"التنفس السائل" مناسب حاليًا للكلاب فقط. مثل سمكة في الماء
البحث العلمي لا يتوقف ولو ليوم واحد، بل يستمر التقدم، مما يمنح البشرية المزيد والمزيد من الاكتشافات الجديدة. يعمل مئات العلماء ومساعديهم في مجال دراسة الكائنات الحية وتصنيع المواد غير العادية. تجري الإدارات بأكملها تجارب للاختبار نظريات مختلفةوأحيانًا تدهش الاكتشافات الخيال - ففي النهاية ما يمكن للمرء أن يحلم به فقط يمكن أن يصبح حقيقة. إنهم يطورون أفكارًا، والأسئلة حول تجميد شخص ما في غرفة التبريد ثم إذابة الجليد عنه بعد قرن، أو حول إمكانية استنشاق السائل، ليست مجرد حبكة رائعة بالنسبة لهم. هُم عمل شاقيمكن أن تجعل هذه الأوهام تتحقق.
لطالما اهتم العلماء بالسؤال: هل يستطيع الإنسان أن يتنفس السائل؟
هل يحتاج الإنسان إلى التنفس السائل؟
إنهم لا يدخرون أي جهد ولا وقت ولا نقديلمثل هذه البحوث. ومن هذه الأسئلة التي شغلت العقول المستنيرة لعقود من الزمن ما يلي - هل التنفس السائل ممكن للإنسان؟ هل ستتمكن الرئتان من امتصاص الأكسجين ليس من سائل خاص؟ ولمن يشكك في الحاجة الحقيقية لهذا النوع من التنفس، يمكننا أن نذكر على الأقل 3 اتجاهات واعدةحيث سوف يخدم الشخص بشكل جيد. إذا، بالطبع، يمكنهم تنفيذها.
- الاتجاه الأول هو الغوص إلى أعماق كبيرة. كما تعلمون، عند الغوص، يتعرض الغواص لضغط البيئة المائية، وهو أكثر كثافة بـ 800 مرة من الهواء. وتزداد بمقدار 1 جو كل 10 أمتار من العمق. مثل هذه الزيادة الحادة في الضغط محفوفة بتأثير غير سار للغاية - فالغازات المذابة في الدم تبدأ في الغليان على شكل فقاعات. وتسمى هذه الظاهرة "مرض القيسون"، وغالبا ما يصيب أولئك الذين يمارسون الرياضة. أيضًا، أثناء السباحة في أعماق البحار، هناك خطر التسمم بالأكسجين أو النيتروجين، لأنه في مثل هذه الظروف تصبح هذه الغازات الحيوية سامة للغاية. من أجل مكافحة ذلك بطريقة أو بأخرى، يستخدمون إما مخاليط تنفس خاصة أو بدلات فضائية صلبة تحافظ على ضغط جوي واحد بالداخل. لكن لو كان التنفس السائل ممكنا لكان الحل الثالث والأسهل للمشكلة، لأن تنفس السائل لا يشبع الجسم بالنيتروجين والغازات الخاملة، ولا داعي لتخفيف الضغط لفترة طويلة.
- الطريقة الثانية للتطبيق هي الطب. إن استخدام سوائل التنفس فيه يمكن أن ينقذ حياة الأطفال المبتسرين، لأن القصبات الهوائية لديهم متخلفة ويمكن لأجهزة تهوية الرئة الاصطناعية أن تلحق بهم الضرر بسهولة. كما هو معروف، تمتلئ رئتا الجنين بالسوائل في الرحم، وبحلول وقت الولادة، يتراكم الفاعل بالسطح الرئوي - وهو خليط من المواد التي تمنع الأنسجة من الالتصاق ببعضها البعض عند استنشاق الهواء. ولكن في حالة الولادة المبكرة، يتطلب التنفس الكثير من الجهد من جانب الطفل، وقد يؤدي ذلك إلى الوفاة.
هناك سابقة تاريخية لاستخدام طريقة التهوية السائلة الكلية للرئتين، ويعود تاريخها إلى عام 1989. تم استخدامه من قبل T. Shaffer، الذي عمل كطبيب أطفال في جامعة تمبل (الولايات المتحدة الأمريكية)، لإنقاذ الأطفال المبتسرين من الموت. ولكن للأسف، لم تنجح المحاولة، إذ لم ينج ثلاثة مرضى صغار، لكن الجدير بالذكر أن الوفيات جاءت لأسباب أخرى غير طريقة التنفس السائل نفسها.
منذ ذلك الحين، لم يجرؤوا على تهوية رئتي الشخص بشكل كامل، ولكن في التسعينيات، تعرض المرضى الذين يعانون من التهاب حاد للتهوية السائلة الجزئية. في هذه الحالة، تمتلئ الرئتان جزئيًا فقط. ولكن للأسف، كانت فعالية هذه الطريقة مثيرة للجدل، لأن تهوية الهواء التقليدية لم تكن أسوأ.
- التطبيق في الملاحة الفضائية. مع المستوى الحالي للتكنولوجيا، يواجه رائد الفضاء أثناء الرحلة حمولات زائدة تصل إلى 10 جرام. بعد هذه العتبة، من المستحيل الحفاظ ليس فقط على القدرة على العمل، ولكن أيضًا على الوعي. ويكون الحمل على الجسم غير متساوٍ، وعند نقاط الدعم التي يمكن التخلص منها عند غمرها في السائل، سيتم توزيع الضغط بالتساوي على جميع نقاط الجسم. هذا المبدأ هو الأساس لتصميم بدلة الفضاء الصلبة Libelle، المملوءة بالماء وتسمح بزيادة الحد الأقصى إلى 15-20 جم، وحتى ذلك الحين بسبب الكثافة المحدودة للأنسجة البشرية. وإذا لم تقم بغمر رائد الفضاء في السائل فحسب، بل قمت أيضًا بملء رئتيه به، فسيكون من الممكن بالنسبة له أن يتحمل بسهولة الأحمال الزائدة الشديدة التي تتجاوز علامة 20 جرامًا. ليس لا نهائيًا بالطبع، ولكن العتبة ستكون عالية جدًا إذا تم استيفاء شرط واحد - يجب أن يكون السائل الموجود في الرئتين وحول الجسم مساويًا في الكثافة للماء.
أصل وتطور التنفس السائل
تعود التجارب الأولى إلى الستينيات من القرن الماضي. أول من اختبر تقنية التنفس السائل الناشئة كانت الفئران والجرذان المختبرية، التي أجبرت على التنفس ليس بالهواء، ولكن بمحلول ملحي، والذي كان تحت ضغط 160 ضغطًا جويًا. وتنفسوا! ولكن كانت هناك مشكلة لم تسمح لهم بالبقاء على قيد الحياة في مثل هذه البيئة لفترة طويلة - فالسائل لم يسمح بإزالة ثاني أكسيد الكربون.
لكن التجارب لم تتوقف عند هذا الحد. بعد ذلك، بدأوا في إجراء أبحاث على المواد العضوية التي تم استبدال ذرات الهيدروجين بها بذرات الفلور - ما يسمى بالمركبات الكربونية الفلورية المشبعة. وكانت النتائج أفضل بكثير من تلك التي توصل إليها السائل القديم والبدائي، لأن البيرفلوروكربون خامل، ولا يمتصه الجسم، ويذيب الأكسجين والهيدروجين بشكل مثالي. لكنها كانت بعيدة عن الكمال واستمر البحث في هذا الاتجاه.
الآن أفضل إنجاز في هذا المجال هو بيرفلوبرون (الاسم التجاري - "Liquivent"). خصائص هذا السائل مذهلة:
- تنفتح الحويصلات الهوائية بشكل أفضل عندما يدخل هذا السائل إلى الرئتين ويتحسن تبادل الغازات.
- يمكن لهذا السائل أن يحمل أكسجينًا أكثر بمرتين مقارنة بالهواء.
- تسمح نقطة الغليان المنخفضة بإزالته من الرئتين عن طريق التبخر.
لكن رئتينا ليستا مصممتين للتنفس السائل بشكل كامل. إذا قمت بملئها بالكامل بالبيرفلوبرون، فستحتاج إلى مؤكسج غشائي وعنصر تسخين وتهوية هواء. ولا تنس أن هذا الخليط أسمك مرتين من الماء. ولذلك يتم استخدام التهوية المختلطة، حيث تمتلئ الرئتان بالسائل بنسبة 40% فقط.
