4. Дыхательные смеси

На пути освоения больших глубин перед человеком стоят преграды, которые по мере развития науки в области физиологии, экологии и техники постепенно преодолеваются. В настоящее время человек в морских условиях может опускаться и эффективно работать на глубинах до 500 м, а в специальных гипербарических береговых комплексах – до 700 м с пребыванием на глубине до нескольких суток с использованием кислородно-гелиевых (КГС), кислородно-азотно-гелиевых (КАГС), кислородно-азотно-водородно-гелиевых (КАВГС) дыхательных газовых смесей (ДГС). Очевидно, что это не предел.

Дыхательные газовые смеси и среды, используемые в гипербарических исследованиях имеют отличные от воздуха физико-химические свойства, которые приводят к значимым изменениям деятельности анализаторов и механизмов регуляции гомеостаза. Физиологический предел возможности пребывания человека под давлением сегодня обосновывается до глубин 800-1000 м в. ст. С использованием кислородно-азотно-гелиевых смесей достигнута глубина 686 метров в университете Дьюка П. Беннеттом (1981). В барокомплексе фирмы «Комекс» при пребывании в кислородно-азотно-водородно-гелиевой среде испытателями достигнута глубина 701 метр (Гардетт Б. 1993).

Малые и средние глубины. Для погружения на малые и средние глубины можно применять смесь азота и кислорода в таких пропорциях, которые позволяют продолжительное время находиться на определенном уровне и возвращаться на поверхность без каких-либо особых мер предосторожности. Однако парциальные давления компонентов смеси на этом уровне не должны доходить до критиче­ских величин, чтобы не вызвать нарушений, обусловленных гипероксией или азотом.

Мы уже видели, что нарушения, вызываемые избытком в смеси кислорода, проявляются, как только его парциальное давление достигает 1 кг/см². На поверхности эта величина должна быть не меньше 0,17 кг/см², иначе наступает потеря сознания и смерть.

Таким образом, можно составить таблицу границ аноксии и гипероксии для каждой глубины, в зависимости от растворения кис­лорода в инертном газе.

Аноксия, %	17	8,5	6	4,2	3,4
Глубина, м	пов-ть	10	20	30	40
Гипероксия, %	100	90	66	50	40

Минимальный процент кислорода в смеси может быть несовме­стим с жизнью. В самом деле странно — почему человеку на поверх­ности необходимо 17% этого газа, а на глубине 20 м достаточно 6%? А происходит это потому, что кислород, используемый организмом, переносится в форме оксигемоглобина. Запас же гемоглобина в красных кровяных тельцах не изменяется, какова бы ни была глубина. Для окисления гемоглобина требуется всегда одинаковое количество кислорода. Например, для окисления на поверхности требуется 17м³ (то есть 17% смеси), на глубине 10 м—8,5 м³ (8,5%), а 20 м - 6 м³ (6% смеси).

В дыхательных смесях количество азота рассчитывается так, чтобы на определенной глубине состояние пресыщения (состояние насыщения, образовавшееся при погружении на максимальную глубину) не превратилось в критическое после возвращения на поверх­ность. Для простоты объяснения допустим, что после трехчасового пребывания на глубине 10 м при дыхании воздухом можно поднять­ся на поверхность, не опасаясь появления декомпрессионных симп­томов. На глубине 10 м парциальное давление азота около 1,58 кг/см². Следовательно, можно считать это давление пределом и установить допустимое количество газа; иначе говоря, смесь должна содержать максимум 52,6% азота на глубине 20 м, 39,5% - 30 м и 31,6% - на глубине 40 м.

Однако для расчета продолжительности декомпрессии надо учи­тывать повторные погружения и эквивалентную глубину. Рассмотрим смесь состоящую из 45% азота и 55% кислорода и погружение на 28,7 м соответствует парциальному давлению азота около 1,58 кг/см², то есть такому же, как на глубине 10 м с воздухом. Следовательно, существует глубина, эквивалентная парциальному давлению азота между глубинами 10 м при дыхании воздухом и 18,7 м — при дыха­нии вышеуказанной смесью. И можно сказать, что количество азота, растворившегося в течение 3 час., как в первом, так и во втором случае будет одинаково.

