Хоть жизнь и зародилась в океане, вода как дыхательная среда значительно менее благоприятна, чем воздух. Она в 780 раз более плотная, в 61 раз более вязкая, а кислорода в ней содержится (при атмосферном давлении и температуре 20° С) в 30 раз меньше. Если бы человек дышал жабрами, ему пришлось бы прокачивать через них в 30 раз больше по объему и в 20 000 больше по массе дыхательной среды.
Легкие млекопитающего вполне в состоянии извлекать кислород из воды. Так что человека можно научить дышать водой. Имя первого человека, испробовавшего на себе это изобретение — водолаз Фрэнсис Фалейчик. В его трахею (под анестезией, естественно) ввели катетер, состоящий из двух трубок, по одной трубке на каждое легкое. Воздух в одном легком вытеснили физиологическим раствором, нагретом до температуры тела.
Процесс дыхания состоял в том, что в легкое исскусственно закачивали и откачивали порции аэрированного физиологического раствора. Операция повторялась 7 раз. Во втором эксперименте были задействованы оба легких.
Этот лабораторный эксперимент очень далек от реальной жизни. Физиологический раствор — это 0,9-процентный раствор NaCl, и он по концентрации солей сильно отличается от состава морской воды. Закачивали жидкость в легкие искусственно. И подогревали ее не просто так.
Кусто мечтал о появлении Человека водного — Homo Aquaticus, дышащего с помощью искусственных жабр: «С их помощью мы обойдем легкие и сможем жить и дышать на любой глубине сколь угодно долго без какого-либо вреда».
«Простейшие жабры — это коробочка, обтянутая проницаемой для кислорода мембраной», — сказал Уолтер Робб из компании «General Electric». В его первых экспериментах в 1961 году в аэрированной воде жили хомячки. Его последователь Эдвард Кушлер из Миннесотского университета бросил в воды Миссисипи терьера своей жены, надев на шею бедолаге камень, а на голову — шлем, соединенный с искусственными жабрами. Собака провела на дне 3 часа и выжила.
Проблемы искусственных жабер
Главная проблема искусственных жабер состоит в том, что потребность рыбы в кислороде значительно меньше, чем у человека. Конечно, растворимость газов в воде увеличивается с ростом давления, и теоретически на глубине 100 м в воде может быть растворено кислорода вполне достаточно для дыхания человека.
Однако количество кислорода в океане на самом деле определяется не его растворимостью, а окислительными (связывающими кислород) и восстановительными (освобождающими кислород) реакциями. Водоросли выделяют кислород в процессе фотосинтеза. Около 10 % выработанного водорослями кислорода уходит обратно в атмосферу. Рыбы поглощают его при дыхании. Микроорганизмы разлагают органику, тоже поглощая кислород.
Были проведены кропотливые работы по измерению содержания кислорода на разных глубинах, и они показали, что содержание кислорода вовсе не увеличивается с глубиной. Кроме того, в океане всегда существует слой с минимальным содержанием кислорода. Он находится примерно на глубине 700 плюс-минус 200 метров.
Хотя, конечно, вопрос разрешим — чем больше площадь мембраны, тем больше воды прокачается через нее и тем больше кислорода удастся добыть. По рассчетам Робба, для человека потребуется мембрана площадью не менее 80 кв. м. Для удобства ее можно собрать в складки. Кроме того, из воды необходимо добывать и азот, потому что чистым кислородом человек дышать не может.
Римский военный теоретик и историк Вегеций (385 г. н. э.) описывал подводных воинов, которые дышали воздухом, подаваемым в кожаный мешок с поверхности.
В 2006 году ученые из Ноттингемского университета опубликовали в журнале «Applied Physics Letters» свою модель искусственных жабер, основанных на способе дыхания жука-плавунца. Известно, что этот жук берет с собой под воду запас воздуха, который удерживается между волосками на его брюшке. Но не все знают, что дыхальца жука открываются в этот воздушный пузырек.
Потребляемый жуком кислород восполняется в процессе естественной диффузии на границе «вода-воздух». Аналогично, с увеличением количества углекислого газа, его избыток растворяется.
Ученым во главе с Гленом Макхейлом удалось создать сверхводоотталкивающую пористую пену, которая уносит под воду пузырьки воздуха и не препятствует газообмену. Если экстраполировать процесс под потребности человека, ему потребуется пленка площадью около 296 кв. м. Для перемещающегося в пространстве аквалангиста многовато, а для подводного дома, наверное, и не слишком много.