Наука и техника: прошлое и настоящее

Жить под водой. Ихтиандры

Под водой без аквалангов

«Есть ли в Африке люди, которые могут проводить без аппаратов под водой по полчаса и даже по часу? Конечно, есть. Мне самому как-то пришлось наблюдать за таким человеком», – так сказал мне один из африканских студентов, которым я читал спецкурс в университете. Вот что он рассказал далее.

«…У нас в порту как-то при выгрузке судна, стоящего на внутреннем рейде, уронили в воду довольно ценный груз. Мой отец был в то время главным инженером порта и по долгу службы отвечал за это. Водолазов в порту не было. Судно, которое разгружали, уже сместилось, так что груз можно было считать безвозвратно потерянным.

Отец обратился к сидящим на моле „бичам”, спросив: есть ли среди них хорошие ныряльщики. Один из „бичей“, поинтересовавшись премией, вызвался разыскать этот груз. Он поплыл к возможному месту потери и нырнул. Мне было интересно и я, тоже сидя на моле, наблюдал за событиями. Все „бичи“ тоже наблюдали. И даже заключали пари.

Нырнувший мужчина долго не показывался из воды. Все решили, что он утонул. Мой отец, видимо, тоже решил, что надо всё-таки искать водолазов. Прошло около получаса. Каково же было наше удивление, когда на поверхности спокойной воды гавани показался нырнувший мужчина и закричал, чтобы ему бросили с судна конец, он закрепит его на утонувшем контейнере. Груз благополучно достали…» [1].

Истории об африканских «водяных людях» я уже читал раньше. Естественно, относясь к этим историям с большим сомнением. По-видимому, первым о них сообщил Айвен Сандерсон в книге «Там чудеса…», где описывал всякие странности.

Айвен Сандерсон – известный специалист-зоолог. Он получил образование в Кембриджском университете и как зоолог совершил много путешествий, причём преимущественно в тропические страны. Позже, переселившись в США, он увлёкся поисками различных «таинственных животных», сохранившихся с древнейших времен. Например, долго искал хищных ящеров, пожирающих бегемотов в некоторых водоёмах Африки. Африка вообще любимейший район его зоологических интересов. Действительно, специалисты считают, что в тропических лесах Африки обитают более двух миллионов видов животных, из которых науке известно не более 10%. Естественно, что в сферу специфических интересов А.Сандерсона попадали также необычные люди и племена. Возможно, самыми необычными из них были «водяные люди» Африки.

Наиболее простая ситуация, если термин «простая» здесь уместен, наблюдалась в болотистых районах области Ибибио. Населённые пункты там сосредоточены на островах среди болот и ручьёв. Люди обычно передвигаются с помощью лодок. В 1932 г. находящемуся в Калабаре резиденту британского правительства было доложено, что некоторые племена области Ибибио отказываются платить налоги. Реакция была незамедлительной: «Найти и доложить». Туда был отправлен кадет в сопровождении местного сержанта.

Добравшись, они нашли главную деревню области пустой, в хижинах не было ни людей, ни домашних животных. Конечно, они растерялись. Но при блуждании по тропинкам острова им удалось наткнуться на отдельных людей. Офицеры пригрозили им разными карами, и «арестованные» показали, где и как спрятались жители деревни.

Зрелище ошеломило офицеров. Жителей они увидели возле обрывистого берега острова, сидевших… под водой на глубине примерно 2,5 м. Вместе с ними (по рапорту кадета) были домашние животные – собаки и обезьяны. Животные лежали в лукошках, а жители были прикручены лианами к корням деревьев. Среди них были и дети. Все как бы спали.

Первые попытки разбудить людей не увенчались успехом. И лишь в конце этой истории, когда кадет уже позвал более высокое начальство, и новый состав прибыл в деревню, оказалось, что оставшемуся африканцу-сержанту как-то удалось всех разбудить. Все выбрались на воздух и как ни в чём ни бывало начали заниматься повседневными делами. Налоги, кстати, они заплатили, и все успокоились.

Немного физики

Эта необычная история заставляет задуматься. Конечно, скептики могут быстро предложить версию, что все люди дышали через трубочки из какого-нибудь камыша. Ведь прятаться под водой и дышать через трубку – военная хитрость многих древних племён. Пользовались таким методом и на Руси. Но ведь трубки были очень короткими. И лёгкие спрятавшегося человек располагались почти рядом с поверхностью.

Казалось бы, какая разница? Но нет, разница колоссальная. Под водой давление на лёгкие резко возрастает. Простые расчёты показывают, что на глубине 2,5 м сдавливание достигает примерно 150 кг. Пусть скептик попробует подышать, лежа на диване, положив себе на грудь 150 кг. Ну а те, кто пробовал дышать через трубку, знают, что уже на полуметре глубины это делать очень трудно. А среди описанных африканских «ихтиандров» были ещё и дети, и домашние животные.

Итак, жители этой заброшенной деревни могли проводить под водой на глубине 2,5 м без дыхания больше суток. То же самое умели делать дети, а также собаки и обезьяны. Единственное ли это племя, обладающее столь уникальными способностями?

Снова «водяные люди»

Студент, о котором шла речь в самом начале статьи, был родом из Сенегала. Тот, кто разыскивал утопленный груз, был его земляком. Столь длительное пребывание этого человека под водой ни у кого не вызвало изумления. Похоже, что подобные способности не являются чем-то уникальным. Действительно, в Сенегале известны береговые племена, которые занимаются морским промыслом, собирая на дне устриц и других съедобных моллюсков. Те, кто уже опустился на дно, находятся там подолгу. Всё найденное они складывают в корзины. Корзины подвешены на верёвках к утлым лодчонкам. После наполнения «сборщик» дергает верёвку, и корзину поднимают наверх. Вывалив добычу в лодку, корзину снова опускают на глубину. «Сборщики» могут проводить под водой до получаса и более.

Есть большая разница между сенегальскими «сборщиками» и прячущимися жителями области Ибибио. Те находились под водой без движения, «как будто спали», сенегальские «сборщики» ведут активный образ жизни. Первые могли проводить под водой более суток, вторые – всего лишь «до получаса и более». Эти, казалось бы, небольшие тонкости, очень важны. Ведь всё дело в том, пользуются ли они кислородом как окислителем или переходят на совсем другой тип получения энергии?

Опять немного физики

Если они живут, то им нужна энергия. Даже сонным. Температура тела у сонного человека немножко падает. Это известно. Но ведь всего лишь «немножко». А человек, сидящий в воде, пусть даже неподвижно, должен поддерживать температуру тела. Как известно, нормальная температура 36,7 °С. Во время «сна» она может упасть, но ведь не до температуры воды в ручье или реке!

Поддерживается температура тела за счёт процессов окисления. А для этих процессов обычно нужен кислород. При активном образе жизни кислорода надо ещё больше. По-видимому, из-за этого уменьшается время пребывания под водой у сенегальских «сборщиков». Но у тех и других этот период «без дыхания» совершенно фантастический. Вряд ли стоит здесь рассматривать идею существования жабр. Эта идея хороша для фантастического романа, например, для «Человека-амфибии» А.Беляева и для фильма с таким же названием, но с позиций науки она пока некорректна. Можно лишь говорить о существовании либо некоторых атавистических способностей, сохранившихся у человека с древнейших времен, либо об искусственном изменении обмена веществ в организме.

Айвен Сандерсон, о котором шла речь выше, сторонник второй идеи. В своей книге он пишет, что сенегальские «сборщики» «…что-то жевали перед погружением». Что именно они могли жевать – неизвестно. В биохимическом плане это не представляется чем-то невероятным. В крови обычного человека есть вещества, которые «запасают» кислород. «Жевание» чего-то вполне может добавлять в кровь подобные вещества. Кроме того, если мы вдыхаем обычный воздух, где чуть больше 20% кислорода, то наш организм использует всего лишь примерно 4%.

Я предложил своим студентам простенькие курсовые проекты: взять пробы крови у «сборщиков» до и после пребывания под водой. Пусть даже без анализа, если не удастся его провести. Хотя бы определить цвет: при насыщении кислородом кровь должна быть очень тёмной. И, наоборот, после израсходования кислорода, кровь резко «светлеет». Однако студенты отказались от столь простеньких «курсовых». Оказывается, в этих племенах на подобные знания и умения наложено жёсткое «табу». А рисковать своей жизнью (именно так!) студентам не захотелось.

Ещё один биохимический вариант объяснения – бескислородное окисление. Умеет ли обычный человек это делать? Скорее всего, умеет. Но это явный атавизм. Безкислородное окисление даёт намного меньше энергии, чем привычное кислородное, но изучено оно крайне мало. Оба биохимических варианта существуют у других млекопитающих (человек, как известно, тоже относится к млекопитающим). В первую очередь приходится назвать китообразных. Они не рыбы, жабр у них нет, но ныряют они на невообразимые глубины – до километра. А проводят под водой без дыхания до получаса, а иногда, как сообщается в литературе, – до полутора часов.

Есть ли что-то общее между африканскими «ихтиандрами» и китообразными, покажут будущие исследования. Пока же всё описанное остаётся загадкой.

Физика, физиология. Дышать… водой

На первый взгляд, казалось бы, полный бред. Ведь нужны жабры, где из воды выделяется нужный для организма кислород. Настоящему Ихтиандру, как известно, были пересажены жабры молодой акулы. Вот с их помощью можно дышать водой. А с помощью лёгких?.. Увы! Однако это не так.

Голландский учёный Иоханнес Кильстра решил попробовать провести эксперименты по дыханию… водой с помощью обычных лёгких. Он полагал, что лёгкие – это результат развития жабр, что они сохранили рудиментарные способности и нужные элементы, чтобы «вытаскивать» кислород непосредственно из воды.

Кислорода в воде, как известно, мало. В среднем 10 мл/л. Даже при полном использовании получается около 1%. В воздухе, которым мы дышим, содержится примерно 20% кислорода. Мы не потребляем весь этот кислород. Мы потребляем до 3–5%. Но уже получается колоссальная разница. Вдыхать воздух (объём лёгких – до 5–7 л) это одно, а «вдыхать» воду в таком же объёме – это совсем другая физическая нагрузка. А получаешь этого кислорода всего ничего...

Но подобные рассуждения не остановили учёного. В своих первых опытах, которые проводились на собаках, он помещал животных в закрытый аквариум и специально нагнетал в него кислород. Кислород в воде может содержаться не только в растворённом состоянии, но и в виде крохотных пузырьков.

Собаки выживали. И некоторое время жили. Правда, потом умирали. В чём же беда? Беда в насыщении лёгких солями из воды. К сожалению, «пломбируются» все элементы лёгких, которые «цепляют» кислород. Это направление исследований постепенно «умерло».

Физика, техника. Силиконовые жабры

Снова надо вспомнить Ихтиандра. Ему, как известно, были вживлены жабры молодой акулы. Он мог дышать и лёгкими (когда находился в воздухе), и через жабры (когда находился в воде). Эту интересную идею попытались осуществить технически. Специалисты из Японии задумались над тем, что можно увеличить поступление кислорода из воды, собирая этот кислород из большого объёма. А вот каким образом собирать – это уже техническая задача, которая неожиданно была решена… в океанологической измерительной технике.

При океанологических исследованиях необходимо на разных глубинах и в разных условиях измерять концентрацию растворённого в воде кислорода. Решено было применить для этой цели так называемый полярографический метод. Суть его довольно проста – регистрируют электрический ток, расходуемый на процесс восстановления кислорода (восстановление – это присоединение электронов, в результате чего из кислорода в воде образуются ионы гидроксила). Всё было бы действительно просто, если бы не мешали различные ионы, которые находятся в воде и тоже стремятся восстанавливаться. Чтобы эти ионы не мешали, измерительную ячейку изолируют от окружающей воды тонкой (примерно 20 мкм) плёнкой из полимера (лавсан, полиэтилен и др.). Такие плёнки обладают удивительным свойством – пропускают растворённый кислород, но не пропускают ионы.

А если иметь много-много мембран, через которые прокачивается вода с естественным содержанием кислорода? Вот тогда получаются силиконовые жабры. Конечно, прокачка лучше искусственная, а при движении в воде она дополнительно усиливается. В общем результат оказался положительным.

А вот дальше появляются трудности. Ведь дышать чистым кислородом нельзя. Необходимо его смешивать с другими газами. Подобная смесь непростая, и состав смеси зависит от глубины, на которой человек находится.

До изобретения акваланга подводники использовали легководолазное снаряжение. В СССР это были аппараты ИСА-М (индивидуальный спасательный аппарат) и ИДА (индивидуальный дыхательный аппарат). Когда океанологи РГГМУ (ранее – ЛГМИ), в том числе и автор этой статьи, проходили тренировки (двухлетний курс занятий), то они начинали именно с этих аппаратов, и лишь в конце появилась возможность пользоваться аквалангами. Это отступление было необходимо, чтобы показать: мало того, что задача выделения кислорода из воды силиконовыми жабрами решена принципиально, необходимо ещё непростое техническое оснащение этих жабр.

Физика, физиология. Дышать под водой

Пользоваться таким оснащением тоже непросто. Вот как описывает свои первые впечатления от тренировок в ЛГМИ Всеволод Джус [2]: «…Маленький баллончик с кислородом и патрон большего размера с химическим поглотителем углекислого газа располагаются на моей груди. Между ними – дыхательный мешок. Вдох-выдох. Вдох – из дыхательного мешка. Выдох – через систему клапанов и патрон с химическим поглотителем – в тот же дыхательный мешок. Вдох-выдох. Часть кислорода сгорает в моих лёгких, но мешок не пустеет: недостаток кислорода в нём автоматически пополняется из баллончика…»

Прогулки совершались в бассейне, глубина которого возрастала от мелководья до 5 м у второй стенки. И вот первые впечатления от прогулки под водой: «С увеличением глубины объём дыхательного мешка заметно уменьшается, но мне кажется, что в мешок вообще перестаёт поступать кислород. Я уже не могу глубоко вздохнуть. Знаю, что рукой надо нащупать клапан байпаса и подпустить в дыхательный мешок дополнительную порцию кислорода, но найти этот клапан никак не могу. Нащупывая проклятый клапан, я инстинктивно подсасываю полностью содержимое из дыхательного мешка. Не понимаю, что произошло, но не могу ни вдохнуть, ни выдохнуть – как будто моё горло сжалось и больше не пропускает воздух. Через несколько секунд всплываю и хватаюсь за край бассейна…»

У меня не сохранилось подобных ярких впечатлений от первых прогулок под водой с кислородным аппаратом с дыхательным мешком. Наверно, я как-то быстрее приспособился. Тем более что к началу тренировок уже умел задерживать дыхание до 1,5 мин (это достигается специальными тренировками, – нас предупредили, что впоследствии будут очень сложные задания в бассейне глубиной 10 м, например, «курить кальян»).

Физика, психология. «Курить кальян»

Это задание действительно оказалось очень непростым. Правда, у нас уже были акваланги. И был опыт. Суть задания такова. На дно, на глубину 10 м, бросают акваланг. Первый из участников, надев маску, трубку и ласты, ныряет вниз, находит акваланг и подключается к нему. Минута блаженства – дышишь. Но… хорошего понемножку, сверху уже спешит второй участник, – его столкнул инструктор. У этого участника уже нет запаса воздуха, и ему нужно передать загубник акваланга. Но ничего, вдвоём тоже нормально. Правда, уже спешит третий! И так далее. Автору пришлось «курить кальян» в компании пятерых однокурсников. Ноги переплетены, акваланг посередине, воздух закончился (вдохнуть! вдохнуть!), а загубник ещё через одного человека. А воздух ведь выдыхать нельзя, поскольку в трубках акваланга вода, и эти трубки надо продуть остатками воздуха, – только тогда сможешь вдохнуть. И выныривать наверх тоже нельзя. И не потому, что будешь отчислен из группы, а попросту можешь не всплыть, даже если сбросишь груз. Но это тоже операция, требующая времени. А если всплывёшь, не дожидаясь полного израсходования воздуха (были редкие случаи), то тоже сразу не отчислят. Инструктор наверху пнёт грубым морским сапогом по голове – вниз! Конечно, позволив вдохнуть один разочек. Но не более.

В общем, на всю жизнь запомнилось (фото 1).

Лаборатория подводных исследований ЛГМИ

Эти тренировки здесь вкратце описаны только по одной причине: ничего не делается на пустом месте. Должна происходить длительная и целенаправленная работа. В то время в ЛГМИ заведовал кафедрой океанологии замечательный человек и известнейший учёный – профессор В.В.Тимонов. Именно он сумел «пробить» организацию при кафедре специальной лаборатории подводных исследований. Руководителем этой лаборатории стал А.В.Майер. Первое время лаборатория занималась различными прикладными задачами. Но мечта о жизни под водой будоражила всех. Тем более что все с большим интересом следили за успехами в этой области Жака-Ива Кусто.

Участвовать в его эксперименте казалось невероятным. Надо было идти своим путём. И в лаборатории начали думать о строительстве собственных подводных домов. Такие эксперименты начали разные организации. Видимо, наиболее удачными были конструкции подводных домов Института океанологии АН СССР (на базе Южного отделения) и нашего института (ЛГМИ) возле Сухуми. Описывать все проблемы здесь нет ни возможности, ни необходимости, об этом можно более подробно прочитать в замечательной книге воспоминаний В.Джуса [2].

Мысли о совместной работе с Ж.-И.Кусто не покидала проф. В.В.Тимонова. Несмотря на различные международные проблемы, удалось организовать деловую встречу В.В.Тимонова и Ж.-И.Кусто (фото 2). На ней были обсуждены перспективы и программы совместных исследований, но всему этому осуществиться было не суждено – политические отношения между странами очень влияли на все подобные проекты.

Фото 2. Встреча проф. В.В.Тимонова с Ж.-И.Кусто для обсуждения проблем совместных исследований (Париж, 1967 г.)

Жить в подводных домах

Идея подводных домов, в которых можно жить, подводных ферм, где можно выращивать морепродукты, подводных фабрик, где эти продукты можно перерабатывать и т.д., распространилась тогда, видимо, по всему миру. Сейчас она потерялась среди кричащих реклам, но иногда снова вспыхивает. Ведь ни для кого не секрет, что земля всех людей прокормить не может. Можно рассчитывать только на океан. А закидывать туда тралы и добывать рыбу – это пещерный век (охота и элементарное рыболовство). Надо осваивать океан, как человек осваивал землю – поля, пашни…

Но вот ведь какая штука: запаса воздуха в баллонах акваланга хватает ненамного. Конечно, великое изобретение – акваланг. Но дышать под водой приходится под таким же давлением, как вокруг. А давление увеличивается на 1 атм через каждые 10 м! Если хочется попутешествовать на глубине 30 м, то дышать придётся под давлением 4 атм (одна – с поверхности и три добавочные). По-иному нельзя – раздавит лёгкие, может выдавить глаза… не хочется перечислять.

А ведь «морские огурцы» – трепанги, к примеру, – живут примерно на таких глубинах. Автор собирал трепангов на склонах подводных холмов в Японском море. Это очень простая задача, когда свободно плывёшь на нужной глубине и знаешь, что нужно делать. Но ведь кроме трепангов есть колоссальное количество очень нужных человечеству морепродуктов! И на разных глубинах. Морской шельф – это необыкновенное богатство каждой страны. Правда, сейчас забыли, что не только из-за нефти и газа.

Но всё-таки зачем нужны дома? Чем глубже под воду забирается человек, тем больше ему нужно времени, чтобы спуститься и подняться. Многие не знают, что скорость свободного падения в воде не более 2 м/с. Будь это человек или камень... Заглубляться, помогая ластами, что обычно и делают, конечно, можно, но это увеличивает расход воздуха. А вот подниматься – это более сложная задача. Казалось бы, а что особенного? Сбросил груз и, как поплавок, выбрасывайся на поверхность! Быстро! Но нельзя.

В акваланге атмосферный воздух. Естественно с азотом. Азот растворяется в крови человека. Поэтому из глубины надо подниматься достаточно медленно, чтобы азот выделился из крови и был выброшен наружу. А иначе – кессонная болезнь. Кессонная болезнь, или эмболия, получается именно из-за азота. Если подниматься быстро, то азот выделяется непосредственно в кровеносных сосудах, образуя пузырьки и закупоривая эти сосуды (embolus в переводе на русский – пробка). В результате то тут, то там возникает резкая боль. Если человека сразу же не поместить в барокамеру, то всё может закончиться весьма печально (подробнее см. [3]).

Один из наших океанологов, работая в экспедиции по эксплуатации подводных домов, как-то попал в ситуацию, когда надо было спасти одного из бессловесных жителей подводного дома (я не помню, но это, вроде была не Кессонка, фото 3). Спасти – это значит поддержать воздухом, пока дом из-за шторма теряет плавучесть и уходит вниз. Потом придут спасатели. Герман выбросил в подводный дом весь воздух из своего акваланга. После этого рванул наверх, не соблюдая правил. Его, конечно, быстро нашли, перетащили в декомпрессионную камеру, но время было упущено. Лечился он очень долго.

Подниматься надо медленно. Ни в коем случае не обгоняя пузырьки воздуха при выдохе. А это время... Поэтому получается, что лучше всего… жить под водой.

Подводные дома «Садко»

Не очень хочется описывать различные варианты экспериментальных подводных домов. Долго и сложно. Ведь нужен подвод электроэнергии (холодно же на глубине!), подвод воздуха (и часто не просто воздуха, а нужной смеси), транспортировку питания (что же, голодным оставаться ради науки?) и т.д. Проблем и специфики очень много.

Автору ближе всего дома «Садко», поскольку это разработки родного института. Сам автор ни разу не был в таком подводном доме, но прекрасно представляет, каким запасом энтузиазма, жизненных сил и веры в своё «бессмертие» (это правда: в молодости почти все верят в своё бессмертие) надо было обладать, чтобы заниматься подобными экспериментами. Первый вариант дома «Садко» был сделан в виде сферической камеры (см. фото на с. 1). Самая лучшая конструкция подводного дома «Садко» – это, по-видимому, «Садко-3» (фото 4). Вполне естественно, ведь конструкции отрабатываются – невозможно с первого раза сделать хорошо. На фотографии подводный дом кажется не таким уж впечатляющим. На самом деле он состоит из нескольких секций. Жилая – лишь верхняя. Там койки, там камбуз и т.д. Нижние секции – хозблоки, включая запас аквалангов. На фото 5 – группа первых «ихтиандров» (В.Джус называл их «гидронавтами»). Так уж получилось, что автор их всех хорошо знал. А на фото 6 – первые гости подводного дома. Здесь нет никаких неожиданностей. Подводный дом открыт снизу – там люк, а в нём вода. Ведь давление воздуха в доме соответствует давлению снаружи.

Послесловие

Все фотографии в этой статье взяты из архивов лаборатории подводных исследований и из книги воспоминаний В.Е.Джуса [2]. С ним мы часто встречались, даже когда он уехал в Мурманский морской биологический институт (п. Дальние Зеленцы на Баренцевом море) и организовал новую лабораторию подводных исследований. Но подводных домов там уже не было. Я часто приезжал в посёлок по своим научным делам.

Всеволод Джус погиб в Дальних Зеленцах. Погибли (или просто умерли) многие из бывших советских «ихтиандров». Время уходит...

 

Литература

1. Климов М. (Степанюк И.А.). Ихтиандры Африки. – Колумб, 2005, № 16.
2. Джус В. Мы – гидронавты. – Л.: Гидрометеоиздат, 1974.
3. Степанюк И.А. Тайна китов-«самоубийц»: поиск физических механизмов. – Физика-ПС, 2009, № 1.