Опыты в камере пониженного давления
Опыты в камере пониженного давления
Биологи, знакомые с физикой, обратили внимание на то обстоятельство, что при сильном ускорении, какое необходимо при космическом полете, вес тела летящего человека увеличивается во много раз. Трехступенчатая ракета, применяемая ныне для достижения такого ускорения, приводит к увеличению веса тела почти в восемь раз. Именно вопрос, перенесет ли человек такое сильное ускорение и увеличение своего веса, которое при сгорании последней ступени ракеты сменяется состоянием невесомости, именно этот вопрос уже давно заставил исследователей воспользоваться камерой пониженного давления, некогда построенной Бером, и усовершенствовать ее, чтобы ставить такие опыты, которые позволили бы изучать вопросы огромных скоростей, физиологии человека на вершинах высочайших гор и в летательном аппарате. Здесь, в камере пониженного давления, как уже было сказано, соприкасаются одна с другой обе области: высокогорный альпинизм и высотная авиация.
Начало этим исследованиям было положено в Советском Союзе выдающимся физиологом Орбели, который предпринял в 1933 и 1938 годах два опыта на себе, имевших большое значение. Первый был проведен в его лаборатории. Из пневматической камеры был выкачан воздух. Оставшееся в камере количество воздуха соответствовало примерно его плотности на высоте 12 километров. Орбели, который сидел в камере, вскоре начал задыхаться, его губы посинели, и, наконец, он потерял сознание. Тотчас же ему начали делать искусственное дыхание, однако прошло четыре часа, прежде чем он пришел в себя. Второй опыт также преследовал цель изучения физиологии процесса дыхания. Он проводился на Черном море, неподалеку от побережья Крыма. Орбели заперся в кабине подводной лодки, лишенной подачи кислорода, и пробыл в ней продолжительное время. Он оставался в кабине, когда наступило удушье. Лишь после того, как он потерял сознание, его вытащили наверх — таково было предварительное указание Орбели. Через два часа к ученому вернулось сознание. Однако на протяжении шести последующих дней он чувствовал себя больным.
Леон Орбели умер в 1958 году. В последние годы своей жизни он был директором института имени Павлова и Ленинграде и как военный врач имел чин генерал-полковника. Он был одним из учеников Павлова.
С началом второй мировой войны (правильнее, с началом подготовки к ней), разумеется, и медицинская сторона высотного полета стала предметом тщательных исследований. Во всех государствах, в значительной степени заинтересованных в развитии авиации, были построены камеры пониженного давления по принципу Бера, предназначенные для лабораторного изучения физиологии высотного полета, и всюду врачи и студенты-медики изъявляли желание поставить на себе опыты, так как хотели внести свой вклад в разрешение этих вопросов. Тогда же, незадолго до второй мировой войны, была, например, построена камера пониженного давления в исследовательском институте авиационной медицины Германского министерства авиации, камера, которая, естественно, имела совсем другой вид, чем у Бера, и была предназначена для опытов уже не только на животных, но и на людях. Это было большое, герметически закрытое помещение, в котором можно уменьшить давление воздуха на любую величину, а также воссоздать и другие условия высотного полета — холод, изменение влажности, излучение и так далее. Теперь молодые врачи могли садиться в такую камеру и позволять проделывать над собой все, что сопряжено с высотным полетом.
Все эти исследования и опыты в камере пониженного давления проводились систематически. Изменения крови, возникающие на больших высотах, были в общих чертах уже известны на основании исследований при высокогорном туризме. При быстром подъеме в высоту, происходящем при полете, вследствие разрежения воздуха наблюдаются, как показали и опыты в камере, значительные воздействия различного рода. Оказалось что сердце и кровообращение выдерживают недостаток кислорода дольше, чем центральная нервная система, мозг, который на критических высотах затемнением сознания и намечающимися судорогами показывает, что состояние испытуемого лица может стать опасным.
Дальше, когда разрежение воздуха еще не особенно значительно, частота пульса внезапно уменьшается. Этот кризис пульса объяснили раздражением блуждающего нерва, действие которого, как известно, противоположно действию симпатического нерва, выражающемуся в учащении пульса. Падение частоты пульса и приводит к затемнению сознания и коллапсу, непосредственной причиной которого является недостаток кислорода. Вследствие этого и погибли когда-то спутники Тиссандье.
Все эти явления можно было наблюдать в камере пониженного давления. Причем, разумеется, границ допустимого не переходили; в момент опасности давление снова повышали и подводили кислород. Интересно, что в камере ранний коллапс (уже при 4500 или 5000 метров) наблюдался почти исключительно у молодых людей, а лица старшего возраста переносили и более высокие «полеты». Если воздух в камере влажный или слишком теплый, коллапс наступает скорее, что соответствует и обычным наблюдениям. Точно так же можно было заметить, что стояние повышает предрасположение к обмороку, в то время как сидячее и особенно лежачее положение способствуют ослаблению такого предрасположения.
