Барометрическое давление (1870 - 1880)

Влияние пониженного давления газовой среды на животных и человека

В течение более десяти лет, с 1865 по 1878 г., Поль Бер, уже зрелый ученый и весьма искусный экспериментатор, систематически с большим упорством и энергией изучал влияние на организм различных видов живых существ пониженного и повышенного барометрического давления. Результаты этой работы он обобщил в книге "Барометрическое давление" (1878 г.).

Для того чтобы оценить вклад ученого в ту или иную область науки, необходимо четко представить себе, что было сделано до него, что было известно из наблюдений и экспериментов, какие теоретические концепции были выдвинуты для объяснения природы явлений, обнаруженных в результате проведения этих наблюдений и экспериментов. В связи со сказанным кратко остановимся на истории вопроса, которому была посвящена в значительной степени книга Бера.

Галилей первым высказал мысль о том, что воздух оказывает давление на поверхность Земли. Э. Торичелли - ученик Галилея - в 1640 г. изобрел барометр. Это позволило определить давление воздушной атмосферы на Землю. Оно оказалось на уровне моря равным 760 мм рт. ст. В 1648 г. Б. Паскаль предложил Перье поднять барометр па гору Пюи де Дом. Он полагал, что с подъемом на высоту давление воздуха на поверхность Земли должно снижаться. Действительно, в соответствии с предположением Паскаля, столбик ртути барометра по мере подъема на гору Пюи де Дом непрерывно падал. Этим впервые доказано, что подъем на высоту сопровождается снижением барометрического давления.

Какое влияние понижение барометрического давления оказывает на человека и на животных? На этот вопрос достаточно ясного и четкого ответа долгое время (фактически до работ Бера) не было.

Первые сведения о влиянии пониженного барометрического давления на организм человека теряются в далеком прошлом. Они связаны с описанием действия высокогорного климата. Бероятно, одно из самых ранних указаний па болезнетворное действие разреженного воздуха принадлежит Аристотелю, ошибочно полагавшему, что па горе Олимп (2985 м) человек не может жить, так как "не может дышать воздухом, слишком топким для дыхания"*. Несколько позже (336 г. н. э.) греческий историк Плутарх в описании походов Александра Македонского отмечал, что при переходах через горные хребты легионеры часто жаловались на головную боль и недомогание, т. е., но существу, он указал на два наиболее распространенных симптома горной болезни. В дальнейшем многие путешественники: географы, купцы, монахи, естествоиспытатели - в путевых заметках описывали различные симптомы горной болезни, которой они страдали во время пребывания в высокогорных районах. Так, испанский иезуит Акоста, путешествовавший в 1590 г, в южноамериканских Кордильерах, писал: "Я убедился, что воздух здесь настолько нежен и тонок, что является несоразмерным с дыханием человека, нуждающегося в более грубом воздухе, и я полагаю, что именно эта причина так сильно действует на желудок и нарушает все другие функции"**.

*(Сергеев А. А. Очерки по истории авиационной медицины. М.: Изд-во АН СССР, 1962, с. 4.)

**(Bert P. La pression barornetrique. Paris, 1878, p. 26.)

В 1666 г. Р. Бойль обнаружил, что угасание жизни животных в условиях непрерывно нарастающего разрежения воздуха совпадает с угасанием горящей свечи. Кислород не был известен Бойлю, и он, разумеется, не смог правильно объяснить это явление. "Это не был недостаток воздуха, который убил бы животное,- констатировал Бойль,- но давление в его грудной полости не было уравновешено с давлением вдыхаемого воздуха, и эта разница в давлении была настолько большой, что держало растянутой грудную клетку и препятствовало ее сокращению, легкие и их сосуды были настолько сжаты, что кровообращение нарушалось..."* Примечательно, однако, что такое чисто физическое объяснение механизма действия разреженного воздуха все же, по-видимому, самого Бойля не удовлетворяло, и он высказал мысль о том, что, "может быть, имеется какое-нибудь применение воздуха, которого мы еще хорошо не понимаем, но которое делает его настоятельно необходимым для жизни животных"**. Возможно, Бойль знал и труды Галена, который полагал, что горение поддерживается тем же, чем и жизнь, и который высказал гениальную догадку о том, что если бы люди узнали химический состав воздуха, то стала бы понятной и животная теплота. Возможно, эта мысль была высказана Бойлем в связи с мнением голландского ученого Корнелия Дроббеля, утверждавшего, что воздух имеет сложный химический состав, одна из частей которого используется животными и людьми для дыхания.