ولكن لماذا لا نستطيع أن نتنفس السائل؟ كل هذا بسبب ثاني أكسيد الكربون، الذي يتم إزالته بشكل سيئ للغاية في البيئة السائلة. يجب على الشخص الذي يبلغ وزنه 70 كجم أن يمرر 5 لترات من الخليط من خلال نفسه كل دقيقة، وهذا في حالة الهدوء. لذلك، على الرغم من أن رئتينا قادرتان تقنيًا على استخلاص الأكسجين من السوائل، إلا أنهما ضعيفتان جدًا. لذلك لا يسعنا إلا أن نأمل في الأبحاث المستقبلية.
الماء مثل الهواء
لكي نعلن أخيرًا للعالم بفخر - "الآن يستطيع الإنسان أن يتنفس تحت الماء!" - قام العلماء في بعض الأحيان بتطوير أجهزة مذهلة. لذلك، في عام 1976، ابتكر علماء الكيمياء الحيوية من أمريكا جهازًا معجزة قادرًا على تجديد الأكسجين من الماء وتزويده للغواص. ومع سعة البطارية الكافية، يمكن للغواص البقاء والتنفس في العمق إلى أجل غير مسمى تقريبًا.
بدأ الأمر كله بحقيقة أن العلماء بدأوا بحثًا يعتمد على حقيقة أن الهيموجلوبين يوصل الهواء بشكل متساوٍ من الخياشيم والرئتين. لقد استخدموا دمهم الوريدي الممزوج بالبولي يوريثين - حيث تم غمره في الماء وهذا السائل يمتص الأكسجين الذي يذوب بسخاء في الماء. علاوة على ذلك، تم استبدال الدم بمادة خاصة، ونتيجة لذلك تم الحصول على جهاز يعمل مثل الخياشيم المعتادة لأي سمكة. مصير الاختراع هو كما يلي: حصلت عليه شركة معينة، بعد أن أنفقت مليون دولار عليه، ومنذ ذلك الحين لم يسمع أي شيء عن الجهاز. وبالطبع لم يتم طرحه للبيع.
ولكن هذا ليس ما هو عليه الهدف الرئيسيالعلماء. حلمهم ليس جهاز تنفس، بل يريدون تعليم الشخص نفسه أن يتنفس السائل. ولم يتم التخلي بعد عن محاولات تحقيق هذا الحلم. لذلك، أجرى أحد معاهد البحوث في روسيا، على سبيل المثال، اختبارات على التنفس السائل على متطوع مصاب بأمراض خلقية - غياب الحنجرة. وهذا يعني أنه ببساطة لم يكن لديه رد فعل الجسم تجاه السائل، حيث تكون أدنى قطرة ماء على القصبات الهوائية مصحوبة بضغط على الحلقة البلعومية والاختناق. وبما أنه ببساطة لم يكن لديه هذه العضلة، كانت التجربة ناجحة. تم سكب سائل في رئتيه، وخلطه طوال التجربة باستخدام حركات البطن، وبعد ذلك تم ضخه بهدوء وأمان. ومن المميزات أن التركيبة الملحية للسائل تتوافق مع التركيبة الملحية للدم. ويمكن اعتبار ذلك نجاحاً، ويزعم العلماء أنهم سيجدون قريباً طريقة للتنفس السائل، في متناول الناسبدون أمراض.
إذن أسطورة أم حقيقة؟
على الرغم من إصرار الإنسان، الذي يرغب بشغف في التغلب على جميع الموائل الممكنة، فإن الطبيعة نفسها لا تزال تقرر أين تعيش. للأسف، بغض النظر عن مقدار الوقت الذي يقضيه في البحث، بغض النظر عن عدد الملايين التي تنفق، فمن غير المرجح أن يكون الشخص مقدرًا للتنفس تحت الماء، وكذلك على الأرض. بالطبع، هناك الكثير من القواسم المشتركة بين البشر والحياة البحرية، ولكن لا يزال هناك الكثير من الاختلافات. لم يكن الإنسان البرمائي ليتحمل ظروف المحيط، ولو تمكن من التكيف، لكان طريق العودة إلى الأرض مغلقًا أمامه. وكما هو الحال مع الغواصين الذين يرتدون معدات الغوص، يخرج الأشخاص البرمائيون إلى الشاطئ ببدلات مائية. وبالتالي، بغض النظر عما يقوله المتحمسون، فإن حكم العلماء لا يزال حازما ومخيبا للآمال - حياة الإنسان على المدى الطويل تحت الماء مستحيلة، والخروج ضد الطبيعة الأم في هذا الصدد غير معقول، وجميع محاولات التنفس السائل محكوم عليها بالفشل.
ولكن لا تثبط. وعلى الرغم من أن قاع البحر لن يصبح وطننا أبدًا، إلا أننا نمتلك كل آليات الجسم والقدرات التقنية لنكون ضيوفًا متكررين هناك. فهل يستحق هذا أن نحزن عليه؟ بعد كل شيء، هذه البيئات قد غزاها الإنسان بالفعل إلى حد ما، والآن تكمن هاوية الفضاء الخارجي أمامه.
والآن يمكننا أن نقول بثقة أن أعماق المحيط ستصبح مكان عمل رائع بالنسبة لنا. لكن المثابرة يمكن أن تؤدي إلى خط رفيع للغاية من التنفس تحت الماء، إذا كنت تعمل فقط على حل هذه المشكلة. وماذا سيكون الجواب على سؤال ما إذا كان تغيير الحضارة الأرضية إلى تحت الماء يعتمد فقط على الشخص نفسه.
Ichthyanders بيننا. بدأ العلماء الروس في اختبار تكنولوجيا التنفس السائل بين الغواصات. يتم حاليًا إجراء التجارب على الكلاب. الرقم القياسي لاستنشاق السائل هو بالفعل 30 دقيقة. اكتشف مراسل Vesti FM سيرجي جولولوبوف كيف تنبض الحياة بالمعجزات من الروايات والأفلام.
مراقبة التجربة. يتم غمر الكلب الألماني في حمام سائل ووجهه لأسفل. والمثير للدهشة أن الكلب لم يختنق، بل بدأ يتنفس نفس السائل. ابتلاعها بشكل متشنج ورعشة. لكنها كانت تتنفس. وبعد 15 دقيقة تم سحبها. كان الكلب خاملًا، على الأرجح بسبب انخفاض حرارة الجسم، ولكن الأهم من ذلك أنه كان على قيد الحياة. وبعد مرور بعض الوقت، عادت إلى مزاجها المرح المعتاد. معجزة. وقد ظهر شيء مماثل في فيلم هوليوود الشهير The Abyss عام 1989. هناك، سكبوا بعض المواد المضافة في قارورة ماء ووضعوا فيها فأرًا أبيض. وتم تصوير كل شيء بشكل طبيعي. ومن المفترض أن الفأر يتنفس تحت الماء.
وخدعة هذه الحلقة من فيلم "الهاوية" هي أن الفأر لم يتنفس الماء في حد ذاته، بل بعض السوائل الخاصة. وهذا ما تقوم عليه تقنية التنفس السائل. وتعتبر مركبات البيرفلوروكربون من أنسب المواد لهذا الغرض. إنها تذوب الأكسجين وثاني أكسيد الكربون جيدًا ولا تضر الجسم. وهذا يعني أن الكائنات الحية لا تستنشق الماء، بل نفس الكربون السائل. لماذا يحتاج الناس إلى ذلك، قال طبيب أمراض الرئة، رئيس الموضوع العلمي عن التنفس السائل منذ الثمانينات أندريه فيليبينكو.
"هذا ضروري لإنقاذ الغواصات. عند الضغط المرتفع، إذا كان لديهم سائل في رئتيهم، وإذا استخرجوا الأكسجين من هذا السائل، فسيكونون قادرين على الخروج إلى أعماق كبيرة وبسرعة، دون أي مشاكل في تخفيف الضغط، والارتفاع إلى السطح.
ومن المعروف أن الغواصين وبحارة الغواصات يستغرقون ساعات للتعافي من الأعماق الكبيرة. إذا صعدت إلى السطح بسرعة، فسوف يتفوق عليك مرض تخفيف الضغط. فقاعات النيتروجين التي تدخل مجرى الدم مع الخليط التنفسي تغلي بسبب الانخفاض الحاد في الضغط وتدمر الأوعية الدموية. ويوضح أنه إذا استخدمت الجهاز مع سائل خاص للتنفس، فلن تنشأ هذه المشاكل أندريه فيليبينكو.
