Текст книги "На грани возможного: Наука выживания"

Разрывы органов

Человеческий организм состоит в основном из воды, которая не способна к сжатию. Поэтому давление в нашем теле равно давлению окружающей среды, и человек не сплющивается в лепешку на глубине. Совершенно иначе обстоит дело с газами, находящимися в полостях организма (в легких, ушах, различных пазухах), – под большим давлением они в силу своей сжимаемости уменьшаются в объеме. Сжатие воздуха в полостях тела проявляется множеством последствий, в основном крайне неприятных.

Объем воздуха в легких ныряльщика по мере погружения уменьшается под возрастающим давлением внешней среды. Существовала гипотеза, что именно давление ставит предел глубины, на которую может опуститься ныряльщик, поскольку на отметке около 100 м оно просто расплющит грудную клетку – как расплющиваются на большой глубине пустые (запаянные) консервные банки или подводные лодки. Альтернативная гипотеза утверждала, что ребра останутся неповрежденными, а вот легкие сожмутся, разрывая тонкую плевру, соединяющую их с грудной клеткой. Пренебрегая рекомендациями физиологов, многие ныряльщики погружались и глубже – и ничего подобного не испытали. Получается, что по крайней мере в этом отношении человек куда ближе к дельфинам и китам, чем считалось ранее.

История пестрит рассказами об узниках, которые сбегали из-под стражи по реке или озеру – скрывшись под водой и дыша через тростинку. Если подумать, им сильно повезло, что их не обнаружили, поскольку погружались они на очень незначительную глубину. Физически невозможно дышать атмосферным воздухом, опускаясь на глубину более метра. Большинству людей даже на глубине в полметра это дается с трудом. Происходит это потому, что давление воды на грудную клетку извне затрудняет вдох. Кроме того, воздух в дыхательной трубке тоже участвует в обмене, и хотя его количество можно сократить, уменьшив диаметр трубки, в этом случае возрастет сопротивление, как вы сами можете легко убедиться, подышав в бассейне через соломинку и через плавательную трубку. Такие трубки обычно не погружают в воду, они располагаются над поверхностью и нужны для того, чтобы человек мог плыть, опустив лицо в воду.

Отсюда следует, что на глубине более полуметра воздух к ныряльщику должен подаваться под давлением, идентичным давлению окружающей воды. Но даже в этом случае ныряльщику придется труднее, чем на суше, поскольку плотность газа (масса на единицу объема) также повышается с глубиной, затрудняя дыхательный процесс. Один из способов решения проблемы – заменить азот в дыхательной смеси менее плотным инертным газом, например, гелием.

Легкие – не единственная заполненная воздухом полость в организме. Очень многие при нырянии сталкиваются с таким явлением, как боль в ушах или «заложенные» уши. Происходит это потому, что воздух, содержащийся в среднем ухе, не сообщается с наружным воздухом. Сжимаясь при погружении, этот воздух давит на барабанную перепонку, и она выгибается. Чтобы предотвратить ее разрыв, давление во внутреннем ухе надо привести в соответствие с давлением во внешнем – другими словами, с давлением окружающей воды. Достигается это за счет поступления воздуха в евстахиеву трубу – канал, соединяющий среднее ухо с глоткой. В обычном состоянии евстахиева труба закрыта, и для ее открытия требуется некое специальное действие. Самый распространенный прием – зажать нос и попытаться выдохнуть через него, как при сморкании, или зевнуть. В среднее ухо проникает поток воздуха, и уши «раскупориваются». Однако при насморке и кашле сделать это сложнее, ведь евстахиева труба может быть забита. Именно поэтому не рекомендуется нырять при простуде, и именно поэтому некоторым неприятно летать на самолете, поскольку на пассажирских рейсах давление в салоне уменьшают до соответствующего высоте в 2000 м. Если сжатие произойдет слишком быстро и человек не успеет уравнять давление в среднем ухе с внешним, последствия могут быть печальными. Так, во время сеанса рекомпрессии для ныряльщика, страдавшего от острой кессонной болезни, давление в камере увеличили за три с половиной минуты до шести атмосфер, что привело к разрыву обеих барабанных перепонок у наблюдавшего за ним врача.