Итак, тайна воздуха существовала фактически более 2000 лет, если считать началом ее первое высказывание о воздухе греческих философов и счастливым концом экспериментальные работы Лавуазье, проведенные в 1773 - 1780 гг., в результате которых было экспериментально установлено, что воздух представляет собой смесь газов, один из которых пригоден для дыхания. Лавуазье сначала описал этот газ, как "наиболее оздоровляющую и наиболее чистую часть воздуха", а затем, уже после открытия кислорода, установил, что этот газ и является O2.

Весьма примечательно, что открытие кислорода не было связано с анализом химического состава воздуха.

Из истории химии известно, что кислород был открыт независимо друг от друга англичанином Д. Пристли (1774 г.) и несколько ранее (1770 г.) шведом Шееле, выделившими О₂ при нагревании окислов металлов и солей. В соответствии с уже сложившейся традицией оба этих исследователя, и особенно Пристли, определенное внимание уделяли вопросу роли открытого им газа "воздуха" для поддержания жизни (дыхания) животных и человека. Пристли, хотя и не сумел преодолеть ошибочных представлений Шталя - основоположника теории о флогистоне - и назвал открытый им газ дефлогистирован-ным воздухом, все же экспериментально установил, что дефлогистированный газ (кислород) является газом, необходимым для дыхания.

Термин "дефлопгстированный воздух" отражает традиционное представление, заимствованное из трудов греческих философов, обозначавшее все газообразные вещества воздухом. Примечательно, что в начальном периоде развития химии была уже высказана, в том числе и I Лавуазье, мысль о том, что воздух - смесь различных газов. При этом Лавуазье, Шееле сначала полагали, что СО₂ является одной из основных частей атмосферного воздуха. Лавуазье считал, что атмосферный воздух состоит из двух основных частей: СО₂ - "связанный воздух") и какого-то "чрезвычайно чистого", годного для дыхания газа.

Пристли принадлежит и второе открытие - токсичность чистого О₂. Он наблюдал, что спустя некоторое время после помещения животных в среду чистого кислорода, они заболевают и гибнут.

Пристли провел исключительно важные эксперименты с животными, впервые показав, что в присутствии зеленых растений, освещенных светом, животные не погибают от удушья в герметически закрытых камерах небольшого объема. Бер в популярных лекциях высоко оценил опыт Пристли. Он писал: "С высоты современных знаний трудно представить себе, что после исследований Лавуазье, открывшего состав воздуха, опытов Пристли, показавшего возобновление необходимой для дыхания части воздуха зелеными растениями, экспериментов Лавуазье и Лапласа, обнаруживших в опыте на животном образование тепла в результате биологического окисления при соответствующем потреблении О₂ и выведении СО₂, представления о функции дыхания оставались еще очень смутными"*.

*(Pristley J. Observation on different kinds of air. London, 1774, p. 106.)

Достаточной ясности по этому вопросу не было. Где в организме осуществляется горение - окисление? Каким образом кислород попадает в необходимых количествах к субстрату окисления? Об этом Лавуазье и его современники не знали. Сам Лавуазье склонялся к ошибочному мнению, полагая, что окислительные процессы протекают только в легких.

Отсутствие научно обоснованного представления о механизме дыхания, о функции легких, о законах, определяющих поступление кислорода из легких в ткани, также препятствовало правильному пониманию механизма неблагоприятного действия пониженного барометрического давления. Правда, отдельные естествоиспытатели на основании исследований Пристли, Лавуазье и Лапласе высказывали предположение, что при снижении барометрического давления снабжение организма кислородом нарушается.

