С «ОТКРЫТЫМ ЗАБРАЛОМ»
В наш век, когда человечество располагает батискафами, и совершенным водолазным снаряжением, штурм морских глубин с «открытым забралом», то есть просто ныряние без всякого снаряжения, без всякого подводного оборудования, может показаться детской забавой. Однако изучение всех возможностей организма «безоружного» человека пробыть, какое-то время под водой заслуживает самого серьезного внимания. Ни один технический аппарат не застрахован от случайных аварий. Всегда может случиться, что человек окажется один на один с водной стихией.
На, какую глубину может спуститься, как долго может пробыть под водой человек, не пользующийся никакими дыхательными аппаратами?
Ныряльщик под водой лишен - возможности глотнуть свежего воздуха, и ему приходится жить лишь на запасах кислорода, содержащегося в его легких, крови, и тканях. Кроме того, с увеличением глубины его тело подвергается все более крепким объятиям водной среды через каждые 10 метров, отмеряемые по вертикали, давление возрастает на 1 атмосферу. Человек довольно легко выдерживает сильное всестороннее сжатие. Ведь ткани его тела более чем на 70% состоят из несжимаемой воды, и давление в них мгновенно уравнивается с внешним давлением. Но полость легких заполнена воздухом, который поддается сжатию. Повышение давления в полости легких ныряльщика сопровождается уменьшением их объема, а, следовательно, и объема грудной клетки.
Существует так называемый «физиологический предел ныряния» На этой критической глубине грудная клетка сжимается до своего минимально возможного объема (объема, который она занимала бы при полном выдохе на земле). При такой степени сжатия естественная подвижность грудной клетки полностью исчерпана. Дальнейшее сдавливание грудной клетки приводит к ее разрушению. Известны случаи, хотя, и редкие, когда такая печальная участь постигала искателей жемчуга, и губок.
Критическую глубину ныряния определить довольно просто. Перед погружением
О НАУКА. ДАЛЬНИЙ ПОИСК ныряльщик, как правило, до предела наполняет свои легкие воздухом. На критической глубине весь этот воздух сжимается до так называемого остаточного объема легких, то есть на этой глубине давление воды превышает атмосферное давление во столько раз, во сколько раз полная емкость легких больше их объема при максимальном выдохе. И вот, что удивительно, как бы ни была велика у человека полная емкость легких, она примерно всего лишь в 5 раз больше их остаточного объема. Пятикратное уменьшение объема воздуха в легких ныряльщика происходит на глубине 40 метров. Поэтому эта глубина, и считалась абсолютным пределом ныряния.
До недавнею времени считалось, что при погружении за «физиологический предел ныряния» травма грудной клетки неизбежна.
Однако американский ныряльщик Р. Крофт остался цел, и невредим после погружения на 73 метра! Также в добром здравии пребывают, и итальянец Э. Майорка, и француз Ж. Майоль, которые неоднократно ныряли на глубину свыше 70 метров. Для ныряльщика, котором перед стартом сделает полный выдох, погружение, казалось бы, вообще невозможно, поскольку в этом случае «физиологическим пределом ныряния» является нулевая глубина. Тем не менее некоторые ныряльщики, и в их числе автор статьи, совершали такие погружения.
Лишь совсем недавно удалось выяснить, чем объясняется столь неожиданный «резерв прочности» грудной клетки. От чрезмерного сдавливания ее защищает кровь. Когда человек погружается за «физиологический предел ныряния», уменьшение объема воздуха в легких компенсируется дополнительным притоком крови в сосуды легких из периферических органов. «Вакуум» заполняется изнутри. Поэтому объем содержимого полости грудной клетки сохраняется почти постоянным, что, и предотвращает ее разрушение.
Погрузившись на 73 метра, Р. Крофт превысил «физиологический предел ныряния» в 1,66 раза. И это, по-видимому, не является пределом возможностей человека. Не исключено, что для ныряльщиков окажутся доступными, и глубины свыше 100 метров. Если, например, у ныряльщика полная емкость легких - 7,5 литра, а их остаточный объем - 1,5 литра, и в процессе погружения в сосуды легких переместится 1 литр крови из периферических органов, то его грудная клетка выдержит давление воды на глубине 140 метров!