Для смеси из 50% азота и 50% кислорода на глубине 30 м пар­циальное давление азота равно 2 кг/см². Эта величина pn, дости­гается при дыхании воздухом под абсолютным давлением 2,53 ат, иначе говоря, на глубине 15,3 м. Значит, зная эту эквивалентную глубину, можно свериться с таблицами расчетов для воздуха и опре­делить время декомпрессии.

Глубоководные погружения. Токсическое действие кислорода при парциальном давлении более 2 кг/см² ограничивает применение этого газа в смесях. Кислород необходим для жизни, но установлено, что можно значительно уменьшить его содержание в смеси при условии сохранения количества, необходимого для окисления гемоглобина крови водолаза. Предел аноксии, к которому, по-видимому, не стоит приближаться (как известно, он равен пар­циальному давлению 0,17 атм), может быть допущен для смеси, вды­хаемой под давлением 10 атм и содержащей 1,7% этого газа. Но пос­ле возвращения на землю такая смесь будет содержать-то же самое количество кислорода и станет аноксической при давлении, которое в легочной ткани снизится с 10 до 1 атм. Вот тут-то и возникают серьезные технические проблемы, связанные с применением и регулировкой автономных аппаратов. Что касается растворителя — азо­та, то мы теперь знаем, как он действует под давлением и каковы пределы, которые нельзя превышать.

Гелий. Еще в 1925 г. Группа экспериментальных подводных исследований в Соединенных Штатах заинтересовалась нейтраль­ным и гораздо более легким газом — гелием. По существу, внима­ние специальных лабораторий к нему привлек физик и химик Томсон, считавший, что в дыхательных смесях можно заменить азот гелием.

Первые опыты имели целью сократить время декомпрессии и удлинить сроки пребывания водолазов на месте работы. Резуль­таты получились обескураживающие. Оказалось, что для гелия тре­буются специальные Таблицы декомпрессии, ибо этот газ менее растворим и диффундирует гораздо быстрее, чем азот.

Вот тогда-то и обнаружили незаменимое свойство гелия — од позволяет производить погружения, несравненно более продолжи­тельные, чем азот, без появления опасного «наркоза». Водолазы сохраняют полную ясность суждений и точность движений. Так открылся новый путь для исследований и наступил новый этап в завоевании подводного мира. С тех пор военно-морские силы США, а главное, Адмиралтейство Великобритании усиленно изу­чают смеси, содержащие гелий.*

С 1937 г., когда было произведено первое погружение на 126 м, и до наших дней водолазы в скафандрах выиграли еще 40 м глуби­ны. Совсем недавно в Великобритании был проведен эксперимент, который позволил преодолеть уровень 180 м и усовершенствовать методы спасания экипажа подводных лодок. Очередная цель — по­гружение на 200 м.**

Экипировка водолаза состоит из мягкого костюма и металличе­ского шлема. На поверхности дыхательная смесь содержит не менее 17% кислорода, но по мере спуска содержание его постепенно уменьшается, пока приблизительно на 180 м не достигнет 4 - 2%, что соответствует парциальному давлению от 800 до 400 г/см². Та­кое количество кислорода вполне достаточно для окисления гемо­глобина и не грозит критической гипероксией. Подъем начинается, с того, что водолаз подтягивается на направляющем тросе до декомпрессионной камеры с остановками через заранее определенные интервалы. По мере уменьшения глубины смесь обогащают кислородом. Добравшись до погруженного колокола, водолаз входит в не­го, освобождается от дыхательного шланга и герметически закры­вает дверь, после чего камеру поднимают на борт судна. Затем начинается длительный период декомпрессии на воздухе, сочетаю­щийся с дыханием кислородом.

Тот же тип погружения можно производить с автономными аппаратами, но это сопряжено с некоторыми трудностями. Дело в том, что состав смеси нужно контролировать очень тща­тельно, а это может обеспечить только автоматическая регуляция подачи каждого газа в зависимости от глубины. Однако создать легочный автомат применительно к таким условиям очень нелегко.