Так, в 1810 г. русский физик П. И. Страхов писал: "Опытами изведано, что в атмосферическом воздухе находится около четвертой доли той материи, которая необходима, нужна для дыхания, а прочие три части составляет такая материя, которая удушает животных. Ежели посадить под колокол пневматической машины какое-нибудь животное и вытянуть сколько можно более воздуха, то животное умрет, ибо лишится вещества, необходимо нужного для его дыхания. К сему мнению присоединится другая причина, погубляющая животных скорее, то есть расширение воздуха, находящегося в разных сосудах тела, равно как в порах жидких его частей..."*. Более определенно о том, что кислородное голодание является основной причиной, определяющей развитие болезнетворного действия на организм человека разреженного воздуха во время пребывания в горах, писал в 1861 г. Журдане. Он предполагал, что развитие горной болезни обусловлено обеднением крови кислородом, т. е. развитием "апоксемии". Таким образом, к середине XIX в., казалось, уже почти была определена основная причина, вызывающая недомогание у путешественников во время их пребывания в горах, и вскрыта опасность, которая ожидает аэронавтов в полетах на большие высоты на аэростатах. Однако, несмотря на это, строгого доказательства того, что кислородное голодание - основная причина, определяющая нарушение жизнедеятельности организма в перечисленных выше ситуациях, еще не было. Большинство научных статей, заметок путешественников и медицинских книг до выхода в свет книги Бера "Барометрическое давление" содержали ошибочные представления относительно механизма влияния разреженного воздуха на организм.

*(Страхов П. И. Краткое начертание физики. СПб., 1810, с. 105.)

Для отчетливого осознания биологической роли О₂ и утверждения кислородного голодания как одной из центральных проблем физиологии и патологии существенное значение имели исследования Клода Бернара. В середине XIX в. он сформулировал представление о "внутренней среде" организма и многочисленными примерами сумел доказать, что постоянство внутренней среды, т. е. химического состава крови и околоклеточной жидкости, является важнейшим условием для "свободной жизни" - сохранения нормальной жизнедеятельности высокоорганизованных животных. Примечательно, что, утверждая принцип сохранения постоянства внутренней среды - гомеостаз, Бернар привел для примера три химических вещества, постоянство содержания которых во внутренней среде имеет чрезвычайно важное значение, одним из них был кислород. Выдвинув в физиологических исследованиях на первый план адаптацию к изменяющимся условиям "космической" среды, Бернар, которого можно считать основоположником экологической физиологии, способствовал прогрессу в изучении проблемы кислородного голодания: он направил мысль исследователей на поиски физиологических механизмов, ответственных за поддержание постоянного уровня О₂ во внутренней среде,

Бер - последователь и ученик Бернара, глубоко воспринял научную концепцию своего учителя и последовательно развивал ее при изучении влияния на организм пониженного и повышенного барометрического давления. Он положил начало систематическому экспериментальному изучению влияния пониженного барометрического давления на организм животных и человека. В 1868 г. им была сконструирована барокамера, в которой он проводил исследования не только с животными, но и с людьми.

Было бы односторонним связывать интерес Бера к изучению влияния на живые организмы пониженного барометрического давления только с исследованиями Бернара. Безусловно, эта проблема привлекла к себе внимание Бера в значительной мере и в связи с насущными вопросами горновосхождений и воздухоплавания.

В середине XIX в. накапливалось все больше и больше сведений о возникновении в горах у людей различных по симптоматике нарушений здоровья - горной болезни; увеличивалась непрерывно и информация о болезнетворном влиянии полетов на большие высоты, т. е. стали известны и проявления высотной болезни. Развитие обоих названных заболеваний было обусловлено влиянием пониженного барометрического давления. Однако каким образом понижение барометрического давления оказывает свое вредное действие на организм человека и животных, не было еще известно. Бер впервые раскрыл основные физиологические механизмы действия понижения барометрического давления на организм и определил пути защиты человека от неблагоприятного влияния больших высот. Это и дает основание считать Бера одним из основоположников высотной физиологии.

Влияние повышенного давления газовой среды па живые организмы

Полю Беру принадлежит одно из первых описаний истории водолазных и кессонных работ. Ей он посвятил целый раздел в своей знаменитой монографии. Уже беглое знакомство с ним позволяет судить о сложности задач, поставленных ученым в работах по выяснению влияния высокого давления па организм.

Еще в далекие времена человек стремился проникнуть в подводный мир, познать его обитателей, освоиться в нем, использовать его рыбные пищевые и минеральные ресурсы. Эта вековая мечта человека находит отражение в многочисленных сказаниях, мифах, легендах. По-видимому, изготовление дыхательной трубки и мешка с воздухом можно считать первой попыткой увеличить время пребывания под водой. До нас дошли барельефы, относящиеся к 900 г. до н. э., с изображением ассирийского воина, плывущего под водой и дышащего из мешка, наполненного воздухом.

В средние века запорожские казаки во время военных действий переворачивали и затопляли свои лодки-"чайки" так, чтобы под лодкой оставался воздух, подныривали под них и направлялись в сторону неприятеля. Французский ученый XVI в. Р. Фурнье писал, что они поднимались прямо со дна моря и повергали в ужас всех береговых жителей и воинов. Такой способ погружения и пребывания под водой в дальнейшем был усовершенствован и на его основе разработан водолазный колокол.