"إن سائل الفلوروكربون هو حامل، إذا جاز التعبير، للنيتروجين والأكسجين، أي الناقل. لكن على عكس النيتروجين، الذي يمر إلى أنسجة الجسم عند ضغط مرتفع، وفي العمق، وبسبب ذلك يحدث مرض الانحناء، ليس هذا هو الحال هنا. أي أنه لا يوجد سبب لمرض تخفيف الضغط. لا يوجد تشبع الجسم بالغاز الخامل. وهذا يعني أنه لا يوجد سبب أساسي لنشوء الفقاعات».
تم إجراء تجارب على التنفس السائل بشكل نشط منذ الستينيات في الاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة الأمريكية. لكن الأمور لم تذهب أبعد من التجارب على الحيوانات. وبعد انهيار الاتحاد، باءت أبحاثنا العلمية في هذا الاتجاه بالفشل. ولكن لا تزال هناك تطورات قوية للغاية. ويقول: والآن تقرر استخدامها بطريقة جديدة أندريه فيليبينكو.
"هناك الكثير من العمل الأساسي في مجال تكنولوجيا التنفس السائل والسوائل. وبالإضافة إلى ذلك، لا يزال لدينا عواقب هذه السوائل. لأن جميع مركبات الفلوروكربون التي تدخل الدم، ونحن نستخدم مثل هذه المادة منذ 25 عامًا، تخرج عبر الرئتين. وهذا يعني أننا نعرف أيضًا عواقب إدخال مركبات الكربون المشبعة بالفلور إلى الجسم. الأميركيون أو الفرنسيون أو البريطانيون ليس لديهم مثل هذه البيانات».
في الآونة الأخيرة، أنشأ العلماء الروس كبسولة خاصة للكلاب، والتي كانت مغمورة في غرفة مائية ضغط دم مرتفع. والآن تستطيع الكلاب التنفس لأكثر من نصف ساعة على عمق يصل إلى نصف كيلومتر دون عواقب صحية. ومن المخطط قريبًا الانتقال إلى التجارب على البشر. أسوأ شيء هو بالطبع أن تجبر نفسك على استنشاق السائل، كما يعتقد رئيس اتحاد الأنشطة تحت الماء في روسيا. فالنتين ستاشفسكي:
"عندما تستنشق الماء، يصبح الأمر مجرد كابوس. وهذا يعني الطريقة الأولى للغرق. وهذا هو الحال بالنسبة لجميع الأحداث التاريخية السابقة. ستختنق بمجرد دخول الماء الخطوط الجويةوما إلى ذلك وهلم جرا".
ومع ذلك، لدينا من يريد أن يصبح غرقًا فعليًا، ولكن في نفس الوقت يبدأ في التنفس مثل رجل برمائي، أو سادكو، كما يلاحظ أندريه فيليبينكو.
"هناك متطوعين. ولكن دعونا نوضح على الفور أن هؤلاء الأشخاص الذين يفهمون جيدًا ما يمكن أن يحدث هم فقط من يمكنهم التطوع هنا. وهذا هو، في الواقع، لا يمكن أن يكون هؤلاء الأطباء الذين قاموا بالكثير من التنفس السائل. هؤلاء هم الموجودون في فريقنا. وليس وحده. كل ما عليك فعله هو تنظيم كل شيء بشكل صحيح."
تم الآن نقل العمل على تنفس السوائل إلى معهد أبحاث الطب المهني. الهدف الرئيسي من البحث هو إنشاء بدلة فضائية خاصة ستكون مفيدة ليس فقط للغواصات، ولكن أيضًا للطيارين ورواد الفضاء. ولكن دعونا نكرر، نحن نتحدث عنحول تنفس السوائل الخاصة. التنفس المباشر مع الماء، مثل الإكثياندر، ليس متاحًا بعد للإنسان.
ربما تكون هذه عبارة مبتذلة في الخيال العلمي: تدخل مادة لزجة معينة بسرعة كبيرة إلى البدلة أو الكبسولة، و الشخصية الرئيسيةفجأة اكتشف مدى سرعة فقدانه للهواء المتبقي من رئتيه، وامتلاء أحشائه بسائل غير عادي يتراوح لونه بين الليمفاوية والدم. وفي النهاية، يصاب بالذعر، لكنه يأخذ بعض الرشفات الغريزية، أو بالأحرى يتنهد، ويتفاجأ عندما يكتشف أنه يستطيع أن يتنفس هذا الخليط الغريب كما لو كان يتنفس هواءً عاديًا.
هل نحن بعيدون عن إدراك فكرة التنفس السائل؟ هل من الممكن استنشاق خليط سائل، وهل هناك حاجة حقيقية لذلك؟ هناك ثلاث طرق واعدة لاستخدام هذه التكنولوجيا: الطب، والغوص إلى أعماق كبيرة، والملاحة الفضائية.
ويزداد الضغط الواقع على جسم الغواص كل عشرة أمتار في الغلاف الجوي. بسبب الانخفاض الحاد في الضغط، يمكن أن يبدأ مرض تخفيف الضغط، حيث تبدأ مظاهر الغازات المذابة في الدم في الغليان في الفقاعات. أيضًا ، مع ارتفاع ضغط الدم ، من الممكن التسمم بالأكسجين والنيتروجين المخدر. ويتم مكافحة كل ذلك باستخدام خلطات خاصة للتنفس، إلا أنها لا تقدم أي ضمانات، بل تقلل فقط من احتمالية حدوث ذلك. عواقب غير سارة. بالطبع، يمكنك استخدام بدلات الغوص التي تحافظ على الضغط على جسم الغواص وخليط تنفسه عند جو واحد بالضبط، لكنها بدورها كبيرة وضخمة وتجعل الحركة صعبة، كما أنها باهظة الثمن أيضًا.
يمكن أن يوفر التنفس السائل حلاً ثالثًا لهذه المشكلة مع الحفاظ على حركة بدلات الغوص المرنة والمخاطر المنخفضة لبدلات الضغط الصلبة. إن سائل التنفس، على عكس مخاليط التنفس باهظة الثمن، لا يشبع الجسم بالهيليوم أو النيتروجين، لذلك ليست هناك حاجة أيضًا إلى تخفيف الضغط البطيء لتجنب مرض تخفيف الضغط.
في الطب، يمكن استخدام التنفس السائل في علاج الأطفال المبتسرين لتجنب تلف القصبات الهوائية في الرئتين بسبب ضغط الهواء وحجمه وتركيز الأكسجين الناتج عن أجهزة تهوية الرئة الاصطناعية. اختر وحاول مخاليط مختلفةلضمان بقاء الجنين المبكر على قيد الحياة بدأ بالفعل في التسعينيات. من الممكن استخدام خليط سائل في حالات التوقف الكامل أو صعوبات التنفس الجزئية.
تتضمن الرحلات الفضائية أحمالًا زائدة عالية، وتقوم السوائل بتوزيع الضغط بالتساوي. إذا كان الشخص مغمورًا في سائل، فعند التحميل الزائد، سينتقل الضغط إلى جسده بالكامل، وليس إلى دعامات محددة (ظهور الكرسي، أحزمة الأمان). تم استخدام هذا المبدأ لإنشاء بدلة Libelle الزائدة، وهي بدلة فضائية صلبة مملوءة بالماء، والتي تسمح للطيار بالحفاظ على وعيه وأدائه حتى عند التحميل الزائد فوق 10 جرام.
هذه الطريقة محدودة بالاختلاف في كثافة أنسجة جسم الإنسان وسائل الغمر المستخدم، لذا فإن الحد هو 15-20 جم. ولكن يمكنك الذهاب إلى أبعد من ذلك وملء الرئتين بسائل قريب من كثافة الماء. إن رائد الفضاء المنغمس تمامًا في السائل والسائل الذي يتنفسه سيشعر بتأثيرات قوى الجاذبية العالية جدًا بشكل قليل نسبيًا، نظرًا لأن القوى الموجودة في السائل موزعة بالتساوي في جميع الاتجاهات، لكن التأثير سيظل بسبب الكثافات المختلفة لأنسجة الجسم. جسده. وسيظل الحد قائما، ولكنه سيكون مرتفعا.
تم إجراء التجارب الأولى على التنفس السائل في الستينيات على فئران التجارب والجرذان التي أُجبرت على استنشاق محلول ملحي يحتوي على نسبة عالية من الأكسجين المذاب. سمح هذا الخليط البدائي للحيوانات بالبقاء على قيد الحياة لفترة معينة من الوقت، لكنه لم يتمكن من إزالة ثاني أكسيد الكربون، لذلك تعرضت رئات الحيوانات لأضرار لا يمكن إصلاحها.
