Как же природа решила проблему глубоководного ныряния у китообразных? Каким образом кашалот, испытывающий давление в 150 — 200 атм — давление, которое не в состоянии выдержать даже стальная обшивка подводных лодок, не превращается в лепешку? Почему кит не подвержен кессонной болезни? Как удается морскому великану так долго находиться на больших глубинах, не возобновляя запасов воздуха в легких? Чтобы ответить на все эти волосы, давайте посмотрим, что происходит с организмом кашалота, когда он погружается в море.
100, 300, 500, 1000, 1500 м... Погружаясь все глубже и глубже в океанские воды, тело кита испытывает все большее и большее гидростатическое давление. Но увеличивающееся в десятки и даже в сотни раз (по сравнению с атмосферным) давление не страшно тканям тела млекопитающего, ибо живая ткань кита (как, впрочем, и человека) на 95% состоит из воды, а вода, как известно, несжимаема. Невредимыми остаются и все внутренние органы кашалота (не расплющивается, например, его грудная полость, хотя легкие и проводящие пути — трахеи, бронхи, альвеолы — наполнены не водой, а воздухом). И вовсе не потому, как еще недавно предполагали ученые, что во время ныряния внутренние органы кита каким-то образом оказываются защищенными от давления окружающей среды. Все дело в том, пишет кандидат биологических наук А. Яблоков, что в полости тела кашалота и во всех его внутренних органах во время ныряния устанавливается давление, равное гидростатическому. Лучшим доказательством этого служит тот факт, что кашалот питается донными рыбами и глубоководными кальмарами. Ведь если кашалот проглотит добычу, тело которой испытывает гидростатическое давление, то и в желудке и в кишечнике кита давление, естественно, должно быть точно таким же. В противном случае пойманные кашалотом рыбы или кальмары разрывались бы у него в пищеводе и желудке подобно пневматическим бомбам. Но этого не происходит, и на большой глубине тело кита остается целым и невредимым.
Огромное давление, которое испытывает тело кита, не мешает нормальному функционированию его внутренних органов. Силой сокращения сердечной мышцы кровь движется по сосудам на любой глубине точно так же, как и на поверхности. Не изменяются и процессы фильтрации мочи в почках, всасывания в кишечнике, газообмена в альвеолах легких и т. д.
В дополнение к сказанному остается еще отметить, что кит не испытывает никаких неудобств и затруднений от сжатой на глубине грудной полости, так как, в отличие от ныряльщика-аквалангиста, он уходит под воду с одной порцией воздуха в легких. На глубине он не дышит, и, следовательно, отпадает необходимость в расширении и сжатии грудной клетки. Кроме того, поскольку запас воздуха не возобновляется, значит, в организме не накапливается коварный азот, закупоривающий при подъеме на поверхность мелкие кровеносные сосуды.
Большой интерес для решения проблемы глубоководного погружения представляет устройство энергетического хозяйства китообразных. Находясь на поверхности воды, кит запасает кислород не только в легких, но и непосредственно в тканях тела, главным образом (3/4 всего запаса) в мышцах, где он связывается дыхательным пигментом — миоглобином (поэтому мышцы кашалота имеют почти черный цвет). Перед нырянием кит как бы выключает кровообращение. Таким образом, многие работающие органы животного оказываются на "голодном пайке". Во время погружения и перерыва в дыхании происходит резкое уменьшение числа сердечных сокращений (брадикардия), замедление циркуляции крови в организме (к мышцам уже не требуется доставлять новые порции кислорода). Драгоценным газом, запасенным в легких, непрерывно снабжаются лишь мозг да сердце кашалота. Почки, печень, мышцы переходят на новый режим работы. Все это позволяет киту экономить под водой чуть ли не 1/2 общего количества кислорода легких, растекающегося вместе с кровью (при нормальном дыхании кита на одну лишь работу его мышц расходуется 41% потребляемого кислорода), дает возможность животному подолгу охотиться за донными рыбами и кальмарами без возобновления запасов воздуха и позволяет стремительно выныривать с тысячеметровых глубин. После выныривания, когда в мышцах кита возобновляется нормальная циркуляция крови, немедленно происходит насыщение ее молочной кислотой — продуктом работы мышц.
Теперь, когда мы знаем хитроумно устроенное природой энергетическое хозяйство кита, имеющиеся в его организме "приспособления" для глубоководного ныряния и длительного пребывания под водой, рассмотрим, насколько реальна для человека возможность уподобиться киту.