Одним из первых сообщений о применении водолазного колокола было известие о погружении под воду на реке близ Толедо в Испании в 1538 г. При этом мы впервые встречаем описание конструкции водолазного колокола. Он представлял собой перевернутый горшок или колокол, внутри которого был сделан настил из досок для сидения и рабочего инструмента. Колокол опускался на цепи, и время нахождения в нем ограничивалось внутренним газовым объемом и количеством людей. Однако применение подобного водолазного колокола, по-видимому, имеет более древнюю историю. Известна легенда, по которой Александр Македонский повелел опустить себя в хрустальном колоколе на дно моря, чтобы увидеть обитателей морских глубин. В 1240 г. Роджер Бэкон упоминает о приспособлении, в котором можно ходить по дну моря или реки без опасности для жизни.

Прототипом водолазного колокола явилось изобретение крепостным крестьянином Е. П. Никоновым в 1719 г. водолазного снаряжения, позволяющего некоторое время свободно передвигаться под водой.

Первое документальное свидетельство попытки научно обосновать процесс погружения в водолазном колоколе относится к XVI в. К. Штурмьюс в целях избежания удушья при погружении советовал брать в водолазный колокол воздух в бутылках и разбивать их по мере надобности. Штурмьюсу принадлежит подробное описание как самого водолазного колокола, так и принципа его использования.

Естественно, что дыхание в замкнутом объеме без вентиляции не могло обеспечить продолжительное безопасное пребывание человека под водой. Уменьшение кислорода и накопление углекислого газа приводило к тяжелым расстройствам, а часто и к гибели. Усовершенствованно водолазного колокола английским астрономом Эдмундом Галлсем в 1717 г. открыло возможности к широкому использованию этого метода. Галлей предложил для замены "испорченного дыханием воздуха" погружать вместо с колоколом бочонки с воздухом, которые водолаз мог по мере надобности разбивать сам. Для удаления избытка загрязненного воздуха Галлей установил в верхней части колокола специальный клапан. Ему же принадлежит идея создания водолазного скафандра: водолазу, работающему за пределами колокола, Галлей предложил одевать капюшон, соединенный с водолазным колоколом трубой для дыхания.

В 1691 г. известный физик Дени Папен предложил идею применения сжатого воздуха для вентиляции водолазного колокола. По мысли этого ученого "можно постоянно впускать струю свежего воздуха в водолазный колокол с помощью сильных кожаных мехов, снабженных клапанами, по трубе, проходящей под колокол и открывающейся в его верхней части. Таким образом, колокол, оставаясь всегда пустым и находясь на грунте, почти осушает в данном место грунт и делает работу настолько возможной, как и вне воды, и я нисколько не сомневаюсь, что это поможет избежать больших расходов, когда захотят что-нибудь строить под водой. Впрочем, в случае, если кожаные мехи не будут достаточно сильны, чтобы сжать воздух настолько, насколько это необходимо на больших глубинах, можно всегда помочь этому затруднению, пользуясь (для этой же цели) помпой, чтобы сжать воздух"*.

*(Бер П. О влиянии повышенного барометрического давления на животный и растительный организмы / Пер. В. П. Аннина. 2-е изд., испр. и доп. Пг., 1916, с. 14.)

Осуществить эту идею удалось в 1839 г. французскому инженеру Триже. В 1841 г. он представил во Французскую Академию наук сочинение "Описание прибора с сжатым воздухом для рытья шахт и работ под водой".

С этого момента началось бурное развитие кессонных работ. Вместе с тем разрабатывались и различные системы водолазных скафандров. Идеи водолазного скафандра Галлея нашли дальнейшее воплощение в работах А. Клин-герта (1797 г.) и русского механика Гаузена (1829 г.). В основу создания водолазного скафандра легло предположение соединить малый колокол с мягким кожаным или впоследствии резиновым скафандром. Малый водолазный колокол (водолазный шлем) соответствовал размеру головы водолаза и вентилировался воздухом через гибкий шланг с помощью помпы, расположенной на поверхности.

Впоследствии, в 1837 г., англичанин А. Зибе усовершенствовал водолазный скафандр Гаузена, обеспечив герметизацию водолазного шлема и гидрокостюма.