Могут ли люди дышать жидкостью, как в триллере «Бездна»?

В конце подводного триллера Джеймса Кэмерона «Бездна» (1989 год) дайвер Бад Бригман, которого играет Эд Харрис, надевает экспериментальный водолазный костюм, в котором вместо воздуха он дышит специальной жидкостью, насыщенной кислородом. Это позволяет ему избежать смертельных последствий экстремального давления воды и спуститься на дно глубокой океанской впадины, чтобы обезвредить ядерную боеголовку. И хотя это, безусловно, запоминающийся сюжетный элемент, такая технология может существовать только в научной фантастике, не так ли?

Ну, не совсем. Дыхательная жидкость, представленная в фильме, насыщенный кислородом перфторуглерод, действительно существует. И хотя во время съёмок сцены в водолазном костюме Эду Харрису приходилось задерживать дыхание, более ранний эпизод, в котором крысу погрузили в дыхательную жидкость, был настоящим. «Бездна», безусловно, является самым известным изображением жидкостного дыхания; тем не менее, учёные экспериментируют с этой технологией уже больше века. И хотя она, возможно, не совсем готова для использования в глубоководных погружениях, она может иметь жизненно важное применение в области медицины.

Первые эксперименты с жидкостным дыханием были проведены после Первой мировой войны, когда врачи начали исследовать насыщенные кислородом физрастворы для лечения солдат, лёгкие которых были повреждены ядовитым газом. Но лишь в разгар холодной войны, в конце 1950-х годов, учёные приступили к более серьёзным и тщательным исследованиям, поскольку ВМС США искали способы, которые позволили бы морякам спастись с тонущей подводной лодки, не пострадав от декомпрессионной болезни.

Декомпрессионная болезнь – это состояние, возникающее в результате вдыхания воздуха под давлением. По мере того как дайвер спускается всё глубже и глубже, давление воды возрастает; в тканях организма происходит накопление большого количества азота. Если он решит слишком быстро подняться на поверхность, внезапное падение давления приведёт к высвобождению азота из раствора и образованию мелких пузырьков, которые могут вызвать сильную боль в суставах, воздушную эмболию, инсульт и смерть. Следовательно, дайверам приходится медленно подниматься и часто останавливаться для декомпрессии, чтобы позволить азоту постепенно покинуть организм. Но если бы вместо воздуха дайвер дышал насыщенной кислородом жидкостью, то давление внутри и снаружи лёгких было бы одинаковым, что препятствовало бы накоплению азота и исключило бы необходимость декомпрессии. Жидкостное дыхание также помогло бы уменьшить или устранить другие опасности глубокого погружения, включая азотное отравление, вызванное вдыханием азота под давлением. Сам кислород также становится опасным ниже определённой глубины – явление, известное как кислородная токсичность. Чтобы избежать нежелательных воздействий, дайверы используют различные смеси дыхательных газов, такие как «Гелиокс» или «Тримикс»; они разбавляют кислород и азот гелием. Но даже это работает только до определённого момента, так как ниже 160 метров вдыхание гелия вызывает сильную дрожь и другие симптомы, известные как неврологический синдром высокого давления. В результате максимальная глубина, на которую может опуститься дайвер, дышащий газом под давлением, составляет 701 метр – и то только в барокамере.

В 1962 году команде под руководством доктора Йоханнеса Клистры из Университета Дьюка удалось заставить мышей и других мелких животных дышать насыщенным кислородом физраствором под давлением 160 атмосфер, достаточным для растворения кислорода в жидкости. И хотя дыхание удавалось поддерживать таким образом около часа, животные вскоре умерли от респираторного ацидоза – или, проще говоря, отравления углекислым газом. Это выявило один из основных недостатков жидкостного дыхания, который с тех пор мучает исследователей: дыхательная жидкость способна легко доставлять достаточное количество кислорода в организм, однако она гораздо менее эффективна при удалении выдыхаемого углекислого газа. Чтобы предотвратить ацидоз, среднестатистическому человеку необходимо пропускать через лёгкие пять литров дыхательной жидкости в минуту во время покоя и десять литров, выполняя тот или иной вид физической активности – скорость потока, которую человеческие лёгкие не смогут выдержать. Таким образом, любая практическая система жидкостного дыхания должна активно закачивать и выкачивать жидкость из лёгких подобно аппаратам искусственной вентиляции, используемым в больницах.

В 1966 году американские исследователи Лиланд Кларк и Фрэнк Голлан совершили прорыв в области исследований жидкостного дыхания, заменив насыщенный кислородом физраствор Клистры экзотической жидкостью под названием перфторуглерод (ПФУ). Впервые разработанный в рамках Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны, ПФУ представляет собой бесцветную жидкость, состоящую из элементов углерода и фтора. Связь между этими двумя элементами является одной из самых сильных в природе, что делает ПФУ нереактивным и биологически инертным. Он в два раза превышает плотность воды, но обладает на четверть большей вязкостью, что позволяет ей удерживать почти в 20 раз больше кислорода и углекислого газа. Эти свойства делают её идеальной в качестве дыхательной жидкости. Первые эксперименты Кларка и Голлана включали простое погружение крыс и мышей в насыщенный кислородом ПФУ, в котором они дышали естественным образом. И хотя высокая плотность жидкости затрудняла дыхание, животные могли пробыть в полном погружении до 20 часов без каких-либо вредных последствий. Более крупным животным требовалась принудительная вентиляция, чтобы предотвратить накопление углекислого газа. Эксперименты на собаках, которым ввели обезболивающие, ещё раз продемонстрировали жизнеспособность ПФУ в качестве дыхательной жидкости.