Рекордное погружение Крофта продолжалось более 2-х минут. «Прыжок» на глубину 140 метров потребует задержки дыхания примерно на 5 минут. Хорошо тренированному человеку такая задержка дыхания вполне по силам.
После предварительного дыхания чистым кислородом некоторым ныряльщикам удавалось просидеть на дне бассейна свыше 13 минут. Тем не менее пока еще преждевременно давать категоричное заключение о возможности человека задерживать дыхание на 5 - 6 минут при нырянии на глубину свыше 100 метров, поскольку при подобных погружениях возникает необычные для земных условий, и малых глубин особенности обмена газами между кровью, и легкими. Покорится ли ныряльщикам 100-метровый рубеж глубины, покажет будущее.
«МОРЕ ПО КОЛЕНО»
В наше время погружения под воду стали простым делом для миллионов любителей подводного спорта. Надел доспехи аквалангиста - и смело шагай во владения Нептуна. «Невесомость», легкость, и свобода передвижения создают впечатление о полном перевоплощении тебя в настоящего подводного жителя. Но увы.
Случается и так аквалангист был занят серьезной, и ответственной работой под водой - вдруг все заботы исчезли. Ему хочется петь и смеяться. Костюм, и маска немного стесняют движение. Снять их!.. «Для друга ничего не жаль и, по словам Кусто, любезно протягиваешь загубник проплывающей рыбе.»
Наступило глубинное опьянение. Иногда у человека при этом возникают зрительные и слуховые галлюцинации. Если не принять экстренных мер, то глубинное опьянение приведет к потере сознания.
В чем же тут дело? Аквалангисты все время дышат воздухом или искусственной газовой смесью, давление которых равно давлению окружающей воды. Таким образом, под водой условия газообмена организма с внешней средой существенно отличаются от условий газообмена в земной атмосфере. Возникает целый ряд сдвигов в деятельности организма человека. «Экстаз глубины», или глубинное опьянение, - одно из главных неблагоприятных последствий дыхания газовой смесью при повышенном давлении.
«Экстаз глубины» во многом напоминает состояние эйфории у человека под воздействием наркотика или же алкоголя. Существует масса всевозможных наркотиков, и в их разряд наряду с эфиром и закисью азота включены, и такие, казалось бы, безобидные газы, как азот, гелий, аргон и другие инертные газы.
Ленинградский профессор Н. В. Лазарев, и зарубежные ученые в экспериментах на животных установили, что наркотические свойства азота и ^лия достигают своей половинной мощности тогда, когда их парциальные давления * в дыхательных смесях составляют соответственно 18, и 163 атмосферы. Но практика показывает, что глубины, на которых у водолазов при дыхании воздухом начинают проявляться симптомы глубинного опьянения, составляют всего лишь 40 - 50 метров, а при дыхании гелиокислородной смесью, содержащей 8 - 10% кислорода, - 120 - 180 метров. На этих глубинах парциальные давления азота и гелия равны соответственно 4,0 - 4,8 атмосферы, и 12 - 17 атмосферам, то есть намного ниже указанных критических давлений.
Сам собой напрашивается вывод глубинное опьянение обусловлено не только наркотическими свойствами азота, гелия и других возможных разбавителей кислорода в дыхательных смесях.
Физиологи считают, что возникновению «экстаза глубины» способствуют также обилие кислорода в дыхательной смеси, и высокая плотность смеси.
В водолазной практике обычно используют дыхательные смеси, в которых процентное содержание кислорода постоянно. Значит, с увеличением глубины погружения парциальное давление кислорода в легких водолаза увеличивается. В то же время в крови и в тканях происходит накопление углекислого газа, поскольку выведение этого газа из организма становится затрудненным из-за возрастающей при погружении плотности дыхательной смеси. Обилие кислорода в легких, а также высокое содержание углекислого газа в крови, и тканях оказывают на организм водолаза токсическое воздействие и, по-видимому, способствуют возникновению глубинного опьянения на глубинах, на которых наркотические свойства инертных газов проявляются сравнительно слабо.
Каким же образом можно предотвратить глубинное опьянение?
Прежде всего использовать газы, которые по сравнению с азотом «менее наркотичны» и обладают меньшим молекулярным весом. Именно по этим причинам замена азота гелием позволила резко увеличить глубину погружения водолазов.
