О жидкостном дыхании при глубоководных погружениях.

[Ruslan_Sharipov]

Опыты по дыханию при полном заполнении легких жидкостью известны, см. Википедия: Жидкостное дыхание. Было также новостное сообщение в Вестях, датированное декабрём 2017 года, о жидкостном дыхании.

Цитата

Дмитрий Рогозин показал сербскому президенту Александру Вучичу новейшие российские разработки. Среди них проект жидкостного дыхания. Для Вучича провели демонстрацию на таксе, которую поместили в резервуар с жидкостью, и уже через несколько секунд в новой среде она задышала.

На основе этого сообщения в Астрофоруме была создана и обсуждалась тема под названием "Нам бы всем на дно". Она нацелена на преодоление перегрузок путём погружения в жидкость. Но проблема жидкостного дыхания при этом тоже возникает. Если отвлечься от перегрузок при космических манёврах и ограничиться глубоководными погружениями, то заполнение легких жидкостью тоже подходит. Как я понял из названного выше обсуждения в Астрофоруме, несмотря на наличие перфторуглеродных жидкостей, проблема 1) доставки кислорода и 2) удаления углекислого газа в полной мере не решена и длительное дыхание человека в жидкости невозможно. Поэтому предлагаю несколько неожиданное решение этих проблем.

 

1) Рыбкам, когда они задыхаются, в воду дбавляют перекись водорода в аквариум. Полагаю, и для человека этот способ применим.

2) Удалять углекислый можно связывая его щлочью NaOH. Крепкая щелочь разъедает ткани. Но если концентрация ионов натрия в ней будет такой же, как в изотоническом растворе NaCl, то вреда от такой щелочи не будет.

Итого: Дыхательная смесь для глубоководных погружений - это водный раствор перекиси водорода и гидроксида натрия в специально подобранных концентрациях. Полагаю, с такой смесью и в Марианскую впадину можно нырять голышом.

[chemister2010]

Такое дыхание показано в художественном фильме Бездна. Но основные проблемы не те, что вы перечислили.

1. Масса жидкости больше массы воздуха, мышцы человека быстро устают, человек начинает задыхаться от усталости.

2. Жидкость вымывает сурфактант на поверхности альвеол, они схлопываются. Далее развивается воспаление легких.

[Loiso Pondohva]

4 часа назад, Ruslan_Sharipov сказал:

Опыты по дыханию при полном заполнении легких жидкостью известны, см. Википедия: Жидкостное дыхание. Было также новостное сообщение в Вестях, датированное декабрём 2017 года, о жидкостном дыхании.

На основе этого сообщения в Астрофоруме была создана и обсуждалась тема под названием "Нам бы всем на дно". Она нацелена на преодоление перегрузок путём погружения в жидкость. Но проблема жидкостного дыхания при этом тоже возникает. Если отвлечься от перегрузок при космических манёврах и ограничиться глубоководными погружениями, то заполнение легких жидкостью тоже подходит. Как я понял из названного выше обсуждения в Астрофоруме, несмотря на наличие перфторуглеродных жидкостей, проблема 1) доставки кислорода и 2) удаления углекислого газа в полной мере не решена и длительное дыхание человека в жидкости невозможно. Поэтому предлагаю несколько неожиданное решение этих проблем.

 

1) Рыбкам, когда они задыхаются, в воду дбавляют перекись водорода в аквариум. Полагаю, и для человека этот способ применим.

2) Удалять углекислый можно связывая его щлочью NaOH. Крепкая щелочь разъедает ткани. Но если концентрация ионов натрия в ней будет такой же, как в изотоническом растворе NaCl, то вреда от такой щелочи не будет.

Итого: Дыхательная смесь для глубоководных погружений - это водный раствор перекиси водорода и гидроксида натрия в специально подобранных концентрациях. Полагаю, с такой смесью и в Марианскую впадину можно нырять голышом.

Насколько я понимаю, проблема жидкостного дыхания не в насыщении перфторуглеродов кислородом и всё такое. Проблема в том, что это вязкие жидкости, которые надо прокачивать через лёгкие. + Таки растворимость углекислого газа в них не очень для этого (норм, но маловато). (Ещё в их очистке конечно от побочных вещей, но ИМХО это самое простое).
Щёлочь опасна не из-за Na+ же, а из-за OH-...Так или иначе она будет реагировать с клетками. У нас в крови слегка щелочной PH и ориентироваться надо на него(7.3-7.4). И то, проблемы реакции такой жидкости с кератином тем же, это в полной мере не уберёт(и омыление стенок клеток). К ТОМУ ЖЕ, перфторуглероды - неполярные растворители. Но есть ни щёлочи, ни перекись в них особо много не растворишь (с перекисью вообще много проблем, во-первых перекись в лёгких и вообще в теле - это катастрофа(едкая, даёт активные формы кислорода, разлагается клетками. И вообще лёгкие-не жабры, и кислорода им нужно в разы больше, вы столько перекиси не вбахаете. Но, можно допустить, что в малых колличествах - ок. Пить её как-никак малопроцентрую можно же), во-вторых щёлочь будет частично разлагать её, частично обратимо превращать в NaHO2.  В общем стабильной эта мешанина явно не будет, мне кажется вы не туда копаете.
Над насыщением О2 вообще лучше не паритья, насытили чистым кислородом до предела ёмкости и ок. Над вязкостью...Пока не знаю
А вот над удалением углекислоты подумать можно. Тут наверное надо посмотреть в сторону фиксации углерода различными организмами, авто или гетеротрофами и взять кусок их метаболизма для удаления лишнего газа. Лёгкие-слишком тонкая материя. Тут не пойдёт, как на космических станциях, пероксиды и озониды юзать сразу для выделения кислорода и фиксации CO2. Тут более элегантный подход нужен. 

 

[Loiso Pondohva]

Очень условно говоря, нереалистично утрированно. Берём этот фермент https://en.wikipedia.org/wiki/Pyruvate_carboxylase, берём АТФ (только фиг его стабилизируешь конечно) берём биотин, проверяем их растворимость в нашей жидкости берём пируват, проверяем его растворимость и оксалоацетата, заливаем и смотрим фиксируется ли углекислота. 
Может есть пути легче, но я их не знаю. 
Через неоргу не подействуешь особо, нет ни растворимости, ни "биологической мягкости действия". Может есть какие хитрые ловушки для CO2 в супрамолекулярке (там же всё есть, и антикрауны вон)... 

11 минут назад, chemister2010 сказал:

Такое дыхание показано в художественном фильме Бездна. Но основные проблемы не те, что вы перечислили.

1. Масса жидкости больше массы воздуха, мышцы человека быстро устают, человек начинает задыхаться от усталости.

2. Жидкость вымывает сурфактант на поверхности альвеол, они схлопываются. Далее развивается воспаление легких.

Кстати есть сурфакантная терапия https://en.wikipedia.org/wiki/Surfactant_therapy
Заставить бы какой-нибудь из существующих препаратов эффективнее "держаться" ...

[Ruslan_Sharipov]

2 часа назад, Loiso Pondohva сказал:

Щёлочь опасна не из-за Na+ же, а из-за OH-...Так или иначе она будет реагировать с клетками. У нас в крови слегка щелочной PH и ориентироваться надо на него(7.3-7.4).

А Вы посчитайте сколько кислорода мы реально усваиваем (в граммах в минуту) и сколько углекислоты из этого образуется (в граммах в минуту). Это можно сделать через частоту вдохов и выдохов и процентную долю кислорода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе или через суточную калорийность еды. Наверно можно подобрать соответствующую концентрацию щелочи на такое количество углекислоты, чтобы она удалялась в форме кислой натриевой соли (пусть даже не целого стехиометрического состава Na_xH_2-xCO₃) и чтобы PH при этом оставался в пределах указанных Вами значений.

 

Изменено 14 Сентября, 2020 в 08:26 пользователем Ruslan_Sharipov

[Ruslan_Sharipov]

3 часа назад, Loiso Pondohva сказал:

К ТОМУ ЖЕ, перфторуглероды - неполярные растворители.

Не надо перфторуглеродов. Если Вас не устраивает перекись, то кислород можно впрыскивать в кровь напрямую тонкой струйкой через иглу. Главное чтобы не передозировать. Тогда он будет растворяться в крови и эмболии не возникнет. Если говорить о глубоководных погружениях, то на глубине в 1000 метров необходимое для жизни количество кислорода будет занимать в 100 раз меньший объём, чем у поверхности.

[Ruslan_Sharipov]

3 часа назад, chemister2010 сказал:

1. Масса жидкости больше массы воздуха, мышцы человека быстро устают, человек начинает задыхаться от усталости.

Тут может помочь искусственная вентиляция, правда не воздухом, а дыхательной жидкостью. Что-то типа экзоскелета для дыхательных мышц.

 

3 часа назад, chemister2010 сказал:

2. Жидкость вымывает сурфактант на поверхности альвеол, они схлопываются. Далее развивается воспаление легких.

Легкие можно покрыть тонким слоем не препятствующей газообмену, но неполярной жидкости, теми же перфторуглеродами например. То есть перед погружением человек дышит аэрозолем из перфторуглеродов. Такое покрытие будет препятствовать вымыванию не только сурфрактантов, но и любых иных водорастворимых веществ через лёгкие.

[samogon1]

2 часа назад, Ruslan_Sharipov сказал:

Не надо перфторуглеродов. Если Вас не устраивает перекись, то кислород можно впрыскивать в кровь напрямую тонкой струйкой через иглу.

А лёгкие наполнить жидкостью. И можно не дышать и погружаться хоть на 10 км.

[samogon1]

Всё таки заменять жидкость иногда надо когда насытится CO2. Насосом.

[chemister2010]

8 часов назад, Ruslan_Sharipov сказал:

Тут может помочь искусственная вентиляция, правда не воздухом, а дыхательной жидкостью. Что-то типа экзоскелета для дыхательных мышц.

 

Легкие можно покрыть тонким слоем не препятствующей газообмену, но неполярной жидкости, теми же перфторуглеродами например. То есть перед погружением человек дышит аэрозолем из перфторуглеродов. Такое покрытие будет препятствовать вымыванию не только сурфрактантов, но и любых иных водорастворимых веществ через лёгкие.

 

Экзоскелет - интересная идея.

 

Основная проблема в нарушении поверхностного натяжения в легких, так как оно сильно отличается в режиме альвеола/воздух от альвеола/жидкость. Проблема с подбором биосовместимого, газопроницаемого покрытия, которое не травмировало бы альвеолы и имело бы правильный баланс поверхностного натяжения с жидкостью, чтоб альвеолы не схлопывались.

 

Растворимость углекислого газа и кислорода в современных перфторуглеводородных смесях достаточна для газообмена.

 

Важно, чтоб с жидкостью в легкие не заносились патогены с кожи и из окружающей среды, но это можно предотвратить различными инженерными способами, как и удаление углекислого газа из выдыхаемой жидкости.

 

Одной из проблем является обратный переход с жидкостного дыхания на воздушное. Да и сам процесс перехода в любом направлении - это сильный стресс для организма. Может проводить его во сне?

 

Перекись и кислород - не пригодная идея. Перекись разлагается каталазами, чтоб не разрушала ткани. Кислород в концентрированном виде довольно токсичен, его нужно разбавлять другими газами.