различном давлении.

Представляет интерес уникальный эксперимент русских ученых, о котором сообщалось в широкой печати. Речь идет об искусственной замкнутой (закрытой) системе, повторяющей в миниатюре те функции, которые нормально выполняет биосфера по отношению к живым существам – замкнутый кругооборот воды, поглощение углекислого газа, выделение кислорода и другие функции. Была создана кабина, в которой человек-испытатель в ходе одного из экспериментов провел месяц в условиях полной герметизации. В термокамере фильтрация воздуха и используемой воды осуществлялась с помощью биофильтра на основе колонии зеленых водорослей – хлореллы. Пятьсот граммов хлореллы размещалось в тонком пятимиллиметровом слое воды между стенками из органического стекла. Система таких кювет общей поверхностью восемь квадратных метров опоясывала ксеноновый источник света, под воздействием которого хлорелла, осуществляя обычный фотосинтез, полностью обеспечивала потребности человека в кислороде. Биологизация замкнутой системы «человек – биотрон» даже вошла в режим самосинхронизации: во время сна человека водоросли замедляли ритм своей жизни, уменьшая количество выделяемого кислорода. Успешное осуществление такого рода эксперимента открывает реальные перспективы длительного обитания гидронавтов под водой.

Итак, при рассмотрении проблемы газообмена важны следующие два момента. Во-первых, бионический подход к проблеме газообмена при погружениях вполне правомочен; это подтверждается обитанием в гидросфере таких прекрасных ныряльщиков, как, например, кашалоты, организм которых является достойным объектом бионического обследования. Во-вторых, известные технические разработки могут составить основу бионического синтеза систем газообмена. Блестящие успехи первых расчетов на электронных вычислительных машинах и технический эксперимент говорят о принципиальной возможности науки решить проблему газообмена для глубоководных погружений.

Предыдущая глава: Опреснение морской воды

Следующая глава: Селективное накопление вещества