Уменьшение содержания кислорода в воздухе влияет и на мышечную силу. Мышцам для работы нужен кислород. С помощью динамометра соответствующие опыты нетрудно было провести в камере пониженного давления. Динамометр простой инструмент с пружиной, которая при нажатии сжимается. До 4 тысяч метров мышечная сила почти не меняется. Но на 5 тысячах метров кривая измерения силы заметно падает. Некоторое время она остается стабильной, но на высоте 6 тысяч метров падает вновь, так что вскоре наступает полное бессилие и одновременно значительное затемнение сознания. Эти экспериментальные результаты совпадают с недомоганиями, на которые жалуются летчики и альпинисты, взбирающиеся на высокие горы, например участники гималайских восхождений.
То обстоятельство, что центральная нервная система — головной мозг так быстро реагирует на недостаток кислорода затемнением сознания и другими явлениями, не должно вызывать удивления. Ведь это самый чувствительный орган, и всякая задержка поступления кислорода или крови (по своему действию это одно и то же) сказывается мгновенно. Врачи в опытах на себе могли достигать всех степеней таких влияний и регистрировать их. Уже при разрежении воздуха, соответствовавшем высоте в 4 тысячи метров, медики, находившиеся в камере пониженного давления, говорили, что все начинало им казаться более темным, а затем после дачи кислорода свидетельствовали, что все стало лучезарно ярким, словно раскрыли занавеси на окнах. На этой же высоте появлялась неспособность различать цвета, что не менее характерно.
На высоте от 4 до 5 тысяч метров отмечается понижение функции и со стороны других органов чувств. Это относится к слуху, обонянию, вкусовым ощущениям, а также к восприятию движений членов тела. В камере пониженного давления, разумеется, исследовались и мыслительные способности, внимание и способность сосредоточиться. Ведь это важная проблема для безопасности полета. При медленном подъеме нарушения начинаются уже на высоте в 3 тысячи метров, при быстром — на высоте 5 тысяч метров, а на высоте 6 тысяч метров, как выразился специалист, математика становится книгой за семью печатями даже для математика. Все это очень важно для практики, для действительных полетов на более значительных высотах.
Важным является и время реакции. Опыты, проведенные в камере пониженного давления над молодыми врачами, показали, что на высоте в 5 тысяч метров простые реакции едва ли нарушаются. Если летчик (или испытуемое лицо) знает: при зеленом цвете надо совершить одно действие, а при красном другое, и это у него отработано настолько, что происходит, так сказать, автоматически, то даже на высоте 5 тысяч метров никакого изменения не будет обнаружено. Положение иное, если испытуемый на этой высоте должен принимать решения. Тогда видно, что его воля угнетена. Чем выше подъем, тем более ясной и полной становится утрата импульса. Насколько эти данные важны для безопасности полета, понятно без особых рассуждений. Одновременно возникает рассеянность, пропадает заинтересованность. Это может привести к тому, что даже поставленная задача не будет выполнена и пропадет весь смысл высотного полета, так как в решительный момент активная воля сведена к нулю. Примеры этого содержатся в отчетах врачей, участвовавших в полетах или обследовавших такие случаи.
Образцы записей, сделанных в камере пониженного давления на разных «высотах», ясно свидетельствуют о влиянии уменьшенного давления и недостатка кислорода. Хороший, четкий почерк очень быстро превращается в трудночитаемый, и, наконец, его уже совершенно невозможно разобрать. Нарушения начинаются на высоте 7 тысяч метров, а на высоте 8 тысяч метров почерк уже почти нельзя разобрать.
В камере пониженного давления у испытуемых лиц исследовались также и рефлексы. Как известно, в норме голень быстро принимает горизонтальное положение при ударе ребром ладони или молоточком по сухожилию коленной чашечки. В камере пониженного давления при подъеме до 2 или даже до 3 тысяч метров этот рефлекс не изменяется. Но затем он становится более слабым, а на высоте 5 тысяч метров ослабление внезапно сменяется повышением чувствительности, которое в дальнейшем усиливается и, наконец, превращается в судорогу. Мышечные судороги вообще один из болезненных процессов на высотах.
У животных и у человека эти явления тщательно изучались только в их начальных стадиях. Во всяком случае, у медиков, находившихся в камере пониженного давления, возникали высотные судороги большей частью в кистях рук, которые вначале становились малоподвижными, а затем принимали типичное судорожное положение. Подергивания лица и судорожное сжатие губ могут также указывать на то, что перейден порог предрасположения к судорогам и нужно быстро дать кислород.
Необходимость особой защиты от холода при высотном полете уже давно доказана практикой. Но температура может возрастать и даже становиться нестерпимой прежде всего при повышении влажности в кабине, что оказывает неблагоприятное действие. В камере был проведен следующий опыт над медиком: температуру быстро повысили с 16 до 40 градусов по Цельсию, и это вызвало особенно сильную нагрузку на сердце, хотя потребление кислорода не увеличилось.