Крайне неприятным сюрпризом для ныряльщика может стать воздушный пузырек, застрявший в зубной пломбе или в кариозном зубе, поскольку при сжатии воздуха на глубине в пломбе или зубе может произойти имплозия (взрыв, направленный внутрь). На большой высоте есть вероятность прямо противоположного: при низком давлении зуб может разорвать. Во избежание подобного эксцесса Джуди Леден при подготовке к своему рекордному полету на дельтаплане заменила все пломбы.

Расширение газов при уменьшении давления тоже чревато неприятностями. У глубоководных рыб, извлекаемых на поверхность, выворачиваются внутренности из-за расширения газа, наполняющего плавательный пузырь. В результате внутренности выталкиваются изо рта рыбы. Неопытный аквалангист тоже может испытать затруднения при подъеме. На глубине 10 м давление в два раза выше, чем на поверхности, поэтому вдыхаемый на этой глубине воздух при подъеме на поверхность также расширится в два раза, а значит, подъем с полными легкими грозит их разрывом. При разрыве альвеол газ проникает в плевральную полость, окружающую легкие, или попадает в систему кровообращения, где, стремясь вверх, может закупорить кровеносные пути, ведущие к мозгу. В этом случае возможен летальный исход. Легкие могут вместить очень ограниченный объем расширившегося воздуха, поэтому разрыв может произойти даже при погружении на двухметровую глубину. Однако подобные «баротравмы» случаются редко, поскольку, если при подъеме аквалангист дышит в нормальном режиме, объем воздуха в легких постепенно уравновешивается. Но если вдруг понадобится резко всплыть, важно помнить о необходимости непрерывно выдыхать при подъеме.

Задержка дыхания

Погружение в воду и дыхание под водой – вот две основные трудности для ныряльщика. Текущий рекорд свободного (без специальных средств) погружения на задержке дыхания составляет 72 м (236 футов) – он был установлен в 1992 г. итальянцем Умберто Пелицари. Еще больших глубин удавалось достигать ныряльщикам «без ограничений», которые для погружения используют специальные грузы, а на поверхность поднимаются с помощью аппарата, накачиваемого сжатым воздухом. С этими приспособлениями Пелицари опустился в 1991 г. на 118 м, а затем его рекорд побил кубинец Франсиско Феррерас, достигший ошеломительной глубины в 133 м.

Человеческое тело обладает природной плавучестью, поскольку его плотность близка к плотности воды. Чтобы нырнуть, нужно либо приложить усилие, либо использовать груз. Между глубиной и плавучестью имеется прямая зависимость, обусловленная наличием в легких воздуха: чем глубже погружается задержавший дыхание ныряльщик, тем выше его плотность, поскольку воздух в легких сжимается и плавучесть падает. Чем глубже, тем он погружается быстрее. И наоборот, чем выше всплывает ныряльщик, тем больше расширяется воздух в легких, тело становится легче и легче идет подъем. Таким образом, главное – преодолеть первые метры, дальше становится проще, а на глубине около семи метров ныряльщика уже тянет на дно. По той же причине человеку тяжело всплывать с глубины, и большинство ныряльщиков – например, японские собиратели моллюсков – нуждаются в помощниках, которые вытягивают их на веревке.

Самое серьезное препятствие для ныряльщиков – это, разумеется, отсутствие воздуха. Большинство людей способны задержать дыхание лишь на одну-две минуты, хотя с помощью тренировок можно несколько увеличить этот срок. Мировой рекорд – 6 мин. 41 сек. – был установлен Алехандро Равело в 1993 г. в положении лежа на дне плавательного бассейна. Перед тем как нырнуть, идя на подобный рекорд, необходимо сделать серию частых выдохов. Как мы уже видели в главе 1, основным стимулом дыхания служит углекислый газ, поэтому частые выдохи, сбрасывающие излишки углекислого газа, увеличивают срок накопления того количества CO₂, которое вызовет следующий вдох. Однако подобные частые выдохи перед погружением очень опасны, поскольку ныряльщик, не подозревая, что уровень кислорода в крови опустился ниже уровня, необходимого для нормальной мозговой деятельности, может просто потерять сознание и утонуть. Несчастные случаи во время таких экспериментов нередки и по сей день, особенно среди детей, соревнующихся, кто дольше сможет просидеть под водой.

Плавучесть

У животных имеется множество замечательных приспособлений, позволяющих им удерживать вертикальное положение в воде. Большинство, чтобы не тратить лишнюю энергию, решает задачу уравниванием плотности своего тела с плотностью воды. За это отвечает плавательный пузырь, серебристый заполненный воздухом мешочек, который мы находим обычно в брюхе выпотрошенной рыбы. Этот орган позволяет рыбе регулировать плавучесть в зависимости от глубины обитания. Нейтральная плавучесть весьма выгодна, поскольку в этом случае рыбе не нужно тратить энергию на поддержание горизонтального положения в воде, однако у нее есть свой недостаток. Заплывая ниже своей обычной глубины, рыба, как ныряльщик с полными легкими воздуха, вынуждена прилагать усилия, чтобы не утонуть, поскольку воздух в плавательном пузыре сжимается под давлением и плавучесть падает. И наоборот, если рыба поднимается выше привычной глубины, воздух расширяется и добавляет плавучести, поэтому рыбе приходится устремляться ниже, чтобы ее не вынесло на поверхность. Хотя рыба может регулировать естественную плавучесть, добавляя или сокращая количество воздуха в пузыре, происходит это медленно, поэтому рыбы обычно прикованы к одному слою океанской толщи – как авиалайнеры, распределяющиеся по эшелонам. У многих рыб пузырь замкнутый, никак не сообщающийся с внешним пространством, поэтому, если рыбу быстро извлечь из воды, пузырь, распираемый стремительно расширяющимся воздухом, может разорваться или вытолкнуться через рот. Некоторые рыбы (акулы, например) не имеют плавательного пузыря, поэтому, чтобы не утонуть, вынуждены находиться в постоянном движении. Однако у гигантской акулы, которая меньше времени проводит в беспорядочном рыскании, имеется большая маслянистая печень, помогающая ей достичь нейтральной плавучести.

Плавательный пузырь почти целиком заполнен кислородом, поглощению которого препятствуют слои кристаллов гуанина на стенках. Помимо прочего, эти кристаллические слои защищают клетки стенок пузыря от токсического воздействия кислорода на глубине. Гуанин сам по себе весьма интересная молекула – именно он придает блеск рыбьей чешуе, он обнаруживается в птичьем помете (это основная составляющая гуано) и, самое главное, является одним из четырех азотистых оснований, образующих ДНК.

Еще одно удивительное подводное существо – жемчужный наутилус, родственник древних аммонитов и современных осьминогов с кальмарами. Его называют также «камерным» наутилусом, поскольку его раковина разделена на несколько отсеков-камер. По мере взросления моллюск приращивает к раковине новые камеры – по одной в три-четыре месяца. Каждая камера отделяется от соседней перегородкой под названием «септа». Эти перегородки образуют каркас, укрепляющий раковину и предотвращающий ее сплющивание под давлением воды. Сам моллюск обитает в последней камере, а остальные заполняются газом под атмосферным давлением и обеспечивают плавучесть. Формируясь, камера накачивается соляным раствором, но затем соли постепенно выводятся, в процессе осмоса забирая с собой и воду, а на ее место проникает газ. Поскольку газ этот содержится в твердостенной раковине, наутилус не подвержен влиянию перепадов давления и может свободно плавать на разной глубине, ограниченной лишь давлением, которое может выдержать сама раковина. Днем он отсиживается на глубине около 400 м, а на ночь всплывает на кормежку на мелководье – около 150 м. Наутилусов вылавливали и на 600 м, однако, как показывают эксперименты, на глубине 750 м раковина уже трескается под давлением воды. Эта глубина и является для наутилуса предельной.

В отличие от людей, которые не могут задерживать дыхание надолго, морские млекопитающие, утки и черепахи показывают более впечатляющие результаты. Рекорд – более чем в 20 раз превышающий человеческий, – принадлежит морскому слону, совершившему непрерывный двухчасовой заплыв под водой. Однако большинство погружений длится куда меньше. Невероятная способность морских слонов объясняется вовсе не тем, что его легкие вмещают больше кислорода (как мы уже знаем, слоны, наоборот, выдыхают перед погружением, чтобы избежать кессонной болезни). У китов и тюленей больше относительный объем крови, которая, в свою очередь, обладает более высокой, чем у человека, способностью переносить кислород, поэтому количество кислорода в крови этих морских млекопитающих гораздо выше. Кроме того, кислород запасается в мышцах, связываясь с миоглобином – молекулой белка, сходной по структуре с гемоглобином, пигментом крови, выполняющим функцию переноса кислорода. В мышцах кашалота содержится в десять раз больше миоглобина на килограмм веса, чем у человека (именно миоглобин придает мясу кашалотов насыщенный темно-красный цвет). И наконец, мышцы морских млекопитающих содержат большое количество креатинфосфата, служащего источником энергии (см. гл. 5). Благодаря этим особенностям у тюленей Уэдделла и китов образуется запас кислорода на 20 минут – несколько больше, чем длится обычный их заплыв.

Иногда тюлени Уэдделла могут совершать длительные подводные заплывы, продолжительностью до одного часа. Происходит это за счет того, что, израсходовав весь кислород, накопленный миоглобином, мышца переключается на анаэробный метаболизм, при котором кислород не используется (см. гл. 5). Однако при анаэробном метаболизме образуется молочная кислота, которая должна затем выводиться из тканей в процессе, требующем участия кислорода. Поэтому, чем дольше тюлень остается под водой, тем больше образуется молочной кислоты и тем больше кислорода ему потребуется на поверхности, чтобы от нее избавиться. Вот почему после долгого заплыва тюлень Уэдделла выдерживает на поверхности более длительную, чем обычно, паузу до следующего погружения.

У морского слона все гораздо загадочнее. Как и тюленю Уэдделла, запасов кислорода ему хватает примерно на 20 минут. И тем не менее он способен продержаться под водой свыше часа и, всплыв, почти сразу же погрузиться снова. Судя по всему, молочная кислота у него не образуется и избавляться от нее ему не нужно, так что запаса кислорода ему хватает на более долгий срок. Никто пока не знает, как ему это удается, но согласно одной из гипотез, во время долгих заплывов у морского слона резко падает скорость метаболизма. У многих морских млекопитающих, в том числе и морских слонов, при нырке сразу же снижается частота сердцебиения – включается «рефлекс ныряльщика». Сокращаются кровеносные сосуды, питающие кожу и внутренности, и происходит отток крови к мозгу и сердцу. В менее насыщаемых кровью тканях скорость метаболизма падает, сокращая их потребность в кислороде. Таким образом, перераспределение крови способствует растягиванию ограниченного запаса кислорода. Но пока это всего лишь предположение, и мы не можем однозначно сказать, как морскому слону удаются такие долгие заплывы.

Кроме морского слона существуют и другие загадочные создания. Например, утконосы, которые тоже любят подводный отдых и могут довольно долго лежать на дне ручья, устроившись между корнями какого-нибудь дерева. Зеленая черепаха Chelonia mydas зимует на дне Калифорнийского залива, где проводит в спячке несколько месяцев, зарывшись в ил и морскую траву. И хотя скорость метаболизма во время спячки существенно снижается, все равно неизвестно, как черепаха запасает необходимое количество кислорода. К сожалению, выяснить это будет затруднительно, поскольку места спячки черепах, известные прежде лишь местным индейцам сери и тщательно оберегавшиеся, были открыты мексиканскими рыбаками с современными рыболовными снастями, и поголовье черепах резко сократилось.

Плавание с аквалангом

В середине прошлого века в подводном плавании произошла революция – появился акваланг, автономный аппарат для дыхания под водой. Главный шаг был сделан в 1943 г., когда двое французов, Жак Кусто и Эмиль Ганьян, разработали клапан для подачи воздуха по требованию. Как следует из названия, клапан по мере надобности подает ныряльщику воздух, находящийся под тем же давлением, что и окружающая вода. Остальное снаряжение состоит из одного или более баллонов сжатого воздуха, крепящихся на спину, маски и ласт. Заметим, что такое полезнейшее для пловца изобретение, как ласты, появилось, как ни странно, лишь в 1935 г., и то сперва в достаточно грубой форме деревянно-металлических лопаток.

Поначалу акваланг применяли для обнаружения и обезвреживания вражеских мин после Второй мировой войны, но уже в 1960-х он был представлен широкой публике в серии замечательных документальных фильмов, снятых Кусто и супругами Лотте и Гансом Хасс. В кадрах с коралловыми рифами, дельфинами, акулами и прочими необычными морскими созданиями открывалась многообразная и сложная жизнь океанских глубин. Зрители завороженно наблюдали за этим фантастическим миром, где человек свободно парил между стаями разноцветных рыбок, где морские звери не кидались прочь в испуге, где морское дно было усеяно сокровищами – только руку протяни, и где мало кому довелось побывать прежде. Публика загорелась желанием увидеть эти чудеса своими глазами, и производство аквалангов начало стремительно набирать обороты. Число дайверов-любителей неуклонно росло. Однако, как мы уже успели убедиться, в подводном мире, при всем его великолепии, есть свои опасности, поэтому будущим аквалангистам настоятельно рекомендуется, прежде чем опускаться под воду, пройти хороший курс обучения.

Нижняя безопасная граница для погружений на сжатом воздухе (будь то с аквалангом или с закачиванием воздуха с поверхности) составляет около 30 м. Определяют ее содержащиеся в дыхательной смеси газы, поскольку под давлением и азот, и кислород становятся токсичными.

Экстаз глубины

Под давлением в несколько атмосфер азот вызывает интоксикацию организма, которую Жак Кусто назвал «экстазом глубины». Симптомы проявляются не сразу и напоминают алкогольное опьянение – эйфория, повышенное возбуждение, отрыв от реальности, потеря координации, иррациональное поведение. Чувство эйфории иллюзорно и опасно, поскольку по мере погружения ныряльщик будет проникаться все большей ложной уверенностью в собственных силах, одновременно теряя дееспособность. В легкой форме азотная интоксикация (так называемый азотный наркоз) возникает на глубине 50 м. На большей глубине симптомы усиливаются, пока в итоге, на глубине около 90 м, не наступает потеря сознания. При частых погружениях организм постепенно привыкает к воздействию азота (происходит адаптация), и ныряльщик может практически беспрепятственно погружаться на 50-метровую глубину. И тем не менее именно азотный наркоз стал причиной гибели многих ныряльщиков, отважившихся погрузиться глубже, и именно из-за него рекомендуемая глубина погружений на сжатом воздухе – 30 м.

В 1941 г. исследователь Дж. Холдейн – сын Дж. С. Холдейна – изучал воздействие азотного наркоза в условиях компрессионной камеры. Испытуемые (среди которых были он сам и его будущая жена) проходили арифметический тест и тест на моторику (перекладывание пинцетом подшипников из одной банки в другую). При дыхании воздухом, сжатым до 10 атмосфер (соответствует глубине в 90 м), у всех наступала заторможенность. Один из испытуемых, при обычном атмосферном давлении уважаемый и ответственный ученый, решил сжульничать в испытании на моторику, а другой впадал попеременно то в депрессию, то в эйфорию, то требуя немедленно его декомпрессировать, потому что ему «хреново», то с хохотом пытаясь «помочь» коллеге в тесте на моторику. Правильно решить примеры не удалось никому – как лаконично отметил Холдейн, «результаты получились менее утешительными, чем хотелось бы». Дополнительная трудность состояла в том, что человек, проводивший тесты, также подвергался воздействию азотного наркоза и часто забывал вести заметки или останавливать секундомер. Но исследование наглядно продемонстрировало, что под азотным наркозом ныряльщик не вполне отвечает за свои действия и может подвергнуть риску свою и чужую жизнь. Так, например, известны случаи, когда находящиеся под наркозом ныряльщики предлагали свой загубник проплывающей мимо рыбе.

Избавление от азотного наркоза происходит почти сразу же после всплытия. В экспериментах Холдейна симптомы исчезали мгновенно при уменьшении давления с 10 до 5 атмосфер. Типичной реакцией испытуемых было: «Боже мой, ну я и накуролесил».

Чем же объясняется наркотическое действие азота под давлением? На этот вопрос пока однозначного ответа нет. Судя по схожести симптомов, механизм воздействия должен быть близок к действию алкоголя, но толку от этого мало, поскольку про механизм воздействия алкоголя мы тоже почти ничего не знаем. Согласно последним исследованиям, алкоголь взаимодействует с определенным классом белков в клеточных мембранах, известных как ионные каналы, которые регулируют возбудимость нервных клеток. Возможно, именно так действует и азот.