В скором времени Клистра продолжил работу Кларка и Голлана. В период с 1969 по 1975 год он провёл одно из самых тщательных исследований жидкостного дыхания в истории, в котором в качестве подопытных использовались как животные, так и люди. В ходе этого исследования водолаз ВМС США Фрэнсис Дж. Фалейчик стал первым человеком, который дышал как насыщенным кислородом физраствором, так и ПФУ. Несмотря на то, что Фалейчик не получал никаких лекарств, кроме местной анестезии для облегчения интубации, он не испытывал чрезмерного дискомфорта, однако учёные столкнулись с трудностями при откачке жидкости из его лёгких, в результате у него развилась пневмония. В 1971 году Фалейчик прочитал лекцию о своём опыте. На ней присутствовал 17-летний Джеймс Кэмерон. Вдохновившись, он написал короткий рассказ, который в конечном итоге станет сценарием для «Бездны». Исследования Клистры показали, что человек может дышать ПФУ без каких-либо последствий (имеется в виду отравление углекислым газом) в течение часа при условии, что он не слишком усердствует. Этот факт делает жидкостное дыхание возможным методом спасения с тонущей подводной лодки. Клистра также экспериментировал с эмульсиями из ПФУ и гидроксида натрия, которые позволили бы легче удалять углекислый газ из кровотока. Тем не менее, ни один из этих методов никогда не применяли в реальных ситуациях. Морские котики, как сообщается, экспериментировали с жидкостным дыханием в начале 1980-х годов. Однако дыхание ПФУ оказалась настолько напряжённым, что несколько дайверов получили травмы (включая переломы) рёбер от усилий, прилагаемых во время выполнения упражнений.

Одно из предлагаемых решений проблемы ацидоза – оснащение водолазов венозным шунтирующим устройством, которое удаляет углекислый газ непосредственно из кровотока. К сожалению, медицинские и логистические проблемы в данном случае довольно очевидны, и жидкостному дыханию ещё предстоит пройти долгий путь, прежде чем оно станет жизнеспособной техникой для глубоководного погружения. Однако оно может сыграть важную роль в медицине, особенно в уходе за недоношенными детьми.

Наши лёгкие содержат около полумиллиарда альвеол, крошечных тканевых мешочков, через которые кислород всасывается в кровь. Чтобы они не «схлопывались» сами по себе, организм вырабатывает вещество, называемое лёгочным сурфактантом. Это смесь липидов, которая снижает поверхностное натяжение воды и позволяет альвеолам оставаться открытыми. Однако недоношенные дети не способны вырабатывать достаточное количество лёгочного сурфактанта, и как только они рождаются, большая часть их альвеол разрушается, что затрудняет дыхание. В то время как традиционные аппараты искусственной вентиляции уже давно используются, чтобы помочь дышать недоношенным детям, высокое давление, создаваемое ими, может серьёзно повредить нежные лёгкие. Однако, наполняя лёгкие дыхательной жидкостью, жидкостная вентиляция воссоздаёт условия, существующие в утробе матери, и позволяет альвеолам открываться, существенно увеличивая газообмен. Эта методика также обеспечивает удобное введение лекарств непосредственно в лёгкие.

Неонатальная жидкостная вентиляция была впервые введена Дж. С. Гринспеном из Университетской больницы Темпл в Филадельфии. В 1989 году он назначил 13 недоношенным детям жидкостную вентиляцию лёгких продолжительностью от 24 до 96 часов. В итоге все они быстро перешли на дыхание воздухом, а у 11 из них отмечалось заметное улучшение функции лёгких (шесть младенцев, однако, позже умерли от причин, не связанных с экспериментом). Аналогичное исследование, проведённое Р. Б. Хиршлем в 1995 году при участии 19 взрослых, детских и неонатальных пациентов подтвердило жизнеспособность жидкостной вентиляции, причём 11 из 19 пациентов выжили, функционирование лёгких у них улучшилось.

Как бы там ни было, оборудование, необходимое для проведения полной жидкостной вентиляции, оказалось чрезмерно сложным и дорогим, поэтому в 1991 году Б. П. Фулман разработал более простую технику, известную как частичная жидкостная вентиляция, или ЧЖВ. При ЧЖВ лёгкие лишь частично заполняют дыхательной жидкостью, остальная часть снабжается воздухом с помощью обычного механического вентилятора. Это позволяет дыхательной жидкости открывать около 40% альвеол лёгких, обеспечивая при этом более эффективное удаление углекислого газа. Другой предложенный метод включает введение дыхательной жидкости в виде аэрозоля, смешанного с воздухом или кислородом, что даёт аналогичные результаты, будучи при этом гораздо более комфортным вариантом для пациентов, чем дыхание непосредственно жидкостью. В 1995 году Майк Дарвин и Стивен Харрис продемонстрировали применение жидкостного дыхания в индукции терапевтической гипотермии. Речь идёт об охлаждении человеческого тела после остановки сердца с целью замедлить начало повреждения мозга и других тканей. Путём наполнения лёгких охлаждённым ПФУ Дарвин и Харрис достигли скорости охлаждения 0,5 градуса Цельсия в минуту – быстрее, чем позволяет получить любая другая существующая техника. В результате этих и других прорывов Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США предоставило жидкостной перфузии статус «ускоренной разработки», чтобы как можно быстрее донести начать применять то, что может спасти не одну человеческую жизнь.

Таким образом, Джеймс Кэмерон ещё какое-то время не сможет погрузиться на дно Марианской впадины без причудливой подводной лодки, однако его, по крайней мере, может утешить тот факт, что технология, которая сильно вдохновила его в подростковом возрасте, может однажды спасти миллионы жизней.

Поделись

  • Спасибо!