Для погружений на глубины порядка 100 м или несколько боль­ше можно, начиная с поверхности, использовать автономные аппа­раты типа Кусто-Ганьяна с кислородно-гелиевой смесью, где на долю кислорода приходится примерно 15%. Аноксию можно преду­предить, если на поверхности, перед тем как взять в рот загубник, сделать глубокий вдох. На первых же метрах погружения, скажем, на уровне 3 м, РО₂ увеличивается со 150 до 190 г/см², что вполне достаточно. Тогда предел погружения устанавливается приблизи­тельно на 130 м; это глубина, на которой РО₂ составляет около 2 кг/см².

Итак, инертный, легкий, нетоксичный и лишенный запаха гелий обладает замечательными достоинствами. К сожалению, их затме­вает один большой недостаток - его колоссальная стоимость. Уиль­ям Рамсей получил этот редкий газ в 1895 г. из воздуха, где он со­держится в пропорции 1 к 200000. Следовательно, не может быть и речи о выделении гелия путем разжижения воздуха. На большой высоте гелий вместе с водородом является одним из основных ком­понентов атмосферы, но до него слишком далеко — около 700 км. К счастью, в некоторых месторождениях радиоактивных минералов имеется достаточное количество этого газа, так что их можно выгод­но эксплуатировать, хотя основные источники находятся в США и Канаде.

Водород и сложные смеси. Гелий почти совсем не применяется в европейских странах из-за трудности получения, несмотря на то что современная техника дает возможность извлекать его из газо­вых смесей в некоторых источниках минеральных вод. Поэтому лаборатории Англии, Франции и Швеции начали изучать другие газы, сопоставимые по своим достоинствам с гелием, но более доступные. Таков, по-видимому, водород. Он очень, легок (1 л в нор­мальных условиях весит 0,09 г), бесцветен и лишен запаха. В 1944 г., во время погружения на 156 м, шведский инженер Арне Цеттерстром доказал, что водород нетоксичен. Правда, эксперимент этот закончился трагически, но только из-за произведенного по ошибке слишком быстрого подъема.

Однако водород обладает одним существенным недостатком — он может взрываться в смеси с кислородом, когда содержание по­следнего достигает 4%. Из-за взрывной реакции изготовление водо­родных смесей — дело опасное. И все же в будущих экспериментах придется пользоваться водородом по многим причинам. Первая из них та, что его свойства, по-видимому, позволят достичь в открытых аппаратах таких глубин, которые сегодня кажутся нам немыслимыми. С одной стороны, вязкость водорода примерно в два раза меньше, чем гелия, а с другой — сравнивая вес этих газов при различных давлениях, исследователи установили, что, например, при 20 атм 1 г гелия весит 3,56 г, а это приблизительно соответствует весу того же объема водорода при 40 атм. Если гипотеза, согласно которой вязкость смеси влияет на легочную динамику, подтвердит­ся, то на водород можно возложить большие надежды. И все же не следует выказывать чрезмерный оптимизм, поскольку биохимиче­ские свойства водорода в условиях рассматриваемых давлений еще мало изучены. Только после опытов на животных можно будет осторожно и постепенно пробовать передвинуться на большие глу­бины.

Ганс Келлер как будто частично разрешил некоторые основ­ные проблемы, пока еще ограничивающие глубоководные погруже­ния,— длительность декомпрессии и наркотическое действие газов. Но он ревниво оберегает свое открытие. Применяет ли этот изобре­татель сложные смеси, в состав которых входят такие газы, как неон? Рассчитывает ли он смеси таким образом, чтобы для каждого компонента отношение критической безопасности во время подъема достигалось как можно позднее? Никто этого не знает, но возможно, что Группа экспериментальных подводных исследований в Вашинг­тоне, специалисты Британского адмиралтейства и французские научно-исследовательские группы тоже недалеки от разрешения этой загадки.