VIVOS VOCO: В.А. Скрупский, "Ты

Ты - мое дыхание

В.А. Скрупский

В спертом воздухе при всем старании не отдышишься.
К.Прутков

Сегодня мало кого удивляют телерепортажи с борта космического корабля или из обитаемого подводного аппарата, где люди могут подолгу жить и работать. И мы даже не задумываемся о том, что воздух, которым дышат космонавты или подводники, - искусственный и его состав регулируют технические устройства. Если бы человечество не решило проблему дыхания в герметично замкнутом пространстве, оно не только не смогло бы так уверенно осваивать пространство космическое и морские бездны, но не справилось бы и со многими земными задачами.

А начал научное изучение дыхания более 200 лет назад во Франции выдающийся естествоиспытатель и политик Антуан Лавуазье. Перед тем как попасть под гильотину Великой французской революции, он успел обессмертить свое имя важным открытием. До него воздух считали неделимым элементарным веществом, которое может изменяться, только "впитывая" в себя мифический флогистон. Лавуазье проводил эксперименты с животными, помещенными под стеклянный колокол, и впервые установил, что выдыхаемый воздух состоит из "мефетической" (удушливой) части, дающей меловую (угольную) кислоту, и инертной части, которая входит и выходит из легких без изменений. Эти части назвали позже углекислым газом и азотом.

Работы Лавуазье по строгости подхода, масштабности обобщений, революционности концепции были образцом академичности в науке. Но это был тот самый случай, когда верная теория оказалась необычайно практичной. По данным, полученным французским ученым и уточненным другими исследователями, стало возможным делать первые, приблизительные расчеты потребностей человека в воздухе.

В истории изучении дыхания прослеживается одна закономерная тенденция: этой проблемой всегда очень интересовались военные. Известно, что уже в 1620 году голландец Дреббель, один из первых изобретателей подводной лодки, использовал какой-то секретный раствор, выделявший "воздух" для дыхания. Но это был эпизод, не оставивший серьезного следа. А вот более поздние войны и военные приготовления между ними всегда порождали волну научных исследований и открытий в этой области.

Еще перед Первой мировой войной были построены серийные образцы подводных лодок, что стимулировало новые поиски способов получения искусственного воздуха под водой. Первые газовые атаки привели к изобретению противогаза и фильтров для очистки воздуха, а успехи авиации и артиллерии - к строительству бомбоубежищ и бункеров с принудительной вентиляцией. Вторая мировая война, заставившая совершенствовать системы жизнеобеспечения подводных лодок, ознаменовалась изобретением акваланга и генераторов кислорода. Холодная война и гонка вооружений "обогатили" человечество бункерами для длительного пребывания в условиях "ядерной зимы" с искусственной атмосферой, а также новым поколением систем жизнеобеспечения, способных очищать воздух на атомных подводных лодках, гипербарических водолазных комплексах и космических кораблях.

Одновременно с разработкой технических устройств, обеспечивающих нормальное дыхание в замкнутых объемах, шли физиологические исследования. Нужно было установить параметры газовой среды, безопасные для человека и позволяющие выполнять боевые или трудовые задачи. А для этого требовалось проследить, при каких концентрациях кислорода, углекислого газа и различных примесей можно заметить первые изменения в организме находящихся в закрытом помещении людей.

Эти исследования проводились не одно десятилетие в разных странах и дали примерно такую картину. Здоровый человек в спокойном состоянии при температуре 20^оС и относительной влажности воздуха 65% за сутки прокачивает через свои легкие 7200 литров воздуха. Из этого объема он безвозвратно забирает 720 литров кислорода на потребности основного обмена (работу внутренних органов: мозга, сердца, печени, почек и так далее), а остальные 6480 литров воздуха нужны как переносчик - для удаления из легких воды, углекислого газа и летучих продуктов обмена веществ, о которых речь пойдет ниже.

В закрытом помещении объемом 6 м³ человек может при отсутствии вентиляции продержаться без риска для жизни не более 12 часов. Всякое физическое напряжение, прием пищи, повышение температуры обойдутся дополнительным потреблением кислорода и могут сократить время выживания до 3 - 4 часов. За этот срок концентрация углекислого газа возрастет с 0,3 до 2,5%. Основная причина, ограничивающая пребывание человека в духоте, - не недостаток кислорода, а именно накопление углекислоты и токсинов. Уже при концентрации СО₂ в 3% увеличивается частота дыхания, при 5% наступает смерть. В крови в это время развивается декомпенсированный газовый ацидоз - несовместимое с жизнью закисление крови. А вот при вдыхании даже 8% кислорода (вместо обычных 20%) в отсутствие углекислого газа в дыхательной смеси частота и глубина дыхания существенно не меняются! Стоит, однако, к этой смеси добавить 6% СО₂, как сразу же наступает одышка и человек теряет сознание.

Для удаления углекислого газа используют натровую известь (часто ее называют натронной) - смесь гашеной извести с едким натром, которая активно поглощает воду и СО₂. Для связывания углекислоты, выделяемой одним человеком в течение суток в помещении объемом 6 м³, нужно 5 кг этого поглотителя. К сожалению, он не регенерируется, поэтому при длительном пребывании в закрытом объекте нужно иметь большие запасы извести, что очень неудобно. И в космических кораблях, например, стали применять для связывания углекислоты патроны с гидроокисью лития. Для поддержания безвредных концентраций СО₂ для двух человек в течение суток достаточно патрона весом 200 г. Такой поглотитель использовали в системе жизнеобеспечения корабля "Шаттл". Разработаны также системы очистки от СО₂ на основе гранулированной смолы из твердых аминов, поглощающие 120 г углекислого газа в час, при этом длительность их работы составляет 3000 часов. Такие смолы можно регенерировать и использовать повторно.

Но возможность дыхания в замкнутом объеме ограничивают не только накопление углекислого газа и израсходование кислорода. Как уже говорилось, человек выделяет в окружающий воздух десятки летучих продуктов обмена веществ. Способы их обнаружения и контроля за составом искусственной газовой атмосферы развивались одновременно с увеличением длительности пребывания человека в замкнутых объемах и ужесточением требований к его трудоспособности и безопасности.

Вначале это были простейшие химические методы анализа газов. С их помощью еще в XIX - начале XX века установили, что в выдыхаемом человеком воздухе кроме кислорода, углекислого газа, паров воды и азота содержатся ацетон, этанол, метан, аммиак, сероводород и окись углерода (угарный газ). Но эти вещества обнаруживались в таких низких концентрациях, что для их нахождения необходимо было прокачивать через химические поглотители и растворы сотни литров выдыхаемого воздуха. С появлением физических и физико-химических методов исследования (спектроскопии, газовой хроматографии) число соединений, которые можно определить в выдохе, увеличилось до десятков. А сочетание газовой хроматографии и масс-спектроскопии позволяет зарегистрировать уже более 400 различных летучих метаболитов в количествах, в десятки и тысячи раз меньших, чем концентрация углекислого газа. Эти приборы не только поднимаются в космос и опускаются на дно морское, где помогают контролировать чистоту воздуха и предупреждать аварийные ситуации, но и используются в коммунальной гигиене.

Автору в свое время довелось работать на водолазных комплексах - они очень удобны для изучения выделяемых человеком летучих веществ. Это довольно сложные сооружения, состоящие из одной или нескольких барокамер, газохранилища, компрессоров, переговорного устройства, шлюзов для выхода наружу или в водолазный колокол и обязательно - системы жизнеобеспечения, очищающей воздух и регулирующей параметры среды: температуру и влажность. Все это герметично закрыто, так что газам из такой системы просто некуда деться, пока не открыли вентиль. Таких комплексов в мире не так уж много, но для исследований годятся и более простые сооружения, работающие при атмосферном давлении.

Уже говорилось, что летучие продукты образуются в ходе реакций обмена (причем не только человека, но и живущих в его организме микробов). Ацетон - главным образом в реакциях окисления жиров, аммиак и сероводород - в реакциях аминокислот, угарный газ - при распаде гемоглобина, предельные углеводороды - в ходе особого, перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот. Через легкие выделяется около полутора сотен веществ, около 180 - с мочой, около 200 - через кишечник, 270 - с кожи через потовые железы. Летучие органические соединения с небольшой молекулярной массой выводятся главным образом через легкие, крупные молекулы - через почки, потовые железы и кишечник.

Количественные данные по их выделению примерно таковы. В том же замкнутом помещении объемом 6 м³ за двенадцать часов концентрация ацетона увеличится в 10 раз, аммиака - в 5 раз, альдегидов - в 30 раз, окиси углерода - в 5 раз. Суточные колебания количества большинства выдыхаемых соединений в точности соответствуют суточным изменениям обмена веществ. Днем, в период бодрствования, максимальным концентрациям углекислого газа соответствует наибольшее выделение летучих метаболитов, ночью эти показатели минимальны.

По изменению количества и соотношения выделяемых веществ можно делать выводы и о качественных изменениях в обмене веществ. Например, при повышенном давлении увеличивается по сравнению с нормальным выделение углеводородов, ацетона и кетокислот. В совокупности с результатами биохимического изучения крови эти данные говорят о том, что у водолазов в большей мере усиливается обмен жиров, чем углеводов и белков.

Как же действуют летучие метаболиты на человека? Почему их называют еще антропогенными токсинами? Наиболее уязвима к их действию нервная система. Многие из упомянутых веществ (ацетон, предельные углеводороды) оказывают на нее наркотическое действие. Такое название не должно вводить в заблуждение: это совсем не тот кайф, который испытывают наркоманы. В отличие от настоящих наркотиков, вызывающих галлюцинации, действие летучих органических веществ может выражаться в сонливости, головных болях, вызывать обмороки.

Гипотез о механизме такого действия предложено много, одна из самых убедительных - мембранная. Согласно этой гипотезе, наркоз могут вызывать вещества, растворяющиеся в мембранах клеток и изменяющие их свойства. Это согласуется с тем, что проведение нервного импульса происходит при активном участии мембраны нервной клетки.

Угарный газ связывается с гемоглобином и клеточными дыхательными ферментами и мешает переносу кислорода кровью и окислению веществ в тканях. Примерно так же ведет себя и сероводород. Он и меркаптаны, обладая сильным и весьма неприятным запахом, вызывают также тошноту, головную боль, а в более высоких концентрациях наркотически действуют на центральную нервную систему.

Уксусная кислота и аммиак сильно раздражают дыхательные пути и слизистые оболочки глаз, вызывают насморк, удушье.

Из этого следует, что содержание летучих примесей в воздухе нужно жестко контролировать. Для очистки атмосферы замкнутых помещений от вредных примесей есть несколько способов. Часть этих веществ (полярные соединения: сероводород, меркаптаны, кислоты, аммиак, амины, альдегиды, спирты) растворяются во влажном воздухе барокамеры и конденсируются в виде капель росы. После этого их можно легко убрать из камеры. Углеводороды, ароматические неполярные соединения хорошо устраняют фильтры с активированным углем или цеолитами. Для удаления водонерастворимых примесей, выделяемых одним человеком в течение суток в камере объемом 6 м³, достаточно килограмма угля.

Сложнее обстоит дело с угарным газом. Единственный способ справиться с ним - окислить на катализаторе. Обычно для этого применяют гопкалитовые низкотемпературные катализаторы, состоящие из смеси окислов марганца, меди и серебра. Возможен также высокотемпературный катализ на платине или палладии, но эти металлы дороже и не так распространены.

Наука о дыхании в замкнутых объемах проделала внушительный путь - люди могут находиться на орбитальных станциях и в подводных лодках уже больше года. Но сказать, что все проблемы решены, было бы преждевременно. Когда открывается люк барокамеры и водолазы выходят "на поверхность" после нескольких недель декомпрессии, по тяжелому, спертому воздуху, выходящему из камеры, становится ясно, что никакими, даже сверхсложными системами очистки дыхательной смеси не удается поддерживать тот естественный "земной" воздух, которым мы дышим. То же можно сказать и о подводниках, и о "звездных жителях". Как жаждущий в пустыне мечтает о глотке воды, так, вероятно, водолаз в барокамере и космонавт на орбите будут всегда мечтать о глотке чистого воздуха из соснового леса или о запахе зеленой травы.