وفي وقت لاحق، بدأ العمل باستخدام مركبات البيرفلوروكربون، وكانت نتائجها الأولى بعيدة نتائج افضلتجارب مع محلول ملحي. مركبات الكربون المشبعة بالفلور هي المواد العضوية، حيث يتم استبدال جميع ذرات الهيدروجين بذرات الفلور. تتمتع مركبات البيرفلوروكربون بالقدرة على إذابة كل من الأكسجين وثاني أكسيد الكربون، وهي خاملة جدًا وعديمة اللون وشفافة ولا يمكنها إتلاف أنسجة الرئة ولا يمتصها الجسم.
منذ ذلك الحين، تم تحسين سوائل التنفس، والحل الأكثر تقدمًا حتى الآن يسمى بيرفلوبرون أو "Liquivent" (الاسم التجاري). هذا الزيتية السائل واضحمع كثافة ضعف كثافة الماء لديها الكثير صفات مفيدة: يمكن أن يحمل ضعف كمية الأكسجين التي يحملها الهواء العادي درجة حرارة منخفضةلذلك، بعد الاستخدام، تتم إزالته النهائية من الرئتين عن طريق التبخر. والحويصلات الهوائية، تحت تأثير هذا السائل، تنفتح بشكل أفضل، وتتمكن المادة من الوصول إلى محتوياتها، مما يحسن تبادل الغازات.
يمكن أن تمتلئ الرئتان بالسوائل تمامًا، وسيتطلب ذلك وجود مؤكسج غشائي وعنصر تسخين وتهوية قسرية. ولكن في الممارسة السريرية، في أغلب الأحيان لا يفعلون ذلك، ولكنهم يستخدمون التنفس السائل بالاشتراك مع تهوية الغاز التقليدية، وملء الرئتين بالبيرفلوبرون جزئيًا فقط، حوالي 40٪ من الحجم الإجمالي.
إطار من فيلم الهاوية 1989
ما الذي يمنعنا من استخدام التنفس السائل؟ سائل التنفس لزج ولا يزيل ثاني أكسيد الكربون جيدًا، لذلك ستكون هناك حاجة للتهوية القسرية. لإزالة ثاني أكسيد الكربون من شخص عاديسيتطلب وزن 70 كيلوجرامًا تدفقًا قدره 5 لترات في الدقيقة أو أكثر، وهذا كثير بالنظر إلى اللزوجة العالية للسوائل. في النشاط البدنيستزداد كمية التدفق المطلوبة فقط، ومن غير المرجح أن يتمكن الشخص من نقل 10 لترات من السائل في الدقيقة. إن رئتينا ببساطة ليست مصممة لتنفس السوائل وغير قادرة على ضخ مثل هذه الكميات بنفسها.
الاستخدام الصفات الإيجابيةقد تظل سوائل التنفس في الطيران والملاحة الفضائية حلمًا إلى الأبد - فالسائل الموجود في الرئتين لبدلة الحماية من الحمل الزائد يجب أن يكون بكثافة الماء، والبيرفلوبرون أثقل بمرتين منه.
نعم، رئتانا قادرتان تقنيًا على "تنفس" خليط معين غني بالأكسجين، لكن لسوء الحظ، في الوقت الحالي لا يمكننا القيام بذلك إلا لبضع دقائق، نظرًا لأن رئتينا ليست قوية بما يكفي لتدوير الخليط التنفسي. فترات ممتدةوقت. وقد يتغير الوضع في المستقبل، ولم يبق إلا أن نحول آمالنا إلى الباحثين في هذا المجال.
سيساعد نظام التنفس السائل الذي تطوره مؤسسة الأبحاث المتقدمة (APF) الغواصات على الصعود بسرعة إلى السطح دون الإصابة بمرض تخفيف الضغط. سيشارك الروبوت المجسم فيدور في اختبار مركبة فضائية روسية جديدة وقد يساعد روساتوم في التخلص من النفايات النووية. سيتم اختبار غاطسة شديدة العمق في قاع خندق ماريانا. وتحدث فيتالي دافيدوف، رئيس المجلس العلمي والتقني للمؤسسة، لإزفستيا عن مشاريع الصندوق.
- كم عدد المشاريع التي نفذها الصندوق وما هي المشاريع التي تود تسليط الضوء عليها؟
في مراحل مختلفةلدينا حوالي 50 مشروعًا قيد التنفيذ. وتم الانتهاء من 25 أخرى. يتم نقل النتائج التي تم الحصول عليها أو نقلها إلى العملاء. تم إنشاء متظاهرين تكنولوجيين، وتم الحصول على حوالي 400 نتيجة للنشاط الفكري. مجموعة المواضيع - من الغوص إلى قاع خندق ماريانا إلى الفضاء.
من المشاريع المنجزةويمكن للمرء أن يذكر، على سبيل المثال، اختبارات الصواريخ التي تم إجراؤها بنجاح في العام الماضي بالاشتراك مع الشركة الرائدة في تصنيع محركات الصواريخ NPO Energomash. محرك التفجير. في الوقت نفسه، ولأول مرة في العالم، تلقت المؤسسة وضع تشغيل مستقر لمتظاهر لمحرك تفجير الهواء. إذا كان الأول مخصصًا لتكنولوجيا الفضاء، فالثاني مخصص للطيران. ستواجه الطائرات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت والتي تستخدم مثل هذه الأنظمة العديد من المشاكل. على سبيل المثال، مع درجات حرارة عالية. وقد وجدت المؤسسة حلاً لهذه المشاكل من خلال استخدام تأثير الانبعاث الحراري – تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية. في الواقع، نحصل على الكهرباء لتشغيل أنظمة الجهاز وفي نفس الوقت نقوم بتبريد عناصر هيكل الطائرة والمحرك.
- ومن أشهر مشاريع المؤسسة هو الروبوت فيدور. هل انتهى؟
– نعم، تم الانتهاء من العمل على فيدور. ويتم الآن تسليم النتائج إلى وزارة حالات الطوارئ. علاوة على ذلك، اتضح أنها كانت ذات أهمية ليس فقط لوزارة حالات الطوارئ، ولكن أيضًا للوزارات الأخرى، وكذلك الشركات الحكومية. ربما سمع الكثيرون أن تقنيات فيدور ستستخدمها وكالة روسكوزموسلإنشاء روبوت اختباري يطير على متن طائرة روسية جديدة سفينة فضائية"الاتحاد". أبدت شركة روساتوم اهتمامًا كبيرًا بالروبوت. إنه يحتاج إلى تقنيات توفر القدرة على العمل في ظروف تشكل خطراً على الإنسان. على سبيل المثال، عند التخلص من النفايات النووية.
- هل من الممكن استخدام فيدور لإنقاذ أطقم الغواصات وفحص السفن الغارقة؟
يمكن استخدام التقنيات التي تم الحصول عليها أثناء إنشاء Fedor لأغراض مختلفة. وتقوم المؤسسة بتنفيذ عدد من المشاريع المتعلقة بالمركبات غير المأهولة تحت الماء. ومن حيث المبدأ، يمكن دمج تقنيات الروبوتات المجسمة فيها. بخاصة، ومن المخطط إنشاء مركبة تحت الماء للعمل في الأعماق القصوى. نعتزم اختباره في خندق ماريانا. وفي الوقت نفسه، لا نغرق في القاع فحسب، مثل أسلافنا، بل نوفر القدرة على التحرك في المنطقة القريبة من القاع والسلوك بحث علمي. لم يفعل أحد هذا بعد.
في الولايات المتحدة، يتم تطوير روبوت ذو أربع أرجل لنقل البضائع، BigDog. هل هناك تطورات مماثلة جارية في الصندوق؟
أما منصات المشي لحمل البضائع أو الذخيرة فلا تقوم المؤسسة بمثل هذه الأعمال. لكن بعض المنظمات التي نتعاون معها شاركت بشكل استباقي في تطورات مماثلة. يبقى السؤال حول ما إذا كانت هناك حاجة لمثل هذا الروبوت في ساحة المعركة مفتوحًا. في معظم الحالات، يكون استخدام المركبات ذات العجلات أو المجنزرة أكثر ربحية.
