Властелин Окси-мира

В том же порядке – впереди Смолин с Геной – мы входим в Отдел изобретений. Конечно, нас ждут. Коваленко встаёт. Майя и Люся делают вид, что чертят, а из-за досок с любопытством оглядывают нас.

А вопросов не задают. Дисциплина. На флоте, пусть торговом, задавать вопросы начальнику не положено. Наши приготовления они видели и понимают, что проводился какой-то опыт. Ясно, результаты хорошие, Смолин сияет. Со временем они узнают, в чём дело, – от Майи и Люси в Отделе нет секретов. А пока… Пока придётся подождать. Наша кавалькада проходит в кабинет, дверь закрывается.

Смолин садится и кладёт перед собой секундомер, на большом циферблате отчётливо выделяются цветные стрелки. Они замерли на знакомых делениях. Но я не могу отказать себе в удовольствии. Ещё раз проверяю. Всё точно – семь минут пятнадцать секунд.

– Теперь рассказывайте, – командует Смолин.

– Разрешите два вопроса? – это Данил Данилович.

– Пожалуйста.

Смолин сейчас совсем другой, настоящий начальник Отдела. Прямо не верится, что несколько минут назад он с восторгом смотрел на Генину босую ногу и старательно укутывал его простыней.

– Эксперимент можно повторить в бассейне? – спрашивает Д.Д.

– Вполне, – уверенно подтверждает Гена.

– Когда?

– Хоть завтра.

– У меня всё, Сергей Петрович, – докладывает Д.Д.

– Хорошо, тогда рассказывайте.

Гена смотрит на меня.

Придвигаюсь к столу – говорить должен я. Соображаю, с чего начать.

Может быть, прямо с Лавуазье? Знаменитый доклад, который он прочёл 3 мая 1777 года на заседании французской академии наук, начинался так: «Из всех явлений животного организма нет более поразительных и более достойных внимания физиков и физиологов, чем явления, сопровождающие дыхание».

А может быть, вспомнить древнего философа Мао-Хоа? В VIII веке он высказал мысль, что воздух, как и все другие вещества, состоит из двух начал: сильного – «янг» и слабого – «ин». Чем больше «янга», тем вещество чище, лучше, благороднее. Например, воздух можно очистить от «ина», если нагреть в нём металлы, серу или уголь.

Похоже, Мао-Хоа думал, что источником «жизненной силы» является «янг» (азот), тогда как кислород («ин») – слабая и вредная часть воздуха. На себе он, видимо, опытов не ставил. Иначе дыхание благородным «янгом» кончилось бы печально…

Или вспомнить любопытную историю, связанную со словом «азот»? Когда Лавуазье установил, что азот не участвует в дыхании, он предложил назвать его «безжизненным». По-гречески «а» – отрицание («без»), «зоэ» – «жизнь». Получилось – азоэ, или, для удобства произношения, азот.

Однако название «азот» существовало за много веков до Лавуазье. И относилось оно к тому же газу. В древности считали, что азот – основа жизни. Потому его и назвали так. «А» – первая буква всех известных тогда алфавитов; «Z» – последняя буква латинского алфавита; W (омега) – последняя буква греческого; «Т» (тов) – древнееврейского. Вышло «азот» – «начало и конец всех начал».

Совпадение, конечно, случайное. Но интересное и очень точно передающее двойственность азота. «Безжизненный», он составляет одну из основ жизни…

– Начинайте с самого начала, – дружески улыбаясь, советует Смолин.

Ах да – дыхание. Издавна замечено, что есть нечто общее между дыханием и горением: в обоих случаях нужен воздух. Так, может быть, дыхание – то же горение, только медленное? Примерно так ответил на этот вопрос Лавуазье – первый, кто сумел понять сущность дыхания. Но ведь сейчас мы знаем гораздо больше. Многие учёные после Лавуазье – физики, химики, физиологи – занимались проблемой дыхания.

Я машинально открыл лежащую на столе книгу. Повесть. Пробежал несколько строк и рассмеялся. Готовое начало.

В ОБЫЧНЫХ ЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ…

«… Иван Иванович встал, медленно прошёлся по комнате. Взглянул в окно. Достал портсигар, щёлкнул крышкой, закурил. Прилёг. Лежал, вспоминая утренний разговор, думал…»

В действиях неизвестного мне Ивана Ивановича как будто нет ничего необычного. Но у меня особый взгляд. «Встал, прошёлся, взглянул, достал, щёлкнул, закурил, прилёг» – каждое из действий требует усилий, работы. И лёжа Иван Иванович совершал работу – думал. Его организм продолжал бы работать, даже если бы он уснул: билось бы сердце, прогоняя кровь, сжимались бы мышцы, трудился бы мозг, осваивая впечатления дня. Правильно сказано: «Покой нам только снится»…

Любая машина, работая, тратит энергию. Виды энергии различны: тепловая, электрическая, химическая. Но принцип: работа – энергия, остаётся неизменным.

Расход, энергии должен восполняться. В двигателе внутреннего сгорания сжигаются всё новые порции горючего. На гидроэлектростанции падающая вода вращает турбины, механическая энергия переходит в электрическую. В атомном котле тепло рождается в процессе непрерывного распада радиоактивных элементов.