Другой способ - снижение концентрации кислорода в дыхательных смесях. Швейцарец X. Келлер, используя смесь, в которой на долю кислорода приходилось 5 процентов, а на долю азота - 95 процентов, достиг глубины 156 метров. Французские исследователи, занимающиеся вопросами создания оптимальной газовой среды для подводных домов, отмечают, что человек довольно хорошо переносит глубину 100 метров, если в гелиокислородной среде парциальное давление кислорода составляет 0,22 атмосферы. При увеличении парциального давления кислорода до 0,3 атмосферы (содержание кислорода в среде изменяется с 2 до 2,7%) У человека резко ухудшается самочувствие, и притупляется интеллектуальная деятельность. Эти симптомы являются, по-видимому, и предвестниками наступления «экстаза глубины» Поэтому было бы желательным на всех глубинах поддерживать парциальное давление кислорода в дыхательной смеси на уровне земной нормы.
Интересно обратить внимание на то, как профессиональные водолазы на практике избавляются от глубинного опьянения. «Захмелевшему» водолазу достаточно подняться на несколько метров вверх, как у него мгновенно бесследно исчезают все признаки опьянения. А опытные водолазы избавляются от опьянения, даже не двигаясь с места. Усилием воли они заставляют себя дышать более глубоко, и редко (5 - 6 вдохов в минуту). Такого же ритма дыхания придерживаются и спортсмены-аквалангисты. И некоторые из них, имея в баллонах обычный воздух, достигали глубины 130 - 140 метров.
Физиологическая сущность такого метода, по-видимому, заключается в том, что при сознательно поддерживаемом глубоком, и редком дыхании содержание кислорода, и углекислого газа в организме отклоняется от нормы гораздо меньше, чем при спонтанном (самопроизвольном) дыхании.
Глубинное опьянение является главным препятствием на пути человека в большие глубины. Из водолазов в пучину океана пока глубже всех опускался уже упомянутый нами Келлер. С аквалангом за спиной он побывал на глубине 305 метров. Состав дыхательной смеси он сохранил в тайне. Вероятнее всего, это была гелиокислородная смесь с очень низкой концентрацией кислорода, а может быть, и смесь, основой которой является водород.
Обнадеживающие результаты по предотвращению глубинного опьянения получены сотрудниками Кусто. В их опытах козы (а они, как известно, реагируют на погружение примерно так же, как, и человек) в течение четырех дней находились в камере, где давление составляло 81 атмосферу (глубина 800 метров). В опытах американских ученых обезьяна успешно выдержала давление 67 атмосфер. Животное дышало смесью кислорода с водородом. Другая группа американских ученых убедилась в том, что у белых мышей сохраняется нормальная жизнедеятельность при повышении давления до 122 атмосфер.
Кусто намерен расширить исследования по борьбе с «экстазом глубины» у человека. По его заказу уже построена специальная камера с рабочим давлением до 150 атмосфер. В такой камере можно имитировать погружение на глубину до 1 500 метров.
КОГДА «ВСКИПАЕТ» КРОВЬ
Водолаз преодолел глубинное опьянение, и вернулся на поверхность, чувствуя себя вполне здоровым. Но здесь у него иногда внезапно появляется ломота в суставах, кожный зуд, возникает одышка, и общая слабость. Так, в лучшем случае, проявляется кессонное (декомпрессионное) заболевание. Бывает, что «зелома» (как еще называют эту болезнь в просторечии) вызывает паралич рук, ног, а иногда, и приводит к смерти.
Кессонное заболевание - это еще одно опасное последствие того, что человеку на глубине приходится дышать воздухом или его заменителем под высоким давлением. Дело в том, что содержание азота в тканях человеческого тела определяется его парциальным давлением в легких. На земле в теле взрослого человека растворено около 1 литра азота. Под водой при дыхании воздухом происходит дополнительное насыщение организма азотом. На глубине 10 метров количество азота в организме водолаза почти удваивается, на глубине 20 метров - утраивается, и так далее. На любой глубине ткани тела полностью насыщаются азотом за 24 часа, однако уже за первый час они поглощают половину максимально возможной дозы.