- ما هي المنصات الآلية التي يتم إنشاؤها في FPI، إلى جانب Fedor؟
نحن نعمل على تطوير مجموعة كاملة من المنصات لأغراض مختلفة. هذه هي الروبوتات الأرضية والجوية والبحرية. القيام بالاستطلاع ونقل البضائع وقادر أيضًا على إجراء العمليات قتال. ومن مجالات العمل في هذا المجال تحديد مظهر وطرق اختبار استخدام الطائرات بدون طيار، بما في ذلك الطائرات الجماعية. أعتقد أنه إذا استمر كل شيء بنفس الوتيرة، فسيكون هناك توسع كبير في استخدام الطائرات بدون طيار في المستقبل القريب، بما في ذلك المهام القتالية.
- تعمل شركة FPI على تطوير قمر صناعي للغلاف الجوي "Sova" - وهو عبارة عن طائرة كهربائية كبيرة. وكيف تسير محاكماته؟
-تم الانتهاء من اختبار المركبة الجوية بدون طيار Sova. تمت رحلة طويلة على ارتفاع حوالي 20 ألف متر، وللأسف سقط الجهاز في منطقة شديدة الاضطراب وتعرض لأضرار جسيمة. ولكن بحلول هذا الوقت، تلقينا بالفعل جميع البيانات اللازمة، كنا مقتنعين بكل من الطبيعة الواعدة لاتجاه البحث نفسه وصحة حلول التصميم المختارة. سيتم استخدام الخبرة المكتسبة لإنشاء واختبار جهاز بالحجم الكامل.
المؤسسة "روسكوزموس" NPO سميت باسمها. تجري Lavochkina تطوراً مماثلاً - حيث تقوم بإنشاء القمر الصناعي "Aist" للغلاف الجوي. هل تتابع تطورات منافسيك؟
نحن على علم بهذه الأعمال ونبقى على اتصال مع مطوري Aist. ولا يتعلق الأمر بالمنافسة، بل بالتكامل المتبادل.
هل يمكن استخدام مثل هذه الأجهزة في منطقة القطب الشمالي، حيث لا توجد اتصالات وبنية تحتية للإقلاع والهبوط المتكرر؟
يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه في الربيع والخريف، وحتى أكثر من ذلك خلال الليل القطبي، قد لا يتلقى "القمر الصناعي للغلاف الجوي" الطاقة اللازمة لشحن البطاريات. وهذا يحد من استخدامه.
في الآونة الأخيرة، تم عرض تقنيات التنفس السائل للجمهور - غمر الكلب الألماني في سائل خاص مشبع بالأكسجين. وأثارت مظاهرة "الغرق" موجة من الاحتجاجات. وهل سيستمر العمل في هذا الاتجاه بعد هذا؟
-يستمر العمل على التنفس السائل. واستنادا إلى تطورنا، يمكن إنقاذ آلاف الأرواح. ونحن لا نتحدث فقط عن الغواصات الذين، بفضل التنفس السائل، سيكونون قادرين على الارتفاع بسرعة إلى السطح دون عواقب في شكل مرض تخفيف الضغط. هناك عدد من أمراض وإصابات الرئة التي يمكن علاجها بنجاح عن طريق التنفس السائل. هناك احتمالات مثيرة للاهتمام لاستخدام تقنية التنفس السائل لتبريد الجسم بسرعة عندما يكون من الضروري إبطاء العمليات التي تحدث فيه.ويتم ذلك الآن من خلال التبريد الخارجي أو حقن محلول خاص في الدم. يمكنك أن تفعل الشيء نفسه، ولكن بشكل أكثر فعالية، عن طريق ملء رئتيك بخليط التنفس المبرد.
رئيس مختبر FPI لإنشاء التنفس السائل، أنطون تونشين، مع كلب ألماني يدعى نيكولاس، وبمساعدته قام علماء من مؤسسة الأبحاث المتقدمة (FPI) بدراسة إمكانيات التنفس السائل
وتجدر الإشارة إلى أنه لا يوجد أي ضرر على صحة الحيوانات المشاركة في هذه التجارب. كل "المجربين" على قيد الحياة.ويتم الاحتفاظ ببعضهم في المختبر حيث تتم مراقبة حالتهم. لقد أصبح الكثير منهم حيوانات أليفة للموظفين، ولكن يتم أيضًا مراقبة حالتهم بشكل دوري من قبل المتخصصين لدينا. تشير نتائج المراقبة إلى عدم وجود عواقب سلبية لتنفس السوائل. لقد أثبتت هذه التكنولوجيا نجاحها وانتقلنا إلى إنشاء أجهزة خاصة لتطبيقها العملي.
- متى ستنتقل إلى البحث عن التنفس السائل عند الإنسان؟
من الناحية النظرية، نحن مستعدون لمثل هذه التجارب، ولكن لبدءها، من الضروري على الأقل إنشاء واختبار المعدات المناسبة.
في وقت ما، طورت FPI منصة برمجية لتصميم معدات مختلفة، مصممة لتحل محل البرامج الأجنبية. هل يتم استخدامه في مكان ما؟
العمل على خلق بيئة موحدة للهندسة الروسية برمجةلقد اكتمل "المعشبة" حقًا. ويجري الآن النظر في مسألة استخدامه في روساتوم وروسكوزموس - لتصميم عينات واعدة من منتجات الصناعة النووية، فضلا عن تكنولوجيا الصواريخ والفضاء.
- هل يعمل الصندوق في مجال تقنيات الواقع المعزز؟
-نعم، يقوم الصندوق بمثل هذا العمل - على وجه الخصوص، مع كاماز. أنشأ أحد مختبراتنا نموذجًا أوليًا لنظارات الواقع المعزز التي توفر التحكم في تجميع مكونات السيارة. يخبرك البرنامج بالجزء الذي يجب أن تأخذه ومكان تثبيته. إذا اتخذ المشغل إجراءً غير صحيح، مثل التراجع النظام المعمول بهتجميع المنتج أو تثبيت عناصره بشكل غير صحيح، ويصدر تنبيه صوتي حول خطوة غير صحيحة، ويتم عرض معلومات حول الخطأ على النظارات.في هذه الحالة، يتم تسجيل حقيقة الإجراءات غير الصحيحة أو حتى محاولتها في مجلة إلكترونية. ونتيجة لذلك، يجب إنشاء نظام يلغي إمكانية التجميع غير الصحيح. ونعتزم في المستقبل تطوير هذا النظام في اتجاه التصغير واستبدال النظارات بأجهزة أكثر تقدما.
ترتبط آفاق تكنولوجيا الحوسبة الآن بالتطور أجهزة الكمبيوتر الكموميةوحماية المعلومات - باستخدام التشفير الكمي. هل تقوم FPI بتطوير هذه المناطق؟
تعمل المؤسسة في القضايا المتعلقة بالحوسبة الكمومية وإنشاء قاعدة العناصر المقابلة. أما بالنسبة للاتصالات الكمية، فالجميع يسمع عن تجارب زملائهم الصينيين. لكننا لا نقف مكتوفي الأيدي.
في خريف عام 2016، قدمت FPI وRostelecom نقلًا كميًا للمعلومات عبر كابل الألياف الضوئية بين نوجينسك وبافلوفسكي بوساد. كانت التجربة ناجحة. اليوم يمكنك بالفعل التحدث على هاتف كمي. ميزة هامةالنقل الكمي للمعلومات هو استحالة اعتراضها.
خلال التجربة المذكورة، تم توفير الاتصال الكمي على مسافة حوالي 30 كم. ومن الناحية الفنية، لا توجد مشاكل في تنفيذه على نطاق أكبر. نستعد لإجراء جلسة تواصل عبر قناة جوية. نحن نستكشف إمكانية إجراء تجربة على الاتصال الكمي من الفضاء باستخدام إمكانات محطة الفضاء الدولية.
يبدو أن الحياة على كوكبنا نشأت في الماء، في بيئة تكون فيها إمدادات الأكسجين شحيحة للغاية. عند الضغط الجوي، يبلغ محتوى الأكسجين في الهواء عند مستوى سطح البحر 200 ملليلتر لكل لتر، ويذوب أقل من سبعة ملليلتر من الأكسجين في لتر من الماء السطحي.
أول سكان كوكبنا، بعد أن تكيفوا مع البيئة المائية، يتنفس بالخياشيم، والغرض منه هو استخراج أكبر قدر ممكن من الأكسجين من الماء.
أثناء التطور، سيطرت الحيوانات على جو الأرض الغني بالأكسجين وبدأت في التنفس من خلال رئتيها. ظلت وظائف أعضاء الجهاز التنفسي كما هي.