Если внутри человека не смонтирован вечный двигатель, то энергия, которую он тратит, также должна восстанавливаться. Роль топлива в человеческом двигателе выполняют пищевые продукты: мясо, масло, сахар. Или, в переводе на язык химии, – белки, жиры, углеводы. При их окислении выделяется энергия. Она-то и даёт возможность Ивану Ивановичу медленно пройтись по комнате, взглянуть в окно, щёлкнуть портсигаром…

Правда, наш двигатель работает несколько иначе (и проще, и сложнее), чем обычные тепловые. Возьмём для сравнения паровую машину. Сгорание угля – химическая реакция соединения углерода и водорода с кислородом. При реакции выделяется теплота – химическая энергия переходит в тепловую. Теплота нагревает воду, превращает её в пар. Пар приводит в движение поршень – тепловая энергия преобразуется в механическую. Итак, прежде чем начать работать, «двигать», химическая энергия проходит через лишнюю ступень – тепловую.

В человеческой машине этой ступени нет. Химическая энергия клеток переходит непосредственно в механическую – вызывает сокращение мышц, возбуждение нервных окончаний, торможение. Процессы, из которых в конечном счёте складывается вся деятельность человека: от удара ногой по мячу до создания научной теории.

Реакции, идущие в организме, многообразны. С энергетической точки зрения особенно важны окислительные реакции – соединение углерода, водорода и других элементов пищи с кислородом. Именно эти реакции дают организму основную часть энергии.

Если спросить шофёра, что нужно для нормальной работы двигателя, он сразу ответит: «горючее». Подумав, он назовёт ещё смазочное масло, воду. О кислороде он, вероятно, и не вспомнит, хотя кислорода двигатель «съедает» больше, чем бензина и масла. Но воздух ничего не стоит, его расход не учитывается.

А мы учтём. В обычных условиях человек за сутки вдыхает не меньше 12 кубических метров воздуха. И «съедает» примерно 2 кубометра (около 3 килограммов) кислорода. Количество достаточно солидное.

Куда девается этот кислород? В окислении участвуют двое: то, что окисляется, – топливо, и то, что окисляет, – окислитель. Оба они одинаково важны.

Человеческий организм имеет большие запасы «топлива» (хотя бы жира). Но резервов окислителя в нём нет. Поэтому без еды человек может жить около трёх месяцев, а без кислорода лишь несколько минут.

Конструктор, которому поручили бы спроектировать двигатель человека, оказался бы в трудном положении. С одной стороны, необходимо обеспечить герметичность внутренних органов и тканей – преградить доступ к ним посторонних веществ из внешней среды. С другой, нужно обеспечить подачу в двигатель топлива и окислителя, отвод продуктов сгорания – углекислого газа и паров воды.

Не знаю, как решил бы эту задачу конструктор. Природа справилась с ней блестяще.

Особенно тонко и остроумно сконструирован механизм снабжения организма кислородом и отвода продуктов сгорания. Механизм состоит из двух основных узлов: внешнего и внутреннего. Внешний устроен довольно просто и напоминает обычный газопровод (рот, нос, дыхательное горло, трахеи, бронхи). Он соединяет лёгкие с внешней средой, атмосферой, откуда засасывается воздух и куда удаляются продукты сгорания.

Внутренний узел имеет гораздо более сложную и хитрую конструкцию. В лёгких размещены тончайшие пузырьки – альвеолы. Их тут великое множество – около 700 миллионов; общая их площадь колоссальна – почти 90 квадратных метров (для сравнения: площадь поверхности человеческого тела – 2 квадратных метра). Такие размеры выбраны не случайно. Альвеолы – «обменный пункт», в них происходит обмен газами между лёгкими и кровью. Обмен этот должен происходить почти мгновенно, на ходу, – для этого и нужна большая площадь.

Столь же высоким требованиям должен удовлетворять другой участник обмена – кровь. Главная часть крови – эритроциты, красные кровяные тельца. Их количество в крови огромно – около 25 триллионов.

Цепочкой из эритроцитов человека можно трижды обмотать по экватору земной шар. Эритроциты буквально набиты зёрнами гемоглобина – белка, имеющего чрезвычайно сложное молекулярное строение. По самым

скромным предположениям, формула гемоглобина имеет вид – C712H1130N214O245S2Fe.

Кровь – жидкость, и естественно, что кислород в ней растворяется. Однако в сравнительно скромных количествах. В крови (а её у человека около 5 литров) растворяется лишь 0, 0165 литра кислорода. За минуту кровь совершает примерно три оборота и, следовательно, может передать тканям только 0, 05 литра кислорода. А человек даже во сне потребляет в минуту 0, 3 литра, при тяжёлой же работе нужда в кислороде достигает 4 – 6 литров.

Где же выход? В свойствах гемоглобина. Гемоглобин обладает способностью вступать с кислородом в химическую реакцию. Образуется оксигемоглобин. В таком, связанном, виде кровь переносит основную часть кислорода. Легко соединяясь с кислородом, гемоглобин так же легко отдаёт его клеткам.

Взамен кислорода гемоглобин получает «отработанный» в клетках углекислый газ и выносит его к альвеолам. Здесь происходит новый обмен. Гемоглобин расстаётся 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 твёрдых 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 передаёт 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 определённой величины. Такое устройство вполне можно представить. Скажем, в альвеолах есть чувствительный «датчик», который отзывается на изменение состава воздуха. Когда содержание кислорода в них упадёт, 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 надёжно. В этом легко убедиться, если попробовать не дышать. Минута, максимум полторы, и вы начнёте жадно хватать воздух. В лёгких ещё 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 полёты 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 полётам 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 идёт 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 самолёты (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.