На поверхности поглощенный во время погружения азот становится для организма лишним грузом кровь, и ткани тела оказываются пересыщенными этим газом. При быстром подъеме водолаза избыточный азот может вспениться тысячами пузырьков, которые разрывают ткани, и образуют пробки в кровеносных сосудах. Точно так же ведет себя гелий, и другие газы, которые могут быть разбавителями кислорода в дыхательной смеси. В большинстве зарегистрированных случаев кессонное заболевание возникало после погружения на глубину свыше 12,5 метра.
Вот почему человеку, окончившему работу под водой, не скажут такие слова «Кончил дело - поднимайся смело!» Водолаз надолго остается пленником глубины - ему приходится выходить на поверхность медленно, и делать длительные остановки на определенных уровнях. Только при строгом соблюдении установленных правил подъема (режима декомпрессии) избытки газа выделяются из организма без опасного образования газовых пузырьков.
Чем больше глубина, и чем дольше человек пробыл на ней, тем больше времени занимает подъем на поверхность. Так, например, за 20-минутное пребывание на глубине 60 метров водолаз расплачивается 40 минутами декомпрессии. Согласно существующим таблицам декомпрессии, после 24-часового пребывания на глубине 180 метров необходимо подниматься на поверхность в течение 6 дней, а подъем с глубин свыше 200 метров должен исчисляться неделями. Понятно, что необходимость длительной декомпрессии существенно снижает эффективность труда водолазов.
Насыщение организма водолаза индифферентным газом является, как бы данью уважения принципу «Природа не терпит пустоты» Остановить процесс насыщения организма газом невозможно. А нельзя ли в, какой-то мере замедлить его?
Японские водолазы после 30-минутного пребывания на глубине 50 - 70 метров поднимаются на поверхность за 2 - 3 минуты, и у них не отмечается никаких декомпрессионных расстройств. В чем же тут дело? Оказывается, японцы, работая под водой, дышат очень редко 5 - 6 вдохов в минуту. При таком ритме дыхания через легкие прогоняется меньшее количество азота. Поэтому, и уменьшается поступление этого газа в кровь, и другие ткани.
При таком редком дыхании газообмен человека под водой в, какой-то мере приближается к газообмену китов, и дельфинов, у которых, как известно, не возникает ни глубинного опьянения, ни кессонной болезни. Очевидно, количество азота, содержащегося в легких ныряющих животных, оказывается недостаточным для того, чтобы вызвать опасное пересыщение тканей тела. Вот почему управление своим дыханием отчасти избавляет водолаза, как от опасности глубинного опьянения, так, и от угрозы кессонного заболевания.
Но с ростом глубины погружения количество азота или гелия в легких водолаза увеличивается даже при редком дыхании. Более медленно, но увеличивается. Поэтому при длительных глубоководных погружениях эффективность управляемого дыхания снижается.
А существуют ли безопасные способы ускоренного вымывания азота (или гелия) из организма при подъеме на поверхность?
Отсутствие азота в дыхательной смеси приводит к полному вымыванию его из организма человека. Этот процесс происходит, например, при дыхании чистым кислородом. Подобное действие оказывает, и гелиокислородная смесь. Правда, в этом случае наряду с вымыванием азота будет идти процесс насыщения тканей гелием.
Легкие газы проникают в ткани, и покидают их быстрее, чем тяжелые. Все газы, которые могут служить разбавителями кислорода в дыхательной смеси, в соответствии со скоростью насыщения ими тканей организма располагаются в такой последовательности водород, гелий, неон, азот, аргон, криптон, ксенон.
Умелая игра на специфике насыщения организма различными газами, по-видимому, и позволила Келлеру осуществить скоростные подъемы с больших глубин. В принципе его метод декомпрессии довольно прост. При подъеме на, какой-то глубине гелий в дыхательной смеси заменяется другим газом, например, азотом. Ткани тела начинают избавляться от гелия, причем быстрее, чем в них успевает накапливаться азот. На следующем этапе подъема водолаз переключается на дыхание аргонокислородной смесью. В это время аргон в ткани поступает с меньшей скоростью, чем из них выделяются гелий, и азот. Наконец, на последнем этапе подают чистый кислород, после чего водолаз выходит на поверхность. Все это дает возможность увеличить безопасную скорость подъема или сократить время остановок.