في كل من الرئتين والخياشيم، يخترق الأكسجين من خلال أغشية رقيقة من البيئة إلى الأوعية الدموية، ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون من الدم إلى البيئة. لذلك، تحدث نفس العمليات في كل من الخياشيم والرئتين. وهذا يثير التساؤل: هل يستطيع الحيوان ذو الرئتين أن يتنفس في بيئة مائية إذا كانت تحتوي على كمية كافية من الأكسجين؟
الجواب على هذا السؤال جدير بالملاحظة لعدة أسباب. أولاً، يمكننا معرفة سبب اختلاف أعضاء الجهاز التنفسي للحيوانات البرية في البنية عن الأعضاء المقابلة لها في الحيوانات المائية.
بالإضافة إلى ذلك، فإن الإجابة على هذا السؤال ذات أهمية عملية بحتة. إذا تمكن شخص مدرب خصيصًا من التنفس في بيئة مائية، فسيسهل ذلك استكشاف أعماق المحيط والسفر إلى الكواكب البعيدة. كل هذا كان بمثابة الأساس لسلسلة من التجارب لدراسة إمكانية تنفس الثدييات البرية للماء.
مشاكل في تنفس الماء
تم إجراء التجارب في مختبرات في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية. إن استنشاق الماء له مشكلتان رئيسيتان. وقد سبق ذكر أحدهما: عند الضغط الجوي العادي، يكون هناك القليل جدًا من الأكسجين المذاب في الماء.
المشكلة الثانية هي أن الماء والدم سوائل لهما خصائص فسيولوجية مختلفة تمامًا. عند "استنشاقه"، يمكن أن يؤدي الماء إلى تلف أنسجة الرئة ويسبب تغيرات قاتلة في حجم وتكوين سوائل الجسم.
لنفترض أننا قمنا بإعداد محلول متساوي التوتر خاص، حيث يكون تكوين الأملاح هو نفسه الموجود في بلازما الدم. تحت ضغط عال، يتم تشبع المحلول بالأكسجين (تركيزه هو نفسه تقريبا كما هو الحال في الهواء). هل سيتمكن الحيوان من تنفس مثل هذا المحلول؟
تم إجراء التجارب الأولى من هذا القبيل في جامعة ليدن. ومن خلال غرفة معادلة الضغط المشابهة لقارب النجاة في الغواصة، تم إدخال الفئران إلى غرفة مليئة بمحلول معد خصيصًا وتم إدخال الأكسجين تحت الضغط. ومن خلال جدران الغرفة الشفافة كان من الممكن ملاحظة سلوك الفئران.
وفي اللحظات القليلة الأولى، حاولت الحيوانات الوصول إلى السطح، لكن الشبكة السلكية منعتها. وبعد الاضطرابات الأولى، هدأت الفئران ولم يبدو أنها تعاني كثيرًا في مثل هذه الحالة. وقاموا بحركات تنفس بطيئة ومنتظمة، ويبدو أنهم كانوا يستنشقون السائل وزفيره. بعضهم عاش في مثل هذه الظروف لعدة ساعات.
الصعوبة الرئيسية في تنفس الماء
وبعد سلسلة من التجارب، أصبح من الواضح أن العامل الحاسم الذي يحدد عمر الفئران ليس نقص الأكسجين (الذي يمكن إدخاله في المحلول في أي مكان). الكمية الصحيحةارتفاع بسيط في ضغطه الجزئي)، وصعوبة إخراج ثاني أكسيد الكربون من الجسم بالقدر المطلوب.
تم الاحتفاظ بالفأر الذي بقي على قيد الحياة لأطول فترة، 18 ساعة، في محلول أضيفت إليه كمية صغيرة من المخزن المؤقت العضوي، تريس (هيدروكسي ميثيل) أمينوميثان. هذا الأخير يقلل من الآثار الضارة لتراكم ثاني أكسيد الكربون في الحيوانات. كما ساهم خفض درجة حرارة المحلول إلى 20 درجة مئوية (حوالي نصف درجة حرارة الجسم الطبيعية للفأر) في إطالة العمر.
في هذه الحالة، كان هذا بسبب التباطؤ العام في عمليات التمثيل الغذائي.
عادة، يحتوي لتر الهواء الذي يزفره الحيوان على 50 ملليلتر من ثاني أكسيد الكربون. ومع تساوي جميع العوامل الأخرى (درجة الحرارة، والضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون)، فإن 30 ملليلتر فقط من هذا الغاز يذوب في لتر واحد من المحلول الملحي، المطابق في تركيبته الملحية للدم.
وهذا يعني أنه من أجل إطلاق الكمية المطلوبة من ثاني أكسيد الكربون، يجب على الحيوان أن يستنشق ضعف كمية الماء التي يستنشقها الهواء. (لكن ضخ السوائل عبر الأوعية القصبية يتطلب طاقة أكثر بـ 36 مرة، لأن لزوجة الماء أعلى بـ 36 مرة من لزوجة الهواء).
ومن هذا يتضح أنه حتى في حالة عدم وجود حركة مضطربة للسوائل في الرئتين، فإن تنفس الماء يتطلب طاقة أكبر بـ 60 مرة من تنفس الهواء.
لذلك، ليس من المستغرب أن تضعف حيوانات التجارب تدريجياً، ثم - بسبب الإرهاق وتراكم ثاني أكسيد الكربون في الجسم - يتوقف التنفس.
نتائج التجربة
وبناء على التجارب التي أجريت، كان من المستحيل الحكم على مقدار الأكسجين الذي يدخل إلى الرئتين، ومدى تشبع الدم الشرياني به، وما هي درجة تراكم ثاني أكسيد الكربون في دم الحيوانات. وبالتدريج توصلنا إلى سلسلة من التجارب الأكثر تقدمًا.
تم تنفيذها على الكلاب في خلية كبيرةمجهزة بمعدات إضافية. كانت الغرفة مملوءة بالهواء تحت ضغط 5 أجواء. وكان هناك أيضًا حمام بمحلول ملحي مشبع بالأكسجين. تم غمر حيوان تجريبي فيه. قبل التجربة، ومن أجل تقليل الطلب الإجمالي على الأكسجين في الجسم، تم تخدير الكلاب وتبريدها إلى 32 درجة مئوية.
أثناء الغوص، قام الكلب بحركات تنفس عنيفة. أظهرت قطرات الماء المتصاعدة من السطح بوضوح أنها كانت تضخ المحلول عبر رئتيها. وفي نهاية التجربة تم إخراج الكلب من الحمام وإزالة الماء من الرئتين وملئهما بالهواء مرة أخرى. ومن بين الحيوانات الستة التي تم اختبارها، نجا واحد. تنفس الكلب في الماء لمدة 24 دقيقة.
ويمكن صياغة نتائج التجربة على النحو التالي: في شروط معينةالحيوانات التي تتنفس الهواء يمكنها أن تتنفس الماء لفترة محدودة من الزمن. العيب الرئيسي لتنفس الماء هو تراكم ثاني أكسيد الكربون في الجسم.
خلال التجربة، كان ضغط الدم للكلب الباقي على قيد الحياة أقل بقليل من المعدل الطبيعي، لكنه ظل ثابتًا؛ كان النبض والتنفس بطيئين ولكن منتظمين، وكان الدم الشرياني مشبعًا بالأكسجين. يزداد محتوى ثاني أكسيد الكربون في الدم تدريجياً.
وهذا يعني أن التنفس القوي للكلب لم يكن كافيا لإزالة الكميات المطلوبة من ثاني أكسيد الكربون من الجسم.
سلسلة جديدة من تجارب تنفس الماء
في نيويورك جامعة الدولةواصلت عملي مع هيرمان ران، وإدوارد هـ. لانفير، وتشارلز ف. باجانيلي. في سلسلة جديدة من التجارب، تم استخدام الأدوات التي مكنت من الحصول على بيانات محددة عن تبادل الغازات الذي يحدث في رئتي الكلب عند استنشاق السائل. كما كان من قبل، تنفست الحيوانات محلول ملحي مشبع بالأكسجين تحت ضغط 5 أجواء.
تم تحديد تركيبة الغاز للسائل المستنشق والزفير عند مدخل وخروج المحلول من رئتي الكلاب. دخل السائل المؤكسج إلى جسم الكلب المخدر من خلال أنبوب مطاطي يتم إدخاله في القصبة الهوائية. تم التحكم في التدفق بواسطة مضخة صمام.