Выше было отмечено, что и кит и человек принадлежат к млекопитающим и все системы органов у них построены в принципе сходно. Но это еще не все, если говорить об аналогии "кит — человек". Американскому кардиологу Полю Уайту, например, удалось снять кардиограмму ныряющего кита. В кита выстрелили двумя гарпунами-электродами. Почувствовав боль, животное ушло на глубину. В момент ныряния электрокардиограф, соединенный с гарпунами-электродами длинными тросами, зафиксировал замедление вдвое ритма сердцебиения. Та же картина наблюдается и у опытных, натренированных ныряльщиков. Другой американский ученый Сколэндер обследовал несколько австралийских ловцов жемчуга, умеющих нырять на глубину до 40 м и находиться под водой до 4 мин. Оказывается, пульс охотника за жемчугом под водой составляет не 70, а лишь 35 ударов в минуту. После всплытия ныряльщика количество молочной кислоты в его крови резко возрастает; то же происходит и у китов.
Можно не сомневаться в том, что дальнейшие тщательные биохимические и физиологические исследования покажут еще и другие, более тонкие черты сходства в процессах, протекающих в организме человека и кита. Однако и без этого опыт профессиональных ныряльщиков убедительно показывает, что человеку, намеревающемуся приспособиться к длительной подводной жизни, не заказан путь, которым шел кит в процессе своей эволюции.
Какие же механизмы нужно человеку позаимствовать у кита, чтобы он мог, подобно кашалоту, приспособиться к водному образу жизни? Прежде всего, необходимо изыскать способ накопления кислорода в мышцах. Возможно ли это? Ученые считают, что при современном высоком уровне развития биохимии и биофизики можно создать такие препараты, которые, после введения их в организм человека, будут депонировать кислород в мышцах (запасать большое количество кислорода в связанном виде), а потом, по мере расходования энергетических запасов, отдавать этот кислород работающим органам. Параллельно должна быть решена и другая не менее важная задача. Нужно найти средство, которое позволило бы уменьшить пороговую чувствительность дыхательного центра мозга к скопляющейся в крови углекислоте, или изыскать эффективный метод удаления ее из организма.
Ну, хорошо, может сказать читатель, предположим, что в недалеком будущем ученым удастся снабдить человека аналогом дыхательного механизма кита. Но ведь это не позволит до конца решить проблему длительного пребывания человека под водой, не даст возможность ему обжить глубины голубого континента. В лучшем случае человек сможет рассчитывать лишь на кратковременные экскурсии под водой (без акваланга и без скафандра), продолжительностью не более 1-2 час. А ведь человек мечтает о том, чтобы он мог находиться под водой не часы, а дни, недели, месяцы и годы.
Как же быть? А нет ли иного варианта, помимо подражания китообразным? Может, поучиться у... рыб?
Невероятно? Нет, искусственные жабры Ихтиандра сегодня уже не фантастика, не гипотеза, а объект интенсивных разработок. Ученые ряда стран ныне всерьез работают над созданием искусственных жабр. В частности, в США изготовляется миниатюрный аппарат для насыщения крови кислородом. Искусственные жабры прикрепляются к поясу ныряльщика, идущие от них шланги соединяются с аортой. Легкие пловца заполняются стерильным несжимаемым пластиком; таким образом, они как бы выключены, и человек, опустившийся в морские глубины, дышит через "жабры", точнее, он вообще перестает дышать, кровь насыщается кислородом с помощью искусственных жабр.
Узнав об американских разработках "искусственных жабр", Жак-Ив Кусто заявил с трибуны происходившего в Англии Международного конгресса подводников:
"Если этот проект осуществится, искусственные жабры дадут возможность тысячам новых Ихтиандров погружаться на глубины в 2 км и более на неограниченное время!"
Недавно Уолтер Рабб, инженер исследовательского центра одной американской фирмы, создал с помощью всемогущей химии... "пластмассовые жабры". Первая демонстрация нового изобретения произвела огромное впечатление на присутствующих. И действительно, удивляться, поражаться и восхищаться было чем. В центре аквариума, наполненного водой, среди красивых, юрких, беспорядочно снующих золотых рыбок сидел, не обращая внимания на яркие вспышки фоторепортерских "блицев", обычный хомяк и преспокойно грыз лист салата (рис. 12).
Как же удалось хомяку покорить "водную стихию"? Почему этот маленький обитатель суши, находясь в течение нескольких часов на дне аквариума, не проявлял никаких признаков беспокойства? Все объяснялось предельно просто: хомяк был заключен в предварительно наполненный воздухом ящик, стенки которого были изготовлены из тончайшей, гибкой, полупрозрачной пленки, обладающей поистине волшебными свойствами.
Рис. 12. Хомяк, окруженный со всех сторон водой, преспокойно грызет лист салата
Изобретенную Раббом кремнийорганическую пленку называют селективной мембраной. Она получена путем многократного растягивания, состоит из 6 слоев, толщина каждого слоя равна всего лишь 0,025 мм, суммарная толщина — 0,15 мм. У кремнийорганической мембраны нет пор (в обычном понимании этого слова), и поэтому она не пропускает воду. Вместе с тем она проницаема для газов. Правда, не для всех. В первую очередь для кислорода и углекислого газа. Молекулы О2 и СО2 могут "протиснуться" между молекулами мембраны, переходя из области более высокого парциального давления в область, где давление этого газа ниже (рис. 13).