Дыхание под водой¶
Дыхание под водой — процесс обеспечения организма кислородом и выведения углекислого газа в условиях погружения в жидкую среду. Человек, как и все млекопитающие, не способен извлекать кислород из воды: лёгкие приспособлены для газообмена с воздухом, а жаберный аппарат в ходе эволюции у предков тетрапод утратил функциональное значение. Поэтому «дыхание под водой» в буквальном смысле для человека невозможно; речь идёт о технических и физиологических способах обеспечить дыхание при погружении.
¶Природные ограничения
Вода содержит растворённый кислород, однако его концентрация на три порядка ниже, чем в воздухе: при 20 °C в одном литре воды растворяется около 8–9 мл кислорода, тогда как в одном литре воздуха содержится примерно 210 мл. Даже при наличии жабр объём воды, который необходимо прокачать через дыхательный орган для насыщения организма кислородом, был бы в десятки раз больше объёма вдыхаемого воздуха.
Кроме того, для эффективного извлечения кислорода из воды необходимы тонкие мембраны с богатой капиллярной сеткой и противоточная система кровообращения — именно так устроены жабры рыб. У человека бронхиальное дерево и альвеолы при контакте с водой заполняются ею, газообмен прекращается, а попадание воды в лёгкие приводит к рефлекторному ларингоспазму и утоплению.
¶Основные способы дыхания под водой
¶Аппаратный (акваланг)
Наиболее распространённый способ — использование дыхательного аппарата (акваланга). Баллоны с сжатым воздухом (обычно 200 бар) снабжаются редуктором, который понижает давление до атмосферного и подаёт воздух по гибкому шлангу в загубник или полнолицевую маску. Дыхание происходит через рот, выдох — через клапан в маске в воду.
Виды дыхательных систем:
- Открытый контур — вдыхаемый воздух не очищается от углекислого газа, выдыхаемый выбрасывается в воду. Классический акваланг.
- Закрытый контур — выдыхаемый воздух проходит через химический поглотитель (набор соды или супероксида), удаляющий CO₂ и водяной пар, после чего обогащается кислородом из баллона и подаётся вновь. Так устроены кислородно-гелиевые аппараты (например, «Индекс» советского производства), применяемые водолазами и военными.
¶Полуавтомат (октопус)
Полуавтоматический дыхательный аппарат (ПДА) подаёт воздух в рот только при вдохе, создавая лёгкое разрежение. Используется в спортивном плавании и в тренировочных целях, в частности для увеличения объёма лёгких.
¶Трубка и маска
Плавательная трубка (сноркель) позволяет дышать, держа лицо в воде при плавании у поверхности. Воздух поступает через верхний конец трубы, расположенный над водой. Снорклинг не даёт возможности нырять на глубину: при погружении давление воды сжимает грудную клетку, а трубка становится непригодной.
¶Внутриводное дыхание (аппараты ВДА)
Водолазные аппараты внутриводного дыхания (ВДА) работают по замкнутому или полузамкнутому контуру и не образуют пузырей, что делает их незаметными. Применяются в военных и специальных целях. Наиболее известны «Тритон», «Индекс» и системы на основе сверхсжатого воздуха.
¶Физиологические аспекты
¶Глубинная адаптация
При погружении на глубину давление растёт примерно на 1 атмосферу каждые 10 метров. В соответствии с законом Генри растворимость газов в крови повышается пропорционально давлению. При быстром подъёме азот выходит из растворённого состояния в виде пузырьков, вызывая декомпрессионную болезнь («кессонную болезнь»). Для её профилактики применяются декомпрессионные остановки и дыхание газовыми смесями с пониженным содержанием азота (найтрокс) или без азота (гелиокс, тримикс).
¶Задержка дыхания (апноэ)
Без акваланга человек может задержать дыхание на 1–2 минуты, при специальной подготовке — до 5–10 минут. Методика включает дыхательную гимнастику (гипервентиляция с ограничением), расслабление и снижение метаболизма. Гипервентиляция перед нырком опасна: снижение CO₂ в крови подавляет дыхательный рефлекс, и обморок может наступить до истощения запасов кислорода — в воде это приводит к утоплению.
¶Синдром оживления ныряльщика
У млекопитающих, включая человека, при погружении срабатывает нырятельный рефлекс: замедляется сердцебиение, периферические сосуды сужаются, кровь перераспределяется к мозгу и сердцу. Этот рефлекс впервые описан русским физиологом И. П. Павловым.
¶История
Водолазное дело зародилось в Древней Греции: ныряльщики за губкой («уринеры») использовали кожаные мешки с воздухом. В XVI–XVII веках в Европе появились примитивные «водолазные колокола». В 1823 году Д. де Форест и Ч. Кондайр запатентовали первый ручной акваланг, а в 1943 году француз Жак-Ив Кусто и инженер Эмиль Ганьян создали акваланг с автоматическим подачей воздуха по требованию — основу современных систем.
В СССР разработка водолазной техники велась в КБ «Морприбор»; в 1950-е годы созданы аппараты «Индекс» и «Тритон», а в 1960-е — глубоководные комплексы для работы на глубинах до 500 метров.
Источники:
- Кусто Ж.-И. «До последнего дыхания»
- Ушаков Д. Б. «Физиология человека при погружении в воду»
- Бигоня Ю. А., Кудрявцев А. Г. «Водолазное дело»
- Энциклопедия «Вода: молекула и среда» (под ред. Г. А. Зверева)