ومع كل شهيق يتدفق المحلول إلى الرئتين تحت تأثير الجاذبية، ومع الزفير يتدفق السائل إلى جهاز استقبال خاص وفق نفس المبدأ. تم تحديد كمية الأكسجين الممتصة في الرئتين وكمية ثاني أكسيد الكربون المنطلقة على أنها الفرق بين القيم المقابلة في الأحجام المتساوية من السائل المستنشق والزفير.
لم يتم تبريد الحيوانات. اتضح أنه في ظل هذه الظروف يستخرج الكلب نفس كمية الأكسجين من الماء تقريبًا كما يفعل عادة من الهواء. وكما هو متوقع، لم تقم الحيوانات بإخراج كمية كافية من ثاني أكسيد الكربون، لذلك زاد محتواه في الدم تدريجياً.
وفي نهاية التجربة التي استمرت حتى خمسة وأربعين دقيقة، تم إخراج الماء من رئتي الكلب عبر ثقب خاص في القصبة الهوائية. تم تطهير الرئتين بعدة أجزاء من الهواء. لم يتم تنفيذ أي إجراءات "إحياء" إضافية. نجا ستة من أصل ستة عشر كلبًا من التجربة دون عواقب واضحة.
تفاعل ثلاثة عناصر
يعتمد تنفس كل من الأسماك والثدييات على التفاعل المعقد لثلاثة عناصر:
1) احتياجات الجسم لتبادل الغازات،
2) الخصائص الفيزيائيةالبيئة و
3) هيكل أعضاء الجهاز التنفسي.
وللارتقاء فوق التقييم البديهي البحت لأهمية بنية العضو في عملية التكيف، من الضروري أن نفهم بدقة كل هذه التفاعلات. من الواضح أنه ينبغي طرح هذه الأسئلة. كيف ينتقل جزيء الأكسجين من البيئة إلى الدم؟ ما هو مسارها بالضبط؟ إن الإجابة على هذه الأسئلة أصعب بكثير مما قد يتصوره المرء.
عندما يتوسع الصدر، يدخل الهواء (أو الماء) إلى رئتي الحيوان. ماذا يحدث للسائل الذي يدخل إلى الأكياس الهوائية الحدودية للرئتين؟ دعونا ننظر إلى هذه الظاهرة باستخدام مثال بسيط.
إذا تم حقن كمية صغيرة من الحبر ببطء من خلال إبرة في حقنة مملوءة جزئيًا بالماء، فسوف تشكل أولاً تيارًا رفيعًا في وسط الوعاء. بعد توقف "الاستنشاق"، ينتشر الحبر تدريجيًا عبر كامل حجم الماء.
إذا تم إدخال الحبر بسرعة، بحيث يكون التدفق مضطربًا، فإن الخلط سيحدث بالطبع بشكل أسرع بكثير. استنادا إلى البيانات التي تم الحصول عليها، وأيضا مع الأخذ في الاعتبار حجم الشعب الهوائية، يمكننا أن نستنتج أن تدفق الهواء أو الماء المستنشق يدخل الأكياس الهوائية ببطء، دون اضطراب.
لذلك، يمكن الافتراض أنه عند الاستنشاق هواء نقي(أو الماء) ستتركز جزيئات الأكسجين أولاً في وسط الأكياس الهوائية (الأسناخ). والآن يتعين عليهم قطع مسافات كبيرة من خلال الانتشار قبل أن يصلوا إلى الجدران التي يدخلون من خلالها إلى الدم.
وهذه المسافات أكبر بعدة مرات من سمك الأغشية التي تفصل الهواء عن الدم في الرئتين. إذا كان الهواء هو وسيلة الاستنشاق، فلا يهم كثيرًا: يتم توزيع الأكسجين بالتساوي في جميع أنحاء الحويصلات الهوائية في أجزاء من المليون من الثانية.
سرعة توزيع الغازات في الماء أقل بـ 6 آلاف مرة من الهواء. لذلك، عند استنشاق الماء، يحدث اختلاف في الضغط الجزئي للأكسجين في المناطق المركزية والمحيطية. وبسبب انخفاض معدل انتشار الغاز، يصبح ضغط الأكسجين في مركز الحويصلات الهوائية أعلى مع كل دورة تنفس منه عند الجدران. يكون تركيز ثاني أكسيد الكربون الخارج من الدم بالقرب من جدران الحويصلات أكبر منه في المركز.
تبادل الغازات في الرئتين
نشأت هذه الفرضيات النظرية من دراسة التركيب الغازي لسائل الزفير أثناء التجارب على الكلاب. تم جمع المياه المتدفقة من رئتي الكلب في أنبوب طويل.
اتضح أنه في الجزء الأول من الماء، الذي جاء على ما يبدو من الجزء المركزي من الحويصلات الهوائية، كان هناك أكسجين أكثر من الجزء الأخير، الذي جاء من الجدران. عندما تستنشق الكلاب الهواء، لم يكن هناك اختلاف ملحوظ في تكوين الجزء الأول والأخير من هواء الزفير.
ومن المثير للاهتمام أن عملية تبادل الغازات التي تحدث في رئتي الكلب عند تنفس الماء تشبه إلى حد كبير العملية التي تحدث في قطرة ماء بسيطة عندما يحدث تبادل على سطحها: الأكسجين - ثاني أكسيد الكربون. وبناءً على هذا التشبيه، تم بناء نموذج رياضي للرئتين، وتم اختيار كرة يبلغ قطرها حوالي ملليمتر واحد كوحدة وظيفية.
وأظهر الحساب أن الرئتين تتكون من حوالي نصف مليون خلية كروية لتبادل الغازات، حيث يتم نقل الغاز فقط عن طريق الانتشار. يتطابق العدد والحجم المحسوب لهذه الخلايا بشكل وثيق مع عدد وحجم بعض هياكل الرئة التي تسمى "الفصيصات الأولية" (الفصيصات).
على ما يبدو، هذه الفصيصات هي الوحدات الوظيفية الرئيسية للرئتين. وبالمثل، باستخدام البيانات التشريحية، من الممكن بناء نموذج رياضي لخياشيم الأسماك، والتي سيكون لوحدات تبادل الغازات الأولية فيها شكل مختلف.
جعل بناء النماذج الرياضية من الممكن رسم خط واضح بين أعضاء الجهاز التنفسي للثدييات والأسماك. اتضح أن الشيء الرئيسي يكمن في التركيب الهندسي لخلايا الجهاز التنفسي. ويصبح هذا واضحًا بشكل خاص عند دراسة العلاقة التي تربط بين حاجة الأسماك لتبادل الغازات وخصائص البيئة وشكل الأعضاء التنفسية للأسماك.
وتشمل المعادلة التي تعبر عن هذا الاعتماد كميات مثل توافر الأكسجين، أي تركيزه ومعدل انتشاره وقابليته للذوبان في البيئة المحيطة بالحيوان.
حجم الهواء أو الماء المستنشق، وعدد وحجم خلايا تبادل الغازات، وكمية الأكسجين التي تمتصها، وأخيرا ضغط الأكسجين في الدم الشرياني. لنفترض أن الأسماك لها رئتان وليس خياشيم كأعضاء تنفسية.
باستبدال البيانات الحقيقية لتبادل الغازات الذي يحدث أثناء تنفس الأسماك في المعادلة، نجد أن السمكة ذات الرئتين لن تكون قادرة على العيش في الماء، حيث يظهر الحساب الغياب التام للأكسجين في الدم الشرياني لأسماكك نموذج.
وهذا يعني أنه كان هناك خطأ في الافتراض، وهو: تبين أن الشكل المختار لخلية تبادل الغازات غير صحيح. تعيش الأسماك في الماء بفضل الخياشيم التي تتكون من صفائح مسطحة ورفيعة ومكتظة بكثافة. في مثل هذا الهيكل - على عكس الخلايا الكروية للرئتين - لا توجد مشكلة في انتشار الغازات.
لا يمكن للحيوان الذي لديه أعضاء تنفسية تشبه الرئة أن يعيش في الماء إلا إذا كان الطلب على الأكسجين منخفضًا للغاية. لنأخذ خيار البحر كمثال.
تمنح الخياشيم الأسماك القدرة على العيش في الماء، وهذه الخياشيم نفسها لا تسمح لها بالوجود خارج الماء. في الهواء يتم تدميرها بواسطة الجاذبية. يؤدي التوتر السطحي عند السطح البيني للهواء والماء إلى التصاق الصفائح الخيشومية المتراصة ببعضها البعض بإحكام.
