1. Виживання під водою | Журнал Популярна Механіка Дихайте глибше: людина спускається на глибину, недоступну...
2. під поверхнею
3. Глибше 10 м
4. Глибше 40 м
5. рідинне дихання
6. Глибше 80 м
7. Глибше 600 м
8. Виживання під водою | Журнал Популярна Механіка
9. занурюємося
10. під поверхнею
11. Глибше 10 м
12. Глибше 40 м
13. рідинне дихання
14. Глибше 80 м
15. Глибше 600 м
16. Виживання під водою | Журнал Популярна Механіка
17. занурюємося
18. під поверхнею
19. Глибше 10 м
20. Глибше 40 м
21. рідинне дихання
22. Глибше 80 м
23. Глибше 600 м

Виживання під водою | Журнал Популярна Механіка

Дихайте глибше: людина спускається на глибину, недоступну атомним підводним човнам.

Ми живемо на планеті води, але земні океани знаємо гірше, ніж деякі космічні тіла. Більше половини поверхні Марса артографіровано з роздільною здатністю близько 20 м - і тільки 10-15% океанського дна вивчені при вирішенні хоча б 100 м. На Місяці побувало 12 осіб, на дні Маріанської западини - троє, і всі вони не сміли і носа висунути з надміцних батискафів.

занурюємося

Головна складність в освоєнні Світового океану - це тиск: на кожні 10 м глибини воно збільшується ще на одну атмосферу. Коли рахунок доходить до тисяч метрів і сотень атмосфер, змінюється все. Рідини течуть інакше, незвично поводяться гази ... Апарати, здатні витримати ці умови, залишаються штучним продуктом, і навіть найсучасніші субмарини на такий тиск не розраховані. Гранична глибина занурення новітніх АПЛ проекту 955 «Борей» становить всього 480 м.

Водолазів, що спускаються на сотні метрів, шанобливо звуть акванавтам, порівнюючи їх з завойовниками космосу. Але безодня морів по-своєму небезпечніше космічного вакууму. Якщо щось трапиться, що працює на МКС екіпаж зможе перейти в пристикований корабель і через кілька годин виявиться на поверхні Землі. Водолазам цей шлях закритий: щоб евакуюватися з глибини, можуть знадобитися тижні. І термін цей не скоротити ні за яких обставин.

Втім, на глибину існує й альтернативний шлях. Замість того щоб створювати все більш міцні корпусу, можна відправити туди ... живих водолазів. Рекорд тиску, перенесеного випробувачами в лабораторії, майже вдвічі перевищує здатності підводних човнів. Тут немає нічого неймовірного: клітини всіх живих організмів заповнені тієї ж водою, яка вільно передає тиск у всіх напрямках.

Клітини не протистоять водного стовпа, як тверді корпусу субмарин, вони компенсують зовнішній тиск внутрішнім. Недарма мешканці «чорних курців», включаючи круглих черв'яків і креветок, прекрасно себе почувають на багатокілометрової глибині океанського дна. Деякі види бактерій непогано переносять навіть тисячі атмосфер. Людина тут не виняток - з тією лише різницею, що йому потрібне повітря.

під поверхнею

Кисень Дихальні трубки з очерету були відомі ще могіканами Фенімора Купера. Сьогодні на зміну порожнистим стебел рослин прийшли трубки із пластику, «анатомічної форми» і з зручними загубника. Однак ефективності їм це не додало: заважають закони фізики та біології.

Вже на метровій глибині тиск на грудну клітку піднімається до 1,1 атм - до самого повітрю додається 0,1 атм водяного стовпа. Дихання тут вимагає помітного зусилля міжреберних м'язів, і впоратися з цим можуть тільки треновані атлети. При цьому навіть їх сил вистачить ненадовго і максимум на 4-5 м глибини, а новачкам важко дається дихання і на півметра. До того ж чим довше трубка, тим більше повітря міститься в ній самій. «Робочий» дихальний обсяг легенів становить в середньому 500 мл, і після кожного видиху частина відпрацьованого повітря залишається в трубці. Кожен вдих приносить все менше кисню і все більше вуглекислого газу.

Щоб доставляти свіже повітря, потрібна примусова вентиляція. Нагнітаючи газ під підвищеним тиском, можна полегшити роботу м'язам грудної клітини. Такий підхід застосовується вже не одне століття. Ручні насоси відомі водолазам з XVII століття, а в середині XIX століття англійські будівельники, що зводили підводні фундаменти для опор мостів, вже довго працювали в атмосфері стисненого повітря. Для робіт використовувалися товстостінні, відкриті знизу підводні камери, в яких підтримували високий тиск. Тобто кесони.

Глибше 10 м

Азот Під час роботи в самих кесонах ніяких проблем не виникало. Але ось при поверненні на поверхню у будівельників часто розвивалися симптоми, які французькі фізіологи Поль і Ваттель описали в 1854 році як On ne paie qu'en sortant - «розплата на виході». Це міг бути сильний свербіж шкіри або запаморочення, болі в суглобах і м'язах. У найважчих випадках розвивалися паралічі, наступала втрата свідомості, а потім і загибель.

Обладунок проти тиску Щоб вирушити на глибину без будь-яких складнощів, пов'язаних з екстремальним тиском, можна використовувати надміцні скафандри. Це надзвичайно складні системи, що витримують занурення на сотні метрів і зберігають всередині комфортне тиск в 1 атм. Правда, вони досить дорогі: наприклад, ціна недавно представленого скафандра канадської фірми Nuytco Research Ltd. EXOSUIT становить близько мільйона доларів.

Проблема в тому, що кількість розчиненого в рідині газу прямо залежить від тиску над нею. Це стосується і повітря, який містить близько 21% кисню і 78% азоту (іншими газами - вуглекислим, неоном, гелієм, метаном, воднем і т. Д. - можна знехтувати: їх зміст не перевищує 1%). Якщо кисень швидко засвоюється, то азот просто насичує кров та інші тканини: при підвищенні тиску на 1 атм в організмі розчиняється додатково близько 1 л азоту.

При швидкому зниженні тиску надлишок газу починає виділятися бурхливо, іноді збиваючи, як розкрита пляшка шампанського. З'являються бульбашки можуть фізично деформувати тканини, закупорювати судини і позбавляти їх постачання кров'ю, приводячи до найрізноманітніших і часто тяжких симптомів. На щастя, фізіологи розібралися з цим механізмом досить швидко, і вже в 1890-х роках декомпрессионную хвороба вдавалося запобігти, застосовуючи поступове і обережне зниження тиску до норми - так, щоб азот виходив з організму поступово, а кров і інші рідини не «закипали» .

На початку ХХ століття англійський дослідник Джон Холдейн склав детальні таблиці з рекомендаціями щодо оптимальних режимів спуску і підйому, компресії і декомпресії. Експериментуючи з тваринами, а потім і з людьми - в тому числі з самим собою і своїми близькими, - Холдейн з'ясував, що максимальна безпечна глибина, яка не потребує декомпресії, становить близько 10 м, а при тривалому зануренні - і того менше. Повернення з глибини повинно проводитися поетапно і не поспішаючи, щоб дати азоту час вивільнитися, зате спускатися краще досить швидко, скорочуючи час надходження надлишкового газу в тканини організму. Людям відкрилися нові межі глибини.

Глибше 40 м

Гелій Боротьба з глибиною нагадує гонку озброєнь. Знайшовши спосіб подолати чергову перешкоду, люди робили ще кілька кроків - і зустрічали нову перешкоду. Так, слідом за кесонної хворобою відкрилася напасти, яку дайвери майже любовно звуть «азотної білочкою». Справа в тому, що в гіпербаричних умовах цей інертний газ починає діяти не гірше міцного алкоголю. У 1940-х п'янкий ефект азоту вивчав інший Джон Холдейн, син «того самого». Небезпечні експерименти батька його нітрохи не бентежили, і він продовжив суворі досліди на собі і колег. «У одного з наших піддослідних стався розрив легені, - фіксував вчений в журналі, - але зараз він видужує».

Незважаючи на всі дослідження, механізм азотного сп'яніння детально не встановлено - втім, те саме можна сказати і про дії звичайного алкоголю. І той і інший порушують нормальну передачу сигналів в синапсах нервових клітин, а можливо, навіть змінюють проникність клітинних мембран, перетворюючи іонообмінні процеси на поверхнях нейронів в повний хаос. Зовні те й інше проявляється теж схожим чином. Водолаз, «Слово азотну білочку», втрачає контроль над собою. Він може впасти в паніку і перерізати шланги або, навпаки, захопитися переказом анекдотів зграї веселих акул.

Наркотичною дією володіють і інші інертні гази, причому чим важче їх молекули, тим менший тиск потрібно для того, щоб цей ефект проявився. Наприклад, ксенон анестезує і при звичайних умовах, а більш легкий аргон - тільки при декількох атмосферах. Втім, ці прояви глибоко індивідуальні, і деякі люди, занурюючись, відчувають азотне сп'яніння набагато раніше за інших.

Позбутися від анестезуючого дії азоту можна, знизивши його надходження в організм. Так працюють дихальні суміші нітроксе, що містять збільшену (іноді до 36%) частку кисню і, відповідно, знижена кількість азоту. Ще більш цікавим було б перейти на чистий кисень. Адже це дозволило б вчетверо зменшити обсяг дихальних балонів або вчетверо збільшити час роботи з ними. Однак кисень - елемент активний, і при тривалому вдиханні - токсичний, особливо під тиском.

Чистий кисень викликає сп'яніння і ейфорію, веде до пошкодження мембран в клітинах дихальних шляхів. При цьому брак вільного (відновленого) гемоглобіну ускладнює виведення вуглекислого газу, призводить до гіперкапнії і метаболічного ацидозу, запускаючи фізіологічні реакції гіпоксії. Людина задихається, не дивлячись на те що кисню його організму цілком достатньо. Як встановив той же Холдейн-молодший, вже при тиску в 7 атм дихати чистим киснем можна не довше кількох хвилин, після чого починаються порушення дихання, конвульсії - все те, що на дайверским сленгу називається коротким словом «блекаут».

рідинне дихання

Поки що полуфантастический підхід до підкорення глибини полягає у використанні речовин, здатних взяти на себе доставку газів замість повітря - наприклад, замінника плазми крові перфторана. У теорії, легкі можна заповнити цієї блакитним рідиною і, насичуючи киснем, прокачувати її насосами, забезпечуючи дихання взагалі без газової суміші. Втім, цей метод залишається глибоко експериментальним, багато фахівців вважають його і зовсім тупиковим, а, наприклад, в США застосування перфторану офіційно заборонено.

Тому парціальний тиск кисню при диханні на глибині підтримується навіть нижче звичайного, а азот замінюють на безпечний і не викликає ейфорії газ. Краще за інших підійшов би легкий водень, якщо б не його вибухонебезпечність в суміші з киснем. В результаті водень використовується рідко, а звичайним замінником азоту в суміші став другий за легкістю газ, гелій. На його основі виробляють киснево-гелієві або киснево-гелієво-азотні дихальні суміші - Геліокс і трімікс.

Глибше 80 м

Складні суміші Тут варто сказати, що компресія і декомпресія при тисках в десятки і сотні атмосфер затягується надовго. Настільки, що робить роботу промислових водолазів - наприклад, при обслуговуванні морських нафтовидобувних платформ - малоефективною. Час, проведений на глибині, стає куди коротше, ніж довгі спуски і підйоми. Вже півгодини на 60 м виливаються в більш ніж годинну декомпресію. Після півгодини на 160 м для повернення знадобиться більше 25 годин - а адже водолазам доводиться спускатися і нижче.

Тому вже кілька десятиліть для цих цілей використовують глибоководні барокамери. Люди живуть в них часом цілими тижнями, працюючи позмінно і здійснюючи екскурсії назовні через шлюзовий відсік: тиск дихальної суміші в «житло» підтримується рівним тиску водного середовища навколо. І хоча декомпресія при підйомі зі 100 м займає близько чотирьох діб, а з 300 м - більше тижня, пристойний термін роботи на глибині робить ці втрати часу цілком виправданими.

Методи тривалого перебування в середовищі з підвищеним тиском пророблялися з середини ХХ століття. Великі гіпербаричної комплекси дозволили створювати потрібний тиск в лабораторних умовах, і відважні випробувачі того часу встановлювали один рекорд за іншим, поступово переходячи і в море. У 1962 році Роберт Стенюі провів 26 годин на глибині 61 м, ставши першим акванавтам, а трьома роками пізніше шестеро французів, дихаючи трімікс, прожили на глибині 100 м майже три тижні.

Тут почалися нові проблеми, пов'язані з тривалим перебуванням людей в ізоляції і в виснажливо некомфортною обстановці. Через високу теплопровідність гелію водолази втрачають тепло з кожним видихом газової суміші, і в їх «будинку» доводиться підтримувати стабільно спекотну атмосферу - близько 30 ° C, а вода створює високу вологість. Крім того, низька щільність гелію змінює тембр голосу, серйозно ускладнюючи спілкування. Але навіть всі ці труднощі разом узяті не поставили б межа нашим пригодам в гіпербаричної світі. Є обмеження і важливіші.

Глибше 600 м

Межа В лабораторних експериментах окремі нейрони, що ростуть «в пробірці», погано переносять екстремально високий тиск, демонструючи безладну гіперзбудливість. Схоже, що при цьому помітно змінюються властивості ліпідів клітинних мембран, так що протистояти цим ефектам неможливо. Результат можна спостерігати і в нервовій системі людини під величезним тиском. Він починає раз у раз «відключатися», впадаючи в короткочасні періоди сну або ступору. Сприйняття не може, тіло охоплює тремор, починається паніка: розвивається нервовий синдром високого тиску (НСВД), обумовлений самою фізіологією нейронів.

Навіщо дихати з закритим носом Крім легких, в організмі є і інші порожнини, що містять повітря. Але вони повідомляються з навколишнім середовищем дуже тонкими каналами, і тиск в них вирівнюється далеко не моментально. Наприклад, порожнини середнього вуха з'єднуються з носоглоткою лише вузькою евстахиевой трубою, яка до того ж часто забивається слизом. Пов'язані з цим незручності знайомі багатьом пасажирам літаків, яким доводиться, щільно закривши ніс і рот, різко видихнути, зрівнюючи тиск вуха і зовнішнього середовища. Водолази теж застосовують таке «продування», а при нежиті намагаються зовсім не занурюватися.

Додавання до киснево-гелієвої суміші невеликих (до 9%) кількостей азоту дозволяє дещо послабити ці ефекти. Тому рекордні занурення на Геліокс досягають планки 200-250 м, а на Азотомісткі трімікс - близько 450 м у відкритому морі і 600 м в компресійної камері. Законодавцями в цій області стали - і до сих пір залишаються - французькі Акванавт. Чергування повітря, складних дихальних сумішей, хитрих режимів занурення і декомпресії ще в 1970-х дозволило водолазам подолати планку в 700 м глибини, а створену учнями Жака Кусто компанію COMEX зробило світовим лідером в водолазному обслуговуванні морських нафтовидобувних платформ. Деталі цих операцій залишаються військової і комерційною таємницею, тому дослідники інших країн намагаються наздогнати французів, рухаючись своїми шляхами.

Намагаючись опуститися глибше, радянські фізіологи вивчали можливість заміни гелію більш важкими газами, наприклад неоном. Експерименти по імітації занурення на 400 м в киснево-неонової атмосфері проводились в гіпербаричної комплексі московського Інституту медико-біологічних проблем (ІМБП) РАН і в секретному «підводному» НДІ-40 Міністерства оборони, а також в НДІ океанології ім. Ширшова. Однак тяжкість неону продемонструвала свою зворотну сторону.

Можна підрахувати, що вже при тиску 35 атм щільність киснево-неонової суміші дорівнює щільності киснево-гелієвої приблизно при 150 атм. А далі - більше: наші повітроносні шляхи просто не пристосовані для «прокачування» такий густий середовища. Випробувачі ІМБП повідомляли, що, коли легені і бронхи працюють з настільки щільною сумішшю, виникає дивне і важке відчуття, «ніби ти не дихаєш, а п'єш повітря». У спати досвідчені водолази ще здатні з цим впоратися, але в періоди сну - а на таку глибину не дістатися, не витративши довгі дні на спуск і підйом - вони раз у раз прокидаються від панічного відчуття задухи. І хоча військовим акванавтам з НДІ-40 вдалося досягти 450-метрової планки і отримати заслужені медалі Героїв Радянського Союзу, принципово це питання не вирішило.

Нові рекорди занурення ще можуть бути поставлені, але ми, мабуть, підібралися до останньої межі. Нестерпна щільність дихальної суміші, з одного боку, і нервовий синдром високих тисків - з іншого, мабуть, ставлять остаточний межа подорожей людини під екстремальним тиском.

За допомогу в підготовці статті автор дякує завідуючого Відділом фізіолог, баротерапії і водолазної медицини ІМБП РАН Володимира Комаревцева

Стаття «Під тиском» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2016 ).

Виживання під водою | Журнал Популярна Механіка

Дихайте глибше: людина спускається на глибину, недоступну атомним підводним човнам.

Ми живемо на планеті води, але земні океани знаємо гірше, ніж деякі космічні тіла. Більше половини поверхні Марса артографіровано з роздільною здатністю близько 20 м - і тільки 10-15% океанського дна вивчені при вирішенні хоча б 100 м. На Місяці побувало 12 осіб, на дні Маріанської западини - троє, і всі вони не сміли і носа висунути з надміцних батискафів.

занурюємося

Головна складність в освоєнні Світового океану - це тиск: на кожні 10 м глибини воно збільшується ще на одну атмосферу. Коли рахунок доходить до тисяч метрів і сотень атмосфер, змінюється все. Рідини течуть інакше, незвично поводяться гази ... Апарати, здатні витримати ці умови, залишаються штучним продуктом, і навіть найсучасніші субмарини на такий тиск не розраховані. Гранична глибина занурення новітніх АПЛ проекту 955 «Борей» становить всього 480 м.

Водолазів, що спускаються на сотні метрів, шанобливо звуть акванавтам, порівнюючи їх з завойовниками космосу. Але безодня морів по-своєму небезпечніше космічного вакууму. Якщо щось трапиться, що працює на МКС екіпаж зможе перейти в пристикований корабель і через кілька годин виявиться на поверхні Землі. Водолазам цей шлях закритий: щоб евакуюватися з глибини, можуть знадобитися тижні. І термін цей не скоротити ні за яких обставин.

Втім, на глибину існує й альтернативний шлях. Замість того щоб створювати все більш міцні корпусу, можна відправити туди ... живих водолазів. Рекорд тиску, перенесеного випробувачами в лабораторії, майже вдвічі перевищує здатності підводних човнів. Тут немає нічого неймовірного: клітини всіх живих організмів заповнені тієї ж водою, яка вільно передає тиск у всіх напрямках.

Клітини не протистоять водного стовпа, як тверді корпусу субмарин, вони компенсують зовнішній тиск внутрішнім. Недарма мешканці «чорних курців», включаючи круглих черв'яків і креветок, прекрасно себе почувають на багатокілометрової глибині океанського дна. Деякі види бактерій непогано переносять навіть тисячі атмосфер. Людина тут не виняток - з тією лише різницею, що йому потрібне повітря.

під поверхнею

Кисень Дихальні трубки з очерету були відомі ще могіканами Фенімора Купера. Сьогодні на зміну порожнистим стебел рослин прийшли трубки із пластику, «анатомічної форми» і з зручними загубника. Однак ефективності їм це не додало: заважають закони фізики та біології.

Вже на метровій глибині тиск на грудну клітку піднімається до 1,1 атм - до самого повітрю додається 0,1 атм водяного стовпа. Дихання тут вимагає помітного зусилля міжреберних м'язів, і впоратися з цим можуть тільки треновані атлети. При цьому навіть їх сил вистачить ненадовго і максимум на 4-5 м глибини, а новачкам важко дається дихання і на півметра. До того ж чим довше трубка, тим більше повітря міститься в ній самій. «Робочий» дихальний обсяг легенів становить в середньому 500 мл, і після кожного видиху частина відпрацьованого повітря залишається в трубці. Кожен вдих приносить все менше кисню і все більше вуглекислого газу.

Щоб доставляти свіже повітря, потрібна примусова вентиляція. Нагнітаючи газ під підвищеним тиском, можна полегшити роботу м'язам грудної клітини. Такий підхід застосовується вже не одне століття. Ручні насоси відомі водолазам з XVII століття, а в середині XIX століття англійські будівельники, що зводили підводні фундаменти для опор мостів, вже довго працювали в атмосфері стисненого повітря. Для робіт використовувалися товстостінні, відкриті знизу підводні камери, в яких підтримували високий тиск. Тобто кесони.

Глибше 10 м

Азот Під час роботи в самих кесонах ніяких проблем не виникало. Але ось при поверненні на поверхню у будівельників часто розвивалися симптоми, які французькі фізіологи Поль і Ваттель описали в 1854 році як On ne paie qu'en sortant - «розплата на виході». Це міг бути сильний свербіж шкіри або запаморочення, болі в суглобах і м'язах. У найважчих випадках розвивалися паралічі, наступала втрата свідомості, а потім і загибель.

Обладунок проти тиску Щоб вирушити на глибину без будь-яких складнощів, пов'язаних з екстремальним тиском, можна використовувати надміцні скафандри. Це надзвичайно складні системи, що витримують занурення на сотні метрів і зберігають всередині комфортне тиск в 1 атм. Правда, вони досить дорогі: наприклад, ціна недавно представленого скафандра канадської фірми Nuytco Research Ltd. EXOSUIT становить близько мільйона доларів.

Проблема в тому, що кількість розчиненого в рідині газу прямо залежить від тиску над нею. Це стосується і повітря, який містить близько 21% кисню і 78% азоту (іншими газами - вуглекислим, неоном, гелієм, метаном, воднем і т. Д. - можна знехтувати: їх зміст не перевищує 1%). Якщо кисень швидко засвоюється, то азот просто насичує кров та інші тканини: при підвищенні тиску на 1 атм в організмі розчиняється додатково близько 1 л азоту.

При швидкому зниженні тиску надлишок газу починає виділятися бурхливо, іноді збиваючи, як розкрита пляшка шампанського. З'являються бульбашки можуть фізично деформувати тканини, закупорювати судини і позбавляти їх постачання кров'ю, приводячи до найрізноманітніших і часто тяжких симптомів. На щастя, фізіологи розібралися з цим механізмом досить швидко, і вже в 1890-х роках декомпрессионную хвороба вдавалося запобігти, застосовуючи поступове і обережне зниження тиску до норми - так, щоб азот виходив з організму поступово, а кров і інші рідини не «закипали» .

На початку ХХ століття англійський дослідник Джон Холдейн склав детальні таблиці з рекомендаціями щодо оптимальних режимів спуску і підйому, компресії і декомпресії. Експериментуючи з тваринами, а потім і з людьми - в тому числі з самим собою і своїми близькими, - Холдейн з'ясував, що максимальна безпечна глибина, яка не потребує декомпресії, становить близько 10 м, а при тривалому зануренні - і того менше. Повернення з глибини повинно проводитися поетапно і не поспішаючи, щоб дати азоту час вивільнитися, зате спускатися краще досить швидко, скорочуючи час надходження надлишкового газу в тканини організму. Людям відкрилися нові межі глибини.

Глибше 40 м

Гелій Боротьба з глибиною нагадує гонку озброєнь. Знайшовши спосіб подолати чергову перешкоду, люди робили ще кілька кроків - і зустрічали нову перешкоду. Так, слідом за кесонної хворобою відкрилася напасти, яку дайвери майже любовно звуть «азотної білочкою». Справа в тому, що в гіпербаричних умовах цей інертний газ починає діяти не гірше міцного алкоголю. У 1940-х п'янкий ефект азоту вивчав інший Джон Холдейн, син «того самого». Небезпечні експерименти батька його нітрохи не бентежили, і він продовжив суворі досліди на собі і колег. «У одного з наших піддослідних стався розрив легені, - фіксував вчений в журналі, - але зараз він видужує».

Незважаючи на всі дослідження, механізм азотного сп'яніння детально не встановлено - втім, те саме можна сказати і про дії звичайного алкоголю. І той і інший порушують нормальну передачу сигналів в синапсах нервових клітин, а можливо, навіть змінюють проникність клітинних мембран, перетворюючи іонообмінні процеси на поверхнях нейронів в повний хаос. Зовні те й інше проявляється теж схожим чином. Водолаз, «Слово азотну білочку», втрачає контроль над собою. Він може впасти в паніку і перерізати шланги або, навпаки, захопитися переказом анекдотів зграї веселих акул.

Наркотичною дією володіють і інші інертні гази, причому чим важче їх молекули, тим менший тиск потрібно для того, щоб цей ефект проявився. Наприклад, ксенон анестезує і при звичайних умовах, а більш легкий аргон - тільки при декількох атмосферах. Втім, ці прояви глибоко індивідуальні, і деякі люди, занурюючись, відчувають азотне сп'яніння набагато раніше за інших.

Позбутися від анестезуючого дії азоту можна, знизивши його надходження в організм. Так працюють дихальні суміші нітроксе, що містять збільшену (іноді до 36%) частку кисню і, відповідно, знижена кількість азоту. Ще більш цікавим було б перейти на чистий кисень. Адже це дозволило б вчетверо зменшити обсяг дихальних балонів або вчетверо збільшити час роботи з ними. Однак кисень - елемент активний, і при тривалому вдиханні - токсичний, особливо під тиском.

Чистий кисень викликає сп'яніння і ейфорію, веде до пошкодження мембран в клітинах дихальних шляхів. При цьому брак вільного (відновленого) гемоглобіну ускладнює виведення вуглекислого газу, призводить до гіперкапнії і метаболічного ацидозу, запускаючи фізіологічні реакції гіпоксії. Людина задихається, не дивлячись на те що кисню його організму цілком достатньо. Як встановив той же Холдейн-молодший, вже при тиску в 7 атм дихати чистим киснем можна не довше кількох хвилин, після чого починаються порушення дихання, конвульсії - все те, що на дайверским сленгу називається коротким словом «блекаут».

рідинне дихання

Поки що полуфантастический підхід до підкорення глибини полягає у використанні речовин, здатних взяти на себе доставку газів замість повітря - наприклад, замінника плазми крові перфторана. У теорії, легкі можна заповнити цієї блакитним рідиною і, насичуючи киснем, прокачувати її насосами, забезпечуючи дихання взагалі без газової суміші. Втім, цей метод залишається глибоко експериментальним, багато фахівців вважають його і зовсім тупиковим, а, наприклад, в США застосування перфторану офіційно заборонено.

Тому парціальний тиск кисню при диханні на глибині підтримується навіть нижче звичайного, а азот замінюють на безпечний і не викликає ейфорії газ. Краще за інших підійшов би легкий водень, якщо б не його вибухонебезпечність в суміші з киснем. В результаті водень використовується рідко, а звичайним замінником азоту в суміші став другий за легкістю газ, гелій. На його основі виробляють киснево-гелієві або киснево-гелієво-азотні дихальні суміші - Геліокс і трімікс.

Глибше 80 м

Складні суміші Тут варто сказати, що компресія і декомпресія при тисках в десятки і сотні атмосфер затягується надовго. Настільки, що робить роботу промислових водолазів - наприклад, при обслуговуванні морських нафтовидобувних платформ - малоефективною. Час, проведений на глибині, стає куди коротше, ніж довгі спуски і підйоми. Вже півгодини на 60 м виливаються в більш ніж годинну декомпресію. Після півгодини на 160 м для повернення знадобиться більше 25 годин - а адже водолазам доводиться спускатися і нижче.

Тому вже кілька десятиліть для цих цілей використовують глибоководні барокамери. Люди живуть в них часом цілими тижнями, працюючи позмінно і здійснюючи екскурсії назовні через шлюзовий відсік: тиск дихальної суміші в «житло» підтримується рівним тиску водного середовища навколо. І хоча декомпресія при підйомі зі 100 м займає близько чотирьох діб, а з 300 м - більше тижня, пристойний термін роботи на глибині робить ці втрати часу цілком виправданими.

Методи тривалого перебування в середовищі з підвищеним тиском пророблялися з середини ХХ століття. Великі гіпербаричної комплекси дозволили створювати потрібний тиск в лабораторних умовах, і відважні випробувачі того часу встановлювали один рекорд за іншим, поступово переходячи і в море. У 1962 році Роберт Стенюі провів 26 годин на глибині 61 м, ставши першим акванавтам, а трьома роками пізніше шестеро французів, дихаючи трімікс, прожили на глибині 100 м майже три тижні.

Тут почалися нові проблеми, пов'язані з тривалим перебуванням людей в ізоляції і в виснажливо некомфортною обстановці. Через високу теплопровідність гелію водолази втрачають тепло з кожним видихом газової суміші, і в їх «будинку» доводиться підтримувати стабільно спекотну атмосферу - близько 30 ° C, а вода створює високу вологість. Крім того, низька щільність гелію змінює тембр голосу, серйозно ускладнюючи спілкування. Але навіть всі ці труднощі разом узяті не поставили б межа нашим пригодам в гіпербаричної світі. Є обмеження і важливіші.

Глибше 600 м

Межа В лабораторних експериментах окремі нейрони, що ростуть «в пробірці», погано переносять екстремально високий тиск, демонструючи безладну гіперзбудливість. Схоже, що при цьому помітно змінюються властивості ліпідів клітинних мембран, так що протистояти цим ефектам неможливо. Результат можна спостерігати і в нервовій системі людини під величезним тиском. Він починає раз у раз «відключатися», впадаючи в короткочасні періоди сну або ступору. Сприйняття не може, тіло охоплює тремор, починається паніка: розвивається нервовий синдром високого тиску (НСВД), обумовлений самою фізіологією нейронів.

Навіщо дихати з закритим носом Крім легких, в організмі є і інші порожнини, що містять повітря. Але вони повідомляються з навколишнім середовищем дуже тонкими каналами, і тиск в них вирівнюється далеко не моментально. Наприклад, порожнини середнього вуха з'єднуються з носоглоткою лише вузькою евстахиевой трубою, яка до того ж часто забивається слизом. Пов'язані з цим незручності знайомі багатьом пасажирам літаків, яким доводиться, щільно закривши ніс і рот, різко видихнути, зрівнюючи тиск вуха і зовнішнього середовища. Водолази теж застосовують таке «продування», а при нежиті намагаються зовсім не занурюватися.

Додавання до киснево-гелієвої суміші невеликих (до 9%) кількостей азоту дозволяє дещо послабити ці ефекти. Тому рекордні занурення на Геліокс досягають планки 200-250 м, а на Азотомісткі трімікс - близько 450 м у відкритому морі і 600 м в компресійної камері. Законодавцями в цій області стали - і до сих пір залишаються - французькі Акванавт. Чергування повітря, складних дихальних сумішей, хитрих режимів занурення і декомпресії ще в 1970-х дозволило водолазам подолати планку в 700 м глибини, а створену учнями Жака Кусто компанію COMEX зробило світовим лідером в водолазному обслуговуванні морських нафтовидобувних платформ. Деталі цих операцій залишаються військової і комерційною таємницею, тому дослідники інших країн намагаються наздогнати французів, рухаючись своїми шляхами.

Намагаючись опуститися глибше, радянські фізіологи вивчали можливість заміни гелію більш важкими газами, наприклад неоном. Експерименти по імітації занурення на 400 м в киснево-неонової атмосфері проводились в гіпербаричної комплексі московського Інституту медико-біологічних проблем (ІМБП) РАН і в секретному «підводному» НДІ-40 Міністерства оборони, а також в НДІ океанології ім. Ширшова. Однак тяжкість неону продемонструвала свою зворотну сторону.

Можна підрахувати, що вже при тиску 35 атм щільність киснево-неонової суміші дорівнює щільності киснево-гелієвої приблизно при 150 атм. А далі - більше: наші повітроносні шляхи просто не пристосовані для «прокачування» такий густий середовища. Випробувачі ІМБП повідомляли, що, коли легені і бронхи працюють з настільки щільною сумішшю, виникає дивне і важке відчуття, «ніби ти не дихаєш, а п'єш повітря». У спати досвідчені водолази ще здатні з цим впоратися, але в періоди сну - а на таку глибину не дістатися, не витративши довгі дні на спуск і підйом - вони раз у раз прокидаються від панічного відчуття задухи. І хоча військовим акванавтам з НДІ-40 вдалося досягти 450-метрової планки і отримати заслужені медалі Героїв Радянського Союзу, принципово це питання не вирішило.

Нові рекорди занурення ще можуть бути поставлені, але ми, мабуть, підібралися до останньої межі. Нестерпна щільність дихальної суміші, з одного боку, і нервовий синдром високих тисків - з іншого, мабуть, ставлять остаточний межа подорожей людини під екстремальним тиском.

За допомогу в підготовці статті автор дякує завідуючого Відділом фізіолог, баротерапії і водолазної медицини ІМБП РАН Володимира Комаревцева

Стаття «Під тиском» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2016 ).

Виживання під водою | Журнал Популярна Механіка

Дихайте глибше: людина спускається на глибину, недоступну атомним підводним човнам.

Ми живемо на планеті води, але земні океани знаємо гірше, ніж деякі космічні тіла. Більше половини поверхні Марса артографіровано з роздільною здатністю близько 20 м - і тільки 10-15% океанського дна вивчені при вирішенні хоча б 100 м. На Місяці побувало 12 осіб, на дні Маріанської западини - троє, і всі вони не сміли і носа висунути з надміцних батискафів.

занурюємося

Головна складність в освоєнні Світового океану - це тиск: на кожні 10 м глибини воно збільшується ще на одну атмосферу. Коли рахунок доходить до тисяч метрів і сотень атмосфер, змінюється все. Рідини течуть інакше, незвично поводяться гази ... Апарати, здатні витримати ці умови, залишаються штучним продуктом, і навіть найсучасніші субмарини на такий тиск не розраховані. Гранична глибина занурення новітніх АПЛ проекту 955 «Борей» становить всього 480 м.

Водолазів, що спускаються на сотні метрів, шанобливо звуть акванавтам, порівнюючи їх з завойовниками космосу. Але безодня морів по-своєму небезпечніше космічного вакууму. Якщо щось трапиться, що працює на МКС екіпаж зможе перейти в пристикований корабель і через кілька годин виявиться на поверхні Землі. Водолазам цей шлях закритий: щоб евакуюватися з глибини, можуть знадобитися тижні. І термін цей не скоротити ні за яких обставин.

Втім, на глибину існує й альтернативний шлях. Замість того щоб створювати все більш міцні корпусу, можна відправити туди ... живих водолазів. Рекорд тиску, перенесеного випробувачами в лабораторії, майже вдвічі перевищує здатності підводних човнів. Тут немає нічого неймовірного: клітини всіх живих організмів заповнені тієї ж водою, яка вільно передає тиск у всіх напрямках.

Клітини не протистоять водного стовпа, як тверді корпусу субмарин, вони компенсують зовнішній тиск внутрішнім. Недарма мешканці «чорних курців», включаючи круглих черв'яків і креветок, прекрасно себе почувають на багатокілометрової глибині океанського дна. Деякі види бактерій непогано переносять навіть тисячі атмосфер. Людина тут не виняток - з тією лише різницею, що йому потрібне повітря.

під поверхнею

Кисень Дихальні трубки з очерету були відомі ще могіканами Фенімора Купера. Сьогодні на зміну порожнистим стебел рослин прийшли трубки із пластику, «анатомічної форми» і з зручними загубника. Однак ефективності їм це не додало: заважають закони фізики та біології.

Вже на метровій глибині тиск на грудну клітку піднімається до 1,1 атм - до самого повітрю додається 0,1 атм водяного стовпа. Дихання тут вимагає помітного зусилля міжреберних м'язів, і впоратися з цим можуть тільки треновані атлети. При цьому навіть їх сил вистачить ненадовго і максимум на 4-5 м глибини, а новачкам важко дається дихання і на півметра. До того ж чим довше трубка, тим більше повітря міститься в ній самій. «Робочий» дихальний обсяг легенів становить в середньому 500 мл, і після кожного видиху частина відпрацьованого повітря залишається в трубці. Кожен вдих приносить все менше кисню і все більше вуглекислого газу.

Щоб доставляти свіже повітря, потрібна примусова вентиляція. Нагнітаючи газ під підвищеним тиском, можна полегшити роботу м'язам грудної клітини. Такий підхід застосовується вже не одне століття. Ручні насоси відомі водолазам з XVII століття, а в середині XIX століття англійські будівельники, що зводили підводні фундаменти для опор мостів, вже довго працювали в атмосфері стисненого повітря. Для робіт використовувалися товстостінні, відкриті знизу підводні камери, в яких підтримували високий тиск. Тобто кесони.

Глибше 10 м

Азот Під час роботи в самих кесонах ніяких проблем не виникало. Але ось при поверненні на поверхню у будівельників часто розвивалися симптоми, які французькі фізіологи Поль і Ваттель описали в 1854 році як On ne paie qu'en sortant - «розплата на виході». Це міг бути сильний свербіж шкіри або запаморочення, болі в суглобах і м'язах. У найважчих випадках розвивалися паралічі, наступала втрата свідомості, а потім і загибель.

Обладунок проти тиску Щоб вирушити на глибину без будь-яких складнощів, пов'язаних з екстремальним тиском, можна використовувати надміцні скафандри. Це надзвичайно складні системи, що витримують занурення на сотні метрів і зберігають всередині комфортне тиск в 1 атм. Правда, вони досить дорогі: наприклад, ціна недавно представленого скафандра канадської фірми Nuytco Research Ltd. EXOSUIT становить близько мільйона доларів.

Проблема в тому, що кількість розчиненого в рідині газу прямо залежить від тиску над нею. Це стосується і повітря, який містить близько 21% кисню і 78% азоту (іншими газами - вуглекислим, неоном, гелієм, метаном, воднем і т. Д. - можна знехтувати: їх зміст не перевищує 1%). Якщо кисень швидко засвоюється, то азот просто насичує кров та інші тканини: при підвищенні тиску на 1 атм в організмі розчиняється додатково близько 1 л азоту.

При швидкому зниженні тиску надлишок газу починає виділятися бурхливо, іноді збиваючи, як розкрита пляшка шампанського. З'являються бульбашки можуть фізично деформувати тканини, закупорювати судини і позбавляти їх постачання кров'ю, приводячи до найрізноманітніших і часто тяжких симптомів. На щастя, фізіологи розібралися з цим механізмом досить швидко, і вже в 1890-х роках декомпрессионную хвороба вдавалося запобігти, застосовуючи поступове і обережне зниження тиску до норми - так, щоб азот виходив з організму поступово, а кров і інші рідини не «закипали» .

На початку ХХ століття англійський дослідник Джон Холдейн склав детальні таблиці з рекомендаціями щодо оптимальних режимів спуску і підйому, компресії і декомпресії. Експериментуючи з тваринами, а потім і з людьми - в тому числі з самим собою і своїми близькими, - Холдейн з'ясував, що максимальна безпечна глибина, яка не потребує декомпресії, становить близько 10 м, а при тривалому зануренні - і того менше. Повернення з глибини повинно проводитися поетапно і не поспішаючи, щоб дати азоту час вивільнитися, зате спускатися краще досить швидко, скорочуючи час надходження надлишкового газу в тканини організму. Людям відкрилися нові межі глибини.

Глибше 40 м

Гелій Боротьба з глибиною нагадує гонку озброєнь. Знайшовши спосіб подолати чергову перешкоду, люди робили ще кілька кроків - і зустрічали нову перешкоду. Так, слідом за кесонної хворобою відкрилася напасти, яку дайвери майже любовно звуть «азотної білочкою». Справа в тому, що в гіпербаричних умовах цей інертний газ починає діяти не гірше міцного алкоголю. У 1940-х п'янкий ефект азоту вивчав інший Джон Холдейн, син «того самого». Небезпечні експерименти батька його нітрохи не бентежили, і він продовжив суворі досліди на собі і колег. «У одного з наших піддослідних стався розрив легені, - фіксував вчений в журналі, - але зараз він видужує».

Незважаючи на всі дослідження, механізм азотного сп'яніння детально не встановлено - втім, те саме можна сказати і про дії звичайного алкоголю. І той і інший порушують нормальну передачу сигналів в синапсах нервових клітин, а можливо, навіть змінюють проникність клітинних мембран, перетворюючи іонообмінні процеси на поверхнях нейронів в повний хаос. Зовні те й інше проявляється теж схожим чином. Водолаз, «Слово азотну білочку», втрачає контроль над собою. Він може впасти в паніку і перерізати шланги або, навпаки, захопитися переказом анекдотів зграї веселих акул.

Наркотичною дією володіють і інші інертні гази, причому чим важче їх молекули, тим менший тиск потрібно для того, щоб цей ефект проявився. Наприклад, ксенон анестезує і при звичайних умовах, а більш легкий аргон - тільки при декількох атмосферах. Втім, ці прояви глибоко індивідуальні, і деякі люди, занурюючись, відчувають азотне сп'яніння набагато раніше за інших.

Позбутися від анестезуючого дії азоту можна, знизивши його надходження в організм. Так працюють дихальні суміші нітроксе, що містять збільшену (іноді до 36%) частку кисню і, відповідно, знижена кількість азоту. Ще більш цікавим було б перейти на чистий кисень. Адже це дозволило б вчетверо зменшити обсяг дихальних балонів або вчетверо збільшити час роботи з ними. Однак кисень - елемент активний, і при тривалому вдиханні - токсичний, особливо під тиском.

Чистий кисень викликає сп'яніння і ейфорію, веде до пошкодження мембран в клітинах дихальних шляхів. При цьому брак вільного (відновленого) гемоглобіну ускладнює виведення вуглекислого газу, призводить до гіперкапнії і метаболічного ацидозу, запускаючи фізіологічні реакції гіпоксії. Людина задихається, не дивлячись на те що кисню його організму цілком достатньо. Як встановив той же Холдейн-молодший, вже при тиску в 7 атм дихати чистим киснем можна не довше кількох хвилин, після чого починаються порушення дихання, конвульсії - все те, що на дайверским сленгу називається коротким словом «блекаут».

рідинне дихання

Поки що полуфантастический підхід до підкорення глибини полягає у використанні речовин, здатних взяти на себе доставку газів замість повітря - наприклад, замінника плазми крові перфторана. У теорії, легкі можна заповнити цієї блакитним рідиною і, насичуючи киснем, прокачувати її насосами, забезпечуючи дихання взагалі без газової суміші. Втім, цей метод залишається глибоко експериментальним, багато фахівців вважають його і зовсім тупиковим, а, наприклад, в США застосування перфторану офіційно заборонено.

Тому парціальний тиск кисню при диханні на глибині підтримується навіть нижче звичайного, а азот замінюють на безпечний і не викликає ейфорії газ. Краще за інших підійшов би легкий водень, якщо б не його вибухонебезпечність в суміші з киснем. В результаті водень використовується рідко, а звичайним замінником азоту в суміші став другий за легкістю газ, гелій. На його основі виробляють киснево-гелієві або киснево-гелієво-азотні дихальні суміші - Геліокс і трімікс.

Глибше 80 м

Складні суміші Тут варто сказати, що компресія і декомпресія при тисках в десятки і сотні атмосфер затягується надовго. Настільки, що робить роботу промислових водолазів - наприклад, при обслуговуванні морських нафтовидобувних платформ - малоефективною. Час, проведений на глибині, стає куди коротше, ніж довгі спуски і підйоми. Вже півгодини на 60 м виливаються в більш ніж годинну декомпресію. Після півгодини на 160 м для повернення знадобиться більше 25 годин - а адже водолазам доводиться спускатися і нижче.

Тому вже кілька десятиліть для цих цілей використовують глибоководні барокамери. Люди живуть в них часом цілими тижнями, працюючи позмінно і здійснюючи екскурсії назовні через шлюзовий відсік: тиск дихальної суміші в «житло» підтримується рівним тиску водного середовища навколо. І хоча декомпресія при підйомі зі 100 м займає близько чотирьох діб, а з 300 м - більше тижня, пристойний термін роботи на глибині робить ці втрати часу цілком виправданими.

Методи тривалого перебування в середовищі з підвищеним тиском пророблялися з середини ХХ століття. Великі гіпербаричної комплекси дозволили створювати потрібний тиск в лабораторних умовах, і відважні випробувачі того часу встановлювали один рекорд за іншим, поступово переходячи і в море. У 1962 році Роберт Стенюі провів 26 годин на глибині 61 м, ставши першим акванавтам, а трьома роками пізніше шестеро французів, дихаючи трімікс, прожили на глибині 100 м майже три тижні.

Тут почалися нові проблеми, пов'язані з тривалим перебуванням людей в ізоляції і в виснажливо некомфортною обстановці. Через високу теплопровідність гелію водолази втрачають тепло з кожним видихом газової суміші, і в їх «будинку» доводиться підтримувати стабільно спекотну атмосферу - близько 30 ° C, а вода створює високу вологість. Крім того, низька щільність гелію змінює тембр голосу, серйозно ускладнюючи спілкування. Але навіть всі ці труднощі разом узяті не поставили б межа нашим пригодам в гіпербаричної світі. Є обмеження і важливіші.

Глибше 600 м

Межа В лабораторних експериментах окремі нейрони, що ростуть «в пробірці», погано переносять екстремально високий тиск, демонструючи безладну гіперзбудливість. Схоже, що при цьому помітно змінюються властивості ліпідів клітинних мембран, так що протистояти цим ефектам неможливо. Результат можна спостерігати і в нервовій системі людини під величезним тиском. Він починає раз у раз «відключатися», впадаючи в короткочасні періоди сну або ступору. Сприйняття не може, тіло охоплює тремор, починається паніка: розвивається нервовий синдром високого тиску (НСВД), обумовлений самою фізіологією нейронів.

Навіщо дихати з закритим носом Крім легких, в організмі є і інші порожнини, що містять повітря. Але вони повідомляються з навколишнім середовищем дуже тонкими каналами, і тиск в них вирівнюється далеко не моментально. Наприклад, порожнини середнього вуха з'єднуються з носоглоткою лише вузькою евстахиевой трубою, яка до того ж часто забивається слизом. Пов'язані з цим незручності знайомі багатьом пасажирам літаків, яким доводиться, щільно закривши ніс і рот, різко видихнути, зрівнюючи тиск вуха і зовнішнього середовища. Водолази теж застосовують таке «продування», а при нежиті намагаються зовсім не занурюватися.

Додавання до киснево-гелієвої суміші невеликих (до 9%) кількостей азоту дозволяє дещо послабити ці ефекти. Тому рекордні занурення на Геліокс досягають планки 200-250 м, а на Азотомісткі трімікс - близько 450 м у відкритому морі і 600 м в компресійної камері. Законодавцями в цій області стали - і до сих пір залишаються - французькі Акванавт. Чергування повітря, складних дихальних сумішей, хитрих режимів занурення і декомпресії ще в 1970-х дозволило водолазам подолати планку в 700 м глибини, а створену учнями Жака Кусто компанію COMEX зробило світовим лідером в водолазному обслуговуванні морських нафтовидобувних платформ. Деталі цих операцій залишаються військової і комерційною таємницею, тому дослідники інших країн намагаються наздогнати французів, рухаючись своїми шляхами.

Намагаючись опуститися глибше, радянські фізіологи вивчали можливість заміни гелію більш важкими газами, наприклад неоном. Експерименти по імітації занурення на 400 м в киснево-неонової атмосфері проводились в гіпербаричної комплексі московського Інституту медико-біологічних проблем (ІМБП) РАН і в секретному «підводному» НДІ-40 Міністерства оборони, а також в НДІ океанології ім. Ширшова. Однак тяжкість неону продемонструвала свою зворотну сторону.

Можна підрахувати, що вже при тиску 35 атм щільність киснево-неонової суміші дорівнює щільності киснево-гелієвої приблизно при 150 атм. А далі - більше: наші повітроносні шляхи просто не пристосовані для «прокачування» такий густий середовища. Випробувачі ІМБП повідомляли, що, коли легені і бронхи працюють з настільки щільною сумішшю, виникає дивне і важке відчуття, «ніби ти не дихаєш, а п'єш повітря». У спати досвідчені водолази ще здатні з цим впоратися, але в періоди сну - а на таку глибину не дістатися, не витративши довгі дні на спуск і підйом - вони раз у раз прокидаються від панічного відчуття задухи. І хоча військовим акванавтам з НДІ-40 вдалося досягти 450-метрової планки і отримати заслужені медалі Героїв Радянського Союзу, принципово це питання не вирішило.

Нові рекорди занурення ще можуть бути поставлені, але ми, мабуть, підібралися до останньої межі. Нестерпна щільність дихальної суміші, з одного боку, і нервовий синдром високих тисків - з іншого, мабуть, ставлять остаточний межа подорожей людини під екстремальним тиском.

За допомогу в підготовці статті автор дякує завідуючого Відділом фізіолог, баротерапії і водолазної медицини ІМБП РАН Володимира Комаревцева

Стаття «Під тиском» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2016 ).