Как уже было сказано, описанные опыты проводили в конце тридцатых годов, то есть когда о космических полетах еще не думали, а ставили перед собой прежде всего военные цели. Все же физиологи изучали и состояние живого организма на исключительно больших высотах, естественно, сначала на животных, в частности на мышах. Поскольку эти опыты дополняют те, что медики производили на себе, мы упомянем о них вкратце, ибо они позволили сделать несколько выводов, которые — хотя и с ограничением — можно было перенести на человека. Так, оказалось, что совсем молодые мыши, в возрасте около одного месяца, очень хорошо переносили высоты более 16 тысяч метров, а если у них и появлялись некоторые изменения деятельности сердца и функций центральной нервной системы, то это было несущественно, так как они быстро проходили при спуске. Их центры, видимо, еще недостаточно развиты. У более старых мышей наблюдалась пониженная выносливость к высоте. То же самое, как уже говорилось, было обнаружено у очень молодых медиков. Впоследствии выносливость мышей улучшалась, но в возрасте двух лет они снова обнаруживали сниженную выносливость к полету.
Применяя камеру пониженного давления, ученые пытались ответить еще на один вопрос. Ведь может случиться, говорили они себе, что кислородный аппарат испортится или вдыхание кислорода по какой-либо иной причине прекратится. Что же произойдет тогда и как скоро скажутся последствия этого прекращения подачи кислорода?
Два врача, которые тогда занимались вопросами авиационной медицины, Руфф и Штругхольд, сообщили об опытах в камере. Вдыхая кислород, они поднимались на известную высоту. Затем, оставаясь на этой высоте, они снимали дыхательную маску. Теперь можно было изучать влияние высоты, как при обычном подъеме. Как уже говорилось, представление о снабжении тканей кислородом проще всего получить, исследовав коленный рефлекс. Оказалось, что качественной разницы между обоими опытами, то есть между обычным подъемом и подъемом в кислородной маске, нет. Но как велик промежуток времени между удалением кислородного прибора и началом расстройств? Как велик этот запас времени у пилота, находящегося в затруднительном положении?
Опыт с записями, проведенный над очень стойким к высотам молодым медиком, который на высоте 9 тысяч метров выключил у себя подачу кислорода, показал весьма ясно, что расстройство наступало через две минуты. Уже через две минуты почерк свидетельствовал, что могут появиться судороги в кистях рук, то есть об опасности положения. Но и здесь наблюдаются весьма значительные индивидуальные колебания. Так, у лица с меньшей выносливостью резерв времени был истрачен на высоте 5–6 тысяч метров, и уже на этой сравнительно небольшой высоте расстройство стало заметным. Если одновременно выполнялась какая-нибудь работа, то картина снова изменялась, становилась более выраженной. Работа сокращает резерв времени.
Для практики эти данные очень важны. Если на высоте от 8 до 9 тысяч метров вдыхание кислорода прервется, нельзя медлить ни минуты. Здесь дело уже в секундах, и пилот должен немедленно спуститься, чтобы достигнуть атмосферного давления, которое человек еще может переносить. Или же пилот должен выпрыгнуть с парашютом. Следует знать, что при нераскрытом парашюте падение происходит очень быстро: для тысячи метров необходимо 18 секунд. Это очень мало. Итак, раскрывать парашют следует скоро или он должен раскрываться автоматически; тогда спуск сильно замедляется: на тысячу метров требуется уже 3 минуты и 20 секунд. Если принять (на основании опытов) резерв времени на высоте 9 тысяч метров равным одной минуте, то ясно, как велика опасность для человека, прыгающего с такой высоты. Поэтому задача врачей изучить, как быстрее использовать имеющееся время, чтобы повысить или укрепить резервы организма и дать летчикам возможность спускаться на землю невредимыми.
Реакция организма на полет в условиях большой высоты отличается от его реакции в период восхождения на гору. Если в первом случае организм должен приспосабливаться к изменениям высоты в течение нескольких минут, то во втором — это происходит в течение дней и даже недель. В условиях полета приспособляемость — это замечательное свойство человеческого организма должна осуществляться мгновенно.
Патологические изменения в организме, наступающие на большой высоте, возникают быстро, однако столь же быстро и исчезают. Очень скоро после окончания эксперимента, проделанного студентами в камере пониженного давления, чтобы изучить поведение организма на большой высоте, их физиологическое состояние приходило в норму. В крови, дыхании и нервной системе не наблюдалось каких-либо остаточных явлений, наступивших на определенной высоте. Иначе обстоит дело у альпинистов, в частности покорителей гималайских вершин. Подъем на вершины длится неделями, организм медленно приспосабливается к высокогорным условиям, столь же медленно наступают болезненные ощущения, о которых говорилось выше. После спуска с вершины и даже достижения высоты уровня моря явления горной болезни исчезают не сразу — нужны недели, чтобы организм избавился от них.