تقل المساحة الإجمالية للخياشيم المتاحة لتبادل الغازات بشكل كبير بحيث لا تستطيع الأسماك التنفس، على الرغم من وفرة الأكسجين في الهواء. تتم حماية الحويصلات الهوائية في الرئتين من التدمير، أولاً عن طريق الصدر، وثانيًا عن طريق عامل ترطيب يتم إطلاقه في الرئتين، مما يقلل بشكل كبير من التوتر السطحي.
تنفس الثدييات في الماء
ومن ثم فإن دراسة عمليات التنفس لدى الثدييات في الماء أعطت معلومات جديدة عن المبادئ الأساسية للتنفس بشكل عام. ومن ناحية أخرى، نشأ افتراض حقيقي بأن الشخص سيكون قادرا على ذلك عواقب ضارةتنفس السائل لفترة محدودة. سيسمح هذا للغواصين بالنزول إلى أعماق المحيط أكبر بكثير من الآن.
يرتبط الخطر الرئيسي للغوص في أعماق البحار بضغط الماء صدروالرئتين. ونتيجة لذلك يرتفع ضغط الغازات في الرئتين، ويدخل بعض الغازات إلى الدم، مما يؤدي إلى عواقب وخيمة. في الضغوط العاليةمعظم الغازات سامة للجسم.
وبالتالي، فإن دخول النيتروجين إلى دم الغواص يسبب التسمم بالفعل على عمق 30 مترًا ويؤدي إلى إعاقته عمليًا على عمق 90 مترًا بسبب التخدير النيتروجيني الناتج. (يمكن حل هذه المشكلة باستخدام غازات نادرة مثل الهيليوم، وهي غير سامة حتى عند التركيزات العالية جدًا).
بالإضافة إلى ذلك، إذا عاد الغواص بسرعة كبيرة جدًا من الأعماق إلى السطح، يتم إطلاق الغازات الذائبة في الدم والأنسجة على شكل فقاعات، مما يسبب مرض تخفيف الضغط.
ويمكن تجنب هذا الخطر إذا كان الغواص يتنفس سائلاً غنياً بالأكسجين بدلاً من الهواء. سيتحمل السائل الموجود في الرئتين ضغوطًا خارجية كبيرة، وسيظل حجمه دون تغيير تقريبًا. في مثل هذه الظروف، سيتمكن الغواص، الذي ينزل إلى عمق عدة مئات من الأمتار، من العودة بسرعة إلى السطح دون أي عواقب.
لإثبات أن مرض تخفيف الضغط لا يحدث عند استنشاق الماء، أجريت التجارب التالية في مختبري. في التجارب التي أجريت على فأر يستنشق السائل، تم جلب ضغط قدره 30 ضغطًا جويًا إلى ضغط جوي واحد خلال ثلاث ثوانٍ. لم تكن هناك علامات المرض. وتعادل هذه الدرجة من تغير الضغط تأثير الارتفاع من عمق 910 أمتار بسرعة 1100 كيلومتر في الساعة.
يستطيع الإنسان أن يتنفس الماء
قد يكون التنفس السائل مفيدًا للبشر خلال الرحلات المستقبلية إلى الفضاء. عند العودة من الكواكب البعيدة، على سبيل المثال، من كوكب المشتري، ستكون هناك حاجة إلى تسارعات هائلة للهروب من منطقة جاذبية الكوكب. وهذه التسارعات أكبر بكثير مما يمكن أن يتحمله جسم الإنسان، وخاصة الرئتين الضعيفتين.
لكن نفس الأحمال ستصبح مقبولة تماما إذا امتلأت الرئتان بالسائل، وغمر جسم رائد الفضاء في سائل بكثافة تساوي كثافة الدم، تماما كما يغمر الجنين في السائل الأمنيوسي الموجود في رحم الأم.
أجرى علماء الفسيولوجيا الإيطاليون رودولف مارجاريا وتي جولتيروتي ود. سبينيلي مثل هذه التجربة في عام 1958. تم إسقاط أسطوانة فولاذية تحتوي على فئران حامل من ارتفاعات مختلفة على دعامة من الرصاص. كان الغرض من التجربة هو اختبار ما إذا كان الجنين سينجو من الكبح الشديد وصدمة الهبوط. تم حساب سرعة الكبح من عمق المسافة البادئة للأسطوانة إلى قاعدة الرصاص.
ماتت الحيوانات نفسها على الفور أثناء التجربة. أظهر تشريح الجثث تلفًا كبيرًا في الرئة. ومع ذلك، فإن الأجنة التي تم إطلاقها جراحيا كانت على قيد الحياة وتتطور بشكل طبيعي. يمكن للجنين المحمي بسائل الرحم أن يتحمل تسارعًا سلبيًا يصل إلى 10 آلاف جرام.
وبعد أن أثبتت التجارب أن الحيوانات البرية يمكنها أن تتنفس السائل، فمن المعقول افتراض نفس الاحتمال بالنسبة للبشر. لدينا الآن بعض الأدلة المباشرة لدعم هذا الافتراض. لذلك، على سبيل المثال، نستخدم الآن أسلوب جديدعلاج بعض أمراض الرئة.
وتتكون الطريقة من غسل رئة واحدة بمحلول ملحي يزيلها التفريغ المرضيمن الحويصلات الهوائية والشعب الهوائية. الرئة الثانية تتنفس الأكسجين الغازي.
لقد ألهمنا التنفيذ الناجح لهذه العملية لإجراء تجربة تطوع فيها الغواص الشجاع، غواص أعماق البحار فرانسيس د. فاليتشيك.
وتحت التخدير، تم إدخال قسطرة مزدوجة في قصبته الهوائية، ليصل كل أنبوب إلى رئتيه. في درجة الحرارة العاديةتم استبدال هواء الجسم في إحدى الرئتين بمحلول 0.9٪ ملح الطعام. تتكون "دورة التنفس" من إدخال محلول ملحي إلى الرئة ثم إزالته.
تم تكرار الدورة سبع مرات، مع أخذ 500 ملليلتر من المحلول لكل “استنشاق”. وقال فاليشيك، الذي كان واعيًا تمامًا طوال العملية، إنه لم يلاحظ فرقًا كبيرًا بين هواء التنفس الذي تتنفسه الرئة والماء الذي تتنفسه الرئة. كما أنه لم يشعر بأي أحاسيس غير سارة عند دخول تدفق السوائل إلى الرئة وخروجها.
بالطبع، لا تزال هذه التجربة بعيدة جدًا عن محاولة تنفيذ عملية التنفس بكلتا الرئتين في الماء، لكنها أظهرت أن ملء رئتي الشخص بالمحلول الملحي، إذا تم تنفيذ الإجراء بشكل صحيح، لا يسبب تلفًا خطيرًا في الأنسجة و لا تنتج أحاسيس غير سارة.
أصعب مشكلة تنفس الماء
ربما تكون المشكلة الأكثر صعوبة التي يجب حلها هي إطلاق ثاني أكسيد الكربون من الرئتين عند استنشاق الماء. كما قلنا من قبل، فإن لزوجة الماء تبلغ حوالي 36-40 مرة لزوجة الهواء. وهذا يعني أن الرئتين سوف تضخان الماء أبطأ بأربعين مرة على الأقل من الهواء.
بمعنى آخر، الغواص الشاب الذي يتمتع بصحة جيدة والذي يمكنه تنفس 200 لتر من الهواء في الدقيقة، يمكنه أن يتنفس فقط 5 لترات من الماء في الدقيقة. ومن الواضح تماما أنه مع هذا التنفس، لن يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون بكميات كافية، حتى لو كان الشخص مغمورا بالكامل في الماء.
هل يمكن حل هذه المشكلة باستخدام وسط يذوب فيه ثاني أكسيد الكربون بشكل أفضل من الماء؟ في بعض مركبات الفلوروكربون الاصطناعية المسالة، يذوب ثاني أكسيد الكربون، على سبيل المثال، ثلاث مرات أكثر مما هو عليه في الماء، والأكسجين - ثلاثين مرة. أظهر ليلاند س. كلارك وفرانك جولان أن الفأر يمكنه العيش في فلوريد الكربون السائل المحتوي على الأكسجين عند الضغط الجوي.
لا يحتوي فلوريد الكربون على أكسجين أكثر من الماء فحسب، بل إن معدل انتشار الغاز في هذه البيئة أعلى بأربع مرات. ومع ذلك، حتى هنا يظل العائق هو انخفاض سعة السائل عبر الرئتين: فالفلوروكربونات لها لزوجة أكبر من المحلول الملحي.
الترجمة من الإنجليزية بواسطة N. Poznanskaya.