Различные комбинации дыхательных смесей Келлер испытал не только на самом себе. Совместно с доктором Бюльманом он провел большую проверку нового метода декомпрессии. Было 14 испытуемых, из них три женщины. Опыты проводились в камере высокого давления Международного медицинского института в Цюрихе. Основой дыхательных смесей служил один из газов азот, аргон или гелий.
Согласно таблицам водолазной службы США, после двухчасового пребывания на глубине 39 метров время декомпрессии водолаза составляет три с половиной часа. В опытах Келлера испытуемые «поднимались» за 15 минут, и у них не отмечалось декомпрессионных расстройств. Особо интересными были глубоководные «спуски» После 5-минутного пребывания под давлением в 31 атмосферу (глубина 300 метров) «подъем» продолжался 4,5 часа.
Еще в 1962 году в своих рекламных «погружениях» - перед Кусто в Тулоне, и перед специалистами водолазного дела США в Вашингтоне - Келлер продемонстрировал рекордную скорость «подъема» С глубины 240 метров он «поднялся» за 47 минут, а с глубины 300 метров - за один час. По нашему мнению, в этих действиях Келлера не было неоправданного риска. Он, вероятно, применял более широкий ассортимент индифферентных газов в дыхательных смесях. Кроме того, перед всеми своими погружениями он длительное время дышит чистым кислородом, освобождаясь таким образом от азота, неизбежно присутствующего в тканях тела. Возможно, что Келлер не забывает, и о редком дыхании, которое уменьшает насыщение организма индифферентными газами во время спуска, и пребывания на предельной глубине.
ОТ ВИЗИТОВ К ПОСЕЛЕНИЮ В ГЛУБИНАХ
Разве обязательно после окончания рабочего дня под водой нужно спешить в свое земное жилище? Ведь можно временно поселиться, и в подводном доме - в доме, где атмосфера имеет такое же давление, как окружающая его вода, и куда можно входить, не заботясь о режимах декомпрессии.
Такие дома, и даже целые подводные деревни уже не раз спускались в морские глубины. Пионер подводного градостроительства Жак-Ив Кусто в 1965 году осуществил свою третью экспедицию - «Преконтинент III». В сферической стальной хижине шесть французских акванавтов в течение трех недель трудились на глубине 100 метров. Со временем французы намерены обжить подводный дом на глубине 350 метров. По словам Кусто, обитатели этого дома смогут опускаться до глубины 450 метров.
В том же 1965 году на глубине 63 метра американцы установили свою вторую подводную лабораторию - «Силэб-2» Каждая из трех смен акванавтов, состоящая из 10 человек, пробыла под водой 15 дней. А космонавт Скотт Карпентер жил там в течение целого месяца!
В феврале 1969 года на глубину 183 метра была опущена сделанная по последнему слову техники 8-местная лаборатория «Си-лэб-3» Находившиеся в ней акванавты заметили утечку газа, и вызвали с поверхности аварийный отряд. Совершенно неожиданно для всех един из членов этого отряда погиб от сердечного приступа в тот момент, когда он устранял неисправности оболочки лаборатории. Эксперимент пришлось отложить. Этот трагический случай, по-видимому, повлечет за собой пересмотр всей американской программы подводных исследований, и задержит намеченный спуск под воду еще более комфортабельной многоместной лаборатории «Сихэб»
Заложены первые камни в фундаменте подводного градостроительства, и в нашей стране. В 1966 году в водах Черного моря, у Крымского побережья, на глубине 12 метров появилось подводное жилище «Ихтиандр» Затем близ Сухуми на глубину 25 метров была опущена подводная лаборатория Ленинградского гидрометеорологического института, которую окрестили именем былинного героя «Садко»
В последующие годы были осуществлены эксперименты «Ихтиандр-67», «Садко-2» «Ихтиандр-68», «Садко-3». В течение трех сезонов московские энтузиасты подводного плавания пользовались услугами пневматического дома «Спрут» С 1968 года действует подводная лаборатория Института океанологии АН СССР «Черномор»
- Сейчас уже накоплен большой опыт практических, и научных работ под водой. Но главное внимание во всех проводимых экспериментах уделяется вопросам адаптации человека к новому комплексу жизненных условий. Акванавту приходится приспосабливаться не только к необычным свойствам газовой среды, но и ко многому другому к изолированности от внешнего мира, холоду, к новому пищевому, и питьевому режиму, к перестройке двигательных навыков, приходится отказываться от многих индивидуальных привычек и прочее. Как показывают эксперименты, после 3 - 4-дневного пребывания под водой все показатели состояния акванавтов почти не отличаются от земной нормы. Так, что механизмы адаптации, которыми одарила человеке природа, выручают его, и в этой необычной обстановке.
Акванавт связан со своим жилищем крепкими узами. Все, что расположено выше дома, является для него запретной зоной, да и время пребывания в воде ограничено емкостью баллонов акваланга. На больших глубинах акванавт привязан к дому совсем по-настоящему дыхательными шлангами. Ведь запасов дыхательной смеси в аппарате с открытым циклом дыхания хватает лишь на считанные минуты. Но, главное, оставлять за собой веер пузырьков выдыхаемой смеси - слишком дорого э удовольствие, поскольку стоимость гелия, который составляет основу глубоководной дыхательной смеси, довольна высока. Поэтому выдыхаемая смесь по другому шлангу возвращается в дом для очистки от углекислого газа, а потом снова используется для дыхания.
Вполне понятно, что гораздо проще осуществить спуск водолаза на большие глубины из глубоководного корабля, чем с поверхности моря. Над практическим осуществлением такой идеи работает Жак Пиккар - покоритель самого глубокого каньона в ложе Мирового океана. Он успешно продолжает начатое его отцом, знаменитым швейцарским профессором Огюстом Пиккаром, исследование глубин с помощью аппаратов, изолирующих человека от влияния внешней среды. Жак Пиккар намеревается выпустить человека из своего мезоскафа на глубине 1 000 метров!
ЧЕЛОВЕК - ГОМОАКВДТИКУС!
Океан - колыбель всего живого на земле. В каждом обитателе суши течет частица крови далекого предка, когда-то жившего в воде. Но для человека, и земных млекопитающих этого слишком мало, чтобы чувствовать себя в воде, как рыбы. Том не менее есть такие животные, которые, как и человек, дышат атмосферным воздухом, но постоянно живут в воде, - киты, дельфины, моржи, тюлени.
Природа, очевидно, наделила этих прирожденных ныряльщиков мобильно действующими механизмами перекачки крови из периферических органов в сосуды легких, что предохраняет их грудную клетку от чрезмерного сдавливания на больших глубинах. Кашалоты, например, в поисках своего любимого лакомства - гигантских кальмаров - опускаются на глубину до двух километров! На этой глубине первоначальный объем воздуха в легких уменьшается в 200 раз. Какая грудная клетка могла бы выдержать такую степень сжатия?
С завидной легкостью кит опускается во мрак глубины на десятки минут, а иногда, и на час-полтора. Такая длительная задержка дыхания и большие затраты энергии на подобный промысел требуют огромных запасов кислорода в теле животного. И они у него есть. Причем 3м этих запасов аккумулированы миоглобином тканей.
Человеку, решившему овладеть глубинами океанов, есть чему поучиться, и, что перенять у ныряющих млекопитающих. Эти вопросы изучаются сотрудниками Института морфологии животных АН СССР С. Клейненбергом, В. Бельковичэм, А. Яблоковым. Ученые думают над тем, как увеличить запасы кислорода в теле чело века. Ведь содержание миоглобина в его тканях ничтожно.
Истинные обитатели водной среды извлекают кислород прямо из воды и в нее же выделяют образующийся в их теле углекислый газ. А нельзя ли этим способом газообмена воспользоваться, и человеку? Конечно, легкие не жабры. Но, может быть, и они способны извлекать из воды растворенный в ней кислород.
Исследованием такого необычного для земных существ способа газообмена занимаются ученые многих стран. Первые успешные эксперименты по дыханию водой осуществил профессор Лейденского университета Д. Килстра. Подопытные собаки, крысы, и мыши длительное время дышали водой, насыщенной кислородом под давлением 8 атмосфер. Правда, растворителем кислорода является не обычная вода, а физиологический раствор, что предотвращает вымывание солей из организма животных. Подобные опыты были проведены и советским ученым Владленом Козаком в Киеве.
Начавшееся широкое наступление на голубой континент уже приносит свои плоды. И нет сомнения в том, что дорога в глубины океана с каждым годом будет все более доступной для человека.
