Kapalné dýchání – technologie, která umožňuje získávat kyslík nikoli ze vzduchu, ale ze speciální kapaliny – již dlouho vzrušuje mysl spisovatelů sci-fi. A nejen oni: vědci už asi půl století přemýšlejí o tom, jak udělat z vody přístupný biotop pro lidi. V praxi však vše vypadá úplně jinak, než jak to vypadá ve sci-fi filmech.
Vědecká a technická rada Státní nadace pro pokročilý výzkum nedávno schválila „projekt na vytvoření technologie pro záchranu ponorek volným výstupem pomocí metody kapalinového dýchání“, jehož realizaci by měl provést Moskevský institut okupace. Medicína (v době psaní článku nebylo vedení ústavu k dispozici pro připomínky). „Attic“ se rozhodl přijít na to, co se skrývá za tajemným slovním spojením „dýchání kapaliny“.
Kapalné dýchání je nejpůsobivěji demonstrováno ve filmu Jamese Camerona The Abyss.
Pravda, experimenty v této podobě nebyly na lidech nikdy předtím prováděny. Obecně ale vědci nejsou ve výzkumu této problematiky o moc horší než Cameron.
Myši jsou jako ryby
První, kdo ukázal, že savci mohou v zásadě získat kyslík nikoli ze směsi plynů, ale z kapaliny, byl Johannes Kylstra z Duke University Medical Center (USA). Spolu se svými kolegy v roce 1962 publikoval v časopise práci „O myších jako rybách“. Transakce Americké společnosti pro umělé vnitřní orgány.
Kylstra a jeho kolegové ponořili myši do solného roztoku. Aby se v něm rozpustilo množství kyslíku dostatečné pro dýchání, vědci „nahnali“ plyn do kapaliny pod tlakem až 160 atmosfér – jako v hloubce 1,5 kilometru. Myši v těchto experimentech přežily, ale ne příliš dlouho: v kapalině bylo dost kyslíku, ale proces dýchání, nasávání a vytlačování kapaliny z plic vyžadoval příliš mnoho úsilí.
Bylo jasné, že je nutné vybrat kapalinu, ve které by se kyslík rozpouštěl mnohem lépe než ve vodě. Požadované vlastnosti měly dva druhy kapalin: silikonové oleje a kapalné perfluorované uhlovodíky. Experimenty Lelanda Clarka, biochemika z lékařské fakulty University of Alabama, v polovině 1960. let minulého století objevily, že oba typy tekutin lze použít k dodávání kyslíku do plic. V experimentech byly myši a kočky zcela ponořeny jak do perfluorovaných uhlovodíků, tak do silikonových olejů. Poslední jmenovaný se však ukázal jako jedovatý – pokusná zvířata brzy po experimentu zemřela. Ale perfluorované uhlovodíky se ukázaly jako docela vhodné pro použití.
Perfluorované uhlovodíky byly poprvé syntetizovány během projektu Manhattan k vytvoření atomové bomby: vědci hledali látky, které by se nezničily při interakci se sloučeninami uranu, a dostaly kódové označení „Joe’s stuff“. Jsou velmi vhodné pro tekuté dýchání: „látky Joe“ neinteragují s živými tkáněmi a dokonale rozpouštějí plyny včetně kyslíku a oxidu uhličitého při atmosférickém tlaku a normální teplotě lidského těla.
Kylstra a jeho kolegové zkoumali technologii kapalinového dýchání při hledání technologie, která by lidem umožnila potápět se a vynořovat se bez obav z rozvoje dekompresní nemoci. Rychlý výstup z velkých hloubek se zásobou stlačeného plynu je velmi nebezpečný: plyny se pod tlakem lépe rozpouštějí v kapalinách, takže při výstupu potápěče vznikají plyny rozpuštěné v krvi, zejména dusík, bubliny, které poškozují cévy. Výsledek může být smutný, až fatální.
V roce 1977 Kylstra předložil ministerstvu námořnictva USA zprávu, ve které napsal, že podle jeho výpočtů by zdravý člověk mohl získat potřebné množství kyslíku pomocí perfluorovaných uhlovodíků, a proto by mohly být potenciálně použity místo stlačeného plynu. Vědec upozornil, že tato možnost otevírá nové vyhlídky na záchranu ponorek z velkých hloubek.
Experimenty na lidech
V praxi byla technika kapalinového dýchání, v té době nazývaná kapalinová ventilace, použita u lidí pouze jednou, v roce 1989. Poté Thomas Shaffer, pediatr z Temple University Medical School (USA), a jeho kolegové použili tuto metodu k záchraně předčasně narozených dětí. Plíce plodu v děloze jsou naplněny tekutinou, a když se člověk narodí a začne dýchat vzduch, zabrání plicní tkáni, aby se po zbytek života slepila, směs látek zvaných plicní surfaktant. U předčasně narozených dětí se nestihne nashromáždit v potřebném množství a dýchání vyžaduje velmi velké úsilí, které může být smrtelné. V té době však kapalinová ventilace kojenců nezachránila: všichni tři pacienti brzy zemřeli, ale tento smutný fakt byl připisován jiným důvodům, a nikoli nedokonalosti metody.
Více experimentů na úplné kapalinové ventilaci plic, jak se tato technologie vědecky nazývá, na lidech neproběhlo. V 1990. letech však vědci metodu upravili a experimentovali s částečnou kapalinovou ventilací, při které nejsou plíce zcela naplněny tekutinou, na pacientech s těžkým zánětlivým onemocněním plic. První výsledky vypadaly povzbudivě, ale nakonec se nedostalo do klinické aplikace – ukázalo se, že klasická ventilace plic vzduchem nefunguje o nic hůř.
Patent na fikci
V současné době se vědci vrátili k myšlence použití plné kapalinové ventilace. Fantastický obrázek potápěčského obleku, ve kterém bude člověk místo speciální směsi plynