Взамен кислорода гемоглобин получает "отработанный" в клетках углекислый газ и выносит его к альвеолам. Здесь происходит новый обмен. Гемоглобин расстается с углекислым газом и приобретает кислород. Чтобы снова отдать его клеткам.
Ясно, что главная "деталь" внутреннего узла – обменный пункт, альвеолы. Внутри альвеол – воздух, богатый кислородом. Снаружи – кровь, в которой много углекислоты. Между ними тонкая стенка, перегородка. Через неё должен быть произведён обмен. Сложная задача. Стенка мешает. Убрать её? Но тогда кровь хлынет в лёгкие. Нет, стенка нужна. Но стенка особой конструкции. Непроницаемая для жидкостей и твердых частиц, она должна свободно пропускать газы.
Именно так и решил задачу великий конструктор – природа. Теперь уже подобные стенки (их называют обычно полупроницаемыми перегородками) начинают применяться и в технике. Но создателем их является природа – не будем забывать автора…
Итак, на обменный пункт прибыла тёмно-вишнёвая венозная кровь, несущая продукты окисления – углекислоту, пары воды. Она омывает тонкие стенки альвеол. Там, в альвеолах, воздух, богатый кислородом. Молекулы газов, летящие во всех направлениях, "прошивают" перегородку. Происходит постепенное (а в конечном счёте очень быстрое, ибо площадь альвеол огромна) выравнивание состава. Часть альвеолярного кислорода поступает в кровь; продукты сгорания проникают в альвеолы и при выдохе уходят в атмосферу.
С обменного пункта кровь следует дальше, к клеткам. Теперь она алого цвета. У неё и название другое, светлое – артериальная кровь. Сердце – бесперебойный насос – качает и качает её, чтобы самые отдалённые ткани получили кислород. Ведь кислород – это жизнь.
В конструкции человеческого двигателя есть ещё одно, очень интересное и важное устройство. Оно напоминает современные системы автоматического управления. Это устройство регулирует "внешнее" дыхание.
Допустим, меня что-то заинтересовало: футбольный матч или партия в шахматы. Я так увлёкся, что смотрю на поле (или на доску) "разинув рот". Хочется пить, но мне не до того. В азарте я забыл даже, что надо делать вдох и выдох – дышать.
Что произойдёт? Альвеолярный воздух после каждого обмена становится всё беднее кислородом и богаче углекислым газом. Наконец настанет момент, когда обмен прекратится. Артериальная кровь станет такой же тёмной, как венозная, такой же бедной кислородом. Она пойдёт к клеткам, но ей нечего будет им дать, она не сможет ничего получить взамен. Клетки задохнутся в продуктах сгорания, наступит смерть.
Хороший конструктор учитывает свойства машины. И природа "предусмотрела" специальное устройство – "дыхательный центр", – которое действует автоматически.
Всякий автомат срабатывает от какого-то внешнего воздействия. Это может быть тяжесть трёхкопеечной монеты (в автоматах с газированной водой), повышение или понижение температуры (в термостатах), фотохимическое действие света и т. п. Однако какой-то "толчок" должен быть. Именно его улавливает "принимающая" часть автомата и передает приказ исполнительному механизму.
Какой "толчок" выбрали бы вы в данном случае? Подозреваю, что самый простой – недостаток кислорода, уменьшение его концентрации в лёгких (или в альвеолах) до определенной величины. Такое устройство вполне можно представить. Скажем, в альвеолах есть чувствительный "датчик", который отзывается на изменение состава воздуха. Когда содержание кислорода в них упадет, допустим, до 12 процентов (обычно 15-16), "датчик" сработает, передаст сигнал в мозг, и оттуда поступит такой приказ, что вы мгновенно забудете о футболе и сделаете вдох или выдох.
Но тем временем организм будет испытывать кислородный голод. Как говорят физиологи, образуется кислородный "долг". Такой долг возникает у спортсменов при большой нагрузке. Например, при скоростном беге на короткие дистанции. В эти моменты человек способен израсходовать в минуту до 35 литров кислорода. Между тем даже у хорошо тренированного человека максимальная доставка кислорода составляет лишь 4-5, редко 6 литров в минуту.
Поэтому бег с такой скоростью может продолжаться лишь несколько секунд (для стометровки – 10-12 секунд). Этот небольшой промежуток мышцы работают в условиях недостатка кислорода, за счёт резервов. Человек быстро устаёт, ему сразу же необходим отдых, "восстановительный период", в течение которого организм погасит кислородную задолженность.
Но одно дело рекордный бег специально тренированного спортсмена, длящийся секунды, и совсем другое – обычная жизнь. Тут не может быть никаких "долгов", потребность в кислороде должна удовлетворяться полностью. Учитывая это, природа построила работу дыхательного центра на другом принципе. Автомат срабатывает не при недостатке кислорода, а при… избытке углекислоты!
Автомат действует очень хорошо и надежно. В этом легко убедиться, если попробовать не дышать. Минута, максимум полторы, и вы начнёте жадно хватать воздух. В лёгких еще достаточно кислорода, никакого "долга" нет. Но углекислота накопилась, и автомат сработал, предупреждая кислородный голод.
В обычных, земных, условиях дыхательный автомат работает безукоризненно. И не его вина, если человек, не довольствуясь поверхностью земли, лезет под воду или поднимается в верхние слои атмосферы. На эти случаи автомат не рассчитан, тут возможны всякие неожиданности. И когда об этом забывают…
ТРОЕ НА ВОЗДУШНОМ ШАРЕ
Утром 15 апреля 1875 года аэростат "Зенит" оторвался от земли и начал стремительный подъём. День был ясный, солнечный. Ветер почти не ощущался. Всё предвещало удачный полёт и благополучное возвращение.
Аэронавты не сомневались в успехе. Командир "Зенита" француз Тиссандье десятки раз поднимался на аэростатах различных конструкций. Немалый опыт имели и члены экипажа итальянцы Кроссе-Спинелли и Сивель.
"Зенит" был снабжён всем необходимым. Продовольствие и вода на несколько дней, тёплая одежда, резиновая лодка. Аэронавты захватили с собой даже запас кислорода в подушках. Большая подъёмная сила и солидный балласт позволяли надеяться, что "Зенит" сможет подняться на небывалую высоту.
Запас кислорода в подушках был невелик. Но аэронавтов это не беспокоило. Они решили экономить кислород, воспользоваться им, только когда почувствуют удушье. К тому же при малейшей опасности они откроют клапан, стравят избыток водорода и начнут немедленный спуск.
О том, что произошло дальше, почти ничего не известно. На высоте около 7 километров Тиссандье посоветовался со спутниками, сбросить ли балласт, чтобы продолжать подъём. Сивель и Кроссе-Спинелли радостно согласились. Тиссандье сбросил несколько мешков с песком, и аэростат прыгнул вверх. Самочувствие у всех было отличное, настроение чудесное. "Мне никогда не было так хорошо, – рассказывал потом Тиссандье. – Я ощущал, что погружаюсь в сон: лёгкий, приятный, без сновидений". В последний момент он успел открыть клапан.
Очнулся Тиссандье через час. В голове шумело. Внутри было пусто, словно из него выпустили воздух. Он попробовал двигаться. Тело сделалось ватным, он с трудом поднял руку. Аэростат плыл на высоте 6 тысяч метров.
С огромным трудом Тиссандье добрался до своих спутников. Они были без сознания. Постарался привести их в чувство. Не удалось. Безжизненно белые лица и странные улыбки, будто они притворяются, шутят, а в глубине души смеются над ним. Тиссандье был храбрым человеком, но эта застывшая радость привела его в ужас. Усилием воли он заставил себя дотянуться до каната, открыл клапан. Аэростат медленно заскользил вниз…
Ни надувная лодка, ни запас провианта не понадобились. Аэростат опустился в густо населённом районе. К месту приземления немедленно прибыли врачи. Энергичные меры дали возможность спасти Тиссандье. Кроссе-Спинелли и Сивель погибли, так и не придя в сознание. При осмотре в кабине аэростата были найдены подушки, полные кислорода, аэронавты ими не воспользовались.
Эта трагическая история взволновала современников. Как объяснить гибель аэронавтов? Почему они – люди храбрые и опытные – не воспользовались кислородом? Что это за странное чувство радости, о котором рассказывает Тиссандье?..
Сейчас, когда высотные полеты стали обычными, нам понятна трагическая история "Зенита". Аэронавты были уверены, что почувствуют недостаток кислорода и успеют "включить" подушки. В этом была их главная ошибка. Ошибка, за которую двое из членов экипажа заплатили жизнью.
Исследования последних лет показали, что уже на высоте 1,5-2 километров человек хуже видит и хуже думает. Предметы кажутся ему плоскими – нарушается так называемое глубинное зрение. Особенно ослабевает зрение ночью. В полутьме человек с трудом различает показания приборов. Задачи, которые он легко решал на земле, требуют больших усилий.
На высоте 4 километров человек чувствует слабость, головокружение. Даже несложная работа его утомляет. С подъёмом это ощущение исчезает, кажется, что все опять нормально. Однако это обманчивое благополучие. Резкое движение, случайное усилие, и человек теряет сознание.
Высота 6-7 километров – граница. Сознание висит на "ниточке". В любое мгновение "ниточка" может порваться без всяких видимых причин. У человека нет сил ни работать, ни думать.
О высоте 8 километров в книгах сказано коротко: "Грозит смерть"…
Тиссандье и его товарищи, как удалось установить, достигли высоты 8600 метров. Остальное понятно. Только крепкий организм и привычка к высотным полетам спасли жизнь командиру "Зенита".
Исследования дали ответ и на другой вопрос. Нарушения нормальной деятельности, вызванные высотой, сам человек обычно не ощущает. Больше того. Чем слабее становится сознание, тем легче, спокойнее и увереннее он себя чувствует. И если ему сказать, что он плохо соображает, хуже видит, он не поверит. Кислородный голод вроде опьянения.
Но это внешняя сторона дела. А как высота отражается на работе человеческого двигателя и, в частности, "дыхательного автомата"?
Оказывается – и в этом суть! – автомат не реагирует на высоту, он продолжает действовать так, словно ничего не случилось. Автомат "настроен" на углекислоту. Если её содержание в альвеолярном воздухе поднимется выше нормы, автомат сработает: человек начнёт делать частые и глубокие вдохи, станет задыхаться, ощутит беспокойство…
Однако на высоте содержание газов в атмосфере не меняется. Человек дышит нормально. Поступивший из крови в лёгкие углекислый, газ своевременно удаляется из организма. Дыхательный центр не испытывает раздражения, и автомат спокойно работает, обеспечивая вдох и выдох. И не замечает, что это совсем не тот вдох, что над человеком нависла смертельная опасность.
А вдох действительно не тот. В воздухе, которым дышит человек, по-прежнему 21 процент кислорода. Но сам воздух (и, следовательно, кислород) имеет гораздо меньшую плотность. Как известно, на уровне моря давление воздуха 1 атмосфера, что соответствует 760 миллиметрам ртутного столба. С ростом высоты давление падает. На высоте 2 километров – 596 миллиметров ртутного столба; 6 километров – 354; 8 километров – 267 миллиметров. Уменьшается и парциальное давление кислорода. Если в нормальных условиях оно составляет 160 миллиметров, то при подъёме, скажем, на 6 километров давление кислорода снижается до 74 миллиметров ртутного столба.
Между тем насыщение крови кислородом зависит именно от его парциального давления. Это естественно. Ведь чем ниже давление газа в альвеолах, тем медленнее он проходит через "перегородку", медленнее растворяется в крови и соединяется с гемоглобином.
Всё идет как будто нормально. Сердце работает, кровь совершает свой вечный круговорот. Только кислорода в ней недостаточно. Ткани и клетки переходят на голодный паек, начинают задыхаться. Реакции, идущие в организме, замедляются, затухают. Грозит смерть.
Испытания показали, что на высоте 14 километров не помогает даже дыхание чистым кислородом. На этой высоте атмосферное давление 106 миллиметров ртутного столба. Понятно, что и чистый кислород имеет такое давление. А это гораздо меньше, чем нужно, ибо при обычных условиях его парциальное давление в воздухе 160 миллиметров.
И всё-таки с каждым годом человек поднимается всё выше. Космос – это мир, вовсе лишённый кислорода. А человек уже начал штурм космоса.
Без кислорода? Нет, с кислородом. При подъёмах на высоту 4-12 километров применяются приборы, в которых человек дышит чистым кислородом. Выше используют стратосферный скафандр, похожий на водолазный. Это – герметически закрытый полётный костюм, внутри которого постоянное давление воздуха.
Для полётов на высоту свыше 18 километров необходима специальная герметическая кабина. В ней поддерживаются нормальное атмосферное давление и постоянный состав воздуха. Именно в таких кабинах совершали свои изумительные полёты советские космонавты.
Современные пассажирские самолеты (ИЛ-18, ТУ-104, АН-10-и др.), летающие на высоте 8-10 километров, также оборудованы герметическими кабинами.
… Конечно, в тот день я не говорил ни о космосе, ни о реактивных лайнерах. Был 1948 год. Но о высотных скафандрах я упомянул, они уже применялись.
– Подождите, – остановил меня Смолин. – Дайте подумать. Итак, насколько я понимаю, высота обманывает "дыхательный автомат" человека. И это кончается печально.
– Правильно, – подхватил Гена. – Мы его тоже обманываем, но по-другому. Со знанием дела. И всё кончается сверхблагополучно.
– Вы уверены?
– Абсолютно. Завтра вы ещё раз сможете убедиться.
– Хорошо. И всё-таки расскажите подробнее. Тогда-то и было впервые произнесено это слово – "апноэ".
"ПОБЕДИТЕЛЬ ПОЛУЧИТ ВСЁ!"
Девять часов вечера, но ещё светло. Солнце висит над морем и медленно сползает вниз, к горизонту. Кончается июнь, самые длинные дни в году. Время Смолин выбрал специально: вечером бассейн закрыт, сюда никого не пускают. Нас, конечно, пустили. Если бы для проведения опытов нужно было попасть в рай, Смолин исчез бы на минуту, а когда вернулся, соответствующий апостол (кажется, Пётр) уже распахивал бы райские ворота.
– Никого! – предупреждает Смолин.
– Слушаюсь. – Охранник бассейна, дядя Петя, подносит руку к козырьку. Фуражка у него, понятно, морская.
Смолин вводит нас в раздевалку.
– Устраивайтесь удобнее, – гостеприимно приглашает он. – Хозяйство вот сюда, на стол. Одежду прямо на скамейку. Трусы? Действительно, могли быть короче… А в общем, ерунда, посторонних нет.
Посторонних, конечно, нет. Смолин, Д.Д. и мы.
Прямо в трусах (тепло) идём выбирать место. Бассейн нам знаком (здесь мы убедились, что не имеем права дышать кислородом), но Смолин осматривает его снова.
– Эта лестница годится, – решает он. – Никаких фокусов. Спуститесь на три ступеньки, сядете – и всё. Будете держаться за перила.
– Так неинтересно, – возражает Гена. – Получится, как в ванне.
– Ничего.
– И я даже не смогу помахать ногой.
– Высунешь макушку и поморгаешь глазами.
– Но…
– Кончили, – командует Смолин.
Гена недовольно ворчит. Однако спорить бесцельно.
В этот самый момент запертая калитка распахивается, появляются две фигуры.
– Что ещё за новости? – Возмущённый Смолин бросается наперерез.
Мы ждём – сейчас фигуры исчезнут. Ничего подобного. Они подходят к Смолину, начинается беседа – по виду вполне дружеская. Теперь они идут к нам, уже втроём.
Здороваемся. Молодые ребята, примерно нашего возраста. Лейтенанты. Очевидно, из Каспийской флотилии. Зачем они здесь в такое время?
– Хотим потренироваться, – замечает один. Он выше ростом и держится увереннее.
– Чемпион страны по плаванию брассом, – с уважением добавляет Смолин.
– Чемпион военно-морских сил по плаванию вольным стилем, – говорит тот, представляя нам второго лейтенанта, пониже.
Называем свои фамилии. Просто, без титулов. Мой первый разряд по шахматам тут ни к чему. Гена же давно перестал быть чемпионом школ города. Да и что это за звание, когда разговариваешь с чемпионами Советского Союза по плаванию! Чемпион военно-морских сил – тоже почти чемпион страны.
Лейтенанты на мгновение уходят в раздевалку и появляются уже в форме. На них трусы, но какие! Чёрного цвета, отлично подогнанные, с широкой зелёной каймой у пояса и такими же каёмками внизу. А фигуры… Одним словом, лучше не сравнивать.
– Ребята собираются тренироваться? – спрашивает Смолина высокий.
Спрашивает серьёзно, без малейшей улыбки. Скорее, даже уважительно. Но Смолин мрачнеет. По его собственному адресу можно шутить. Он рассмеётся и ответит. Однако не вздумай затронуть "его изобретателя". Этого он не простит. Сейчас дело не в тоне. Просто Смолин понимает, что чемпион страны не может относиться всерьёз к двум неспортивного вида личностям в трусах почти до колен.
– Ребята ещё будут чемпионами, – сдержанно говорит Смолин.
Высокий мельком оглядывает нас. Высокий рост и длинные руки Гены останавливают его взгляд. Но грудь у Гены узкая, он сутулится. Я шире в плечах, руки у меня крепче. Однако я невысок и в очках…
– Возможно, – вежливо кивает чемпион. – Отчего же. Вполне.
От этого "вполне" лицо Смолина приобретает цвет варёного бурака. Забыв о собственных обидах, мы с беспокойством смотрим на него.
– Собственно, кое в чём ребята уже сейчас никому не уступят, – спокойно говорит Д.Д. Он всегда успевает вовремя.
– В шахматах? – интересуется высокий. Это прямое нападение. Высокий улыбается, скрывать больше нечего.
– И в шахматах, – парирует Д.Д. Он единственный из нас не играет в шахматы, вопрос его не задевает.
– А поближе к воде? – вмешивается до сих пор молчавший чемпион военно-морских сил.
– Можно и поближе… – лениво тянет Д.Д. – Скажем, ныряние на дальность или на время.
– У нас в стране такие состязания запрещены, – возражает молчаливый.
Но высокий перебивает его. Они слишком далеко зашли. Теперь им просто нельзя отступать. Да это и не состязание – какие мы для них соперники…
– Пожалуйста, – говорит он быстро. – Условия?
– Условия простые, – решает Смолин. – Кто дольше пробудет под водой.
Тут он уверен. На лестнице, в спокойной обстановке минут пять мы наверняка высидим.
– А ныряние на дальность? – спрашивает высокий.
Видимо, он что-то чувствует и не хочет рисковать. В плавании мы, конечно, за ним не угонимся.
Вырабатываем программу. Соревнования проводятся по двум видам: длительность нахождения под водой и дальность ныряния. В каждом виде программы от команды участвует один человек.
Мы отходим в сторону и совещаемся. Собственно, обсуждать нам нечего. Путь, пройденный телом, зависит, как известно, не только от времени, но и от скорости. При моем умении нырять я проиграю, даже если пробуду под водой час. Вопрос стоит иначе: берётся ли Гена? Не только берется – категорически настаивает на этом.
Объявляются пары. Вместе с Геной на дальность стартует высокий лейтенант, чемпион Союза. Чемпион военно-морских сил будет состязаться со мной.
Смолин выговаривает нам выгодные условия. В обеих парах мы стартуем вторыми. Соперники пробуют возражать, но Смолин деликатно указывает на их титулы. К тому же, замечает Д.Д., это они нас вызвали. А по правилам дуэли оскорблённый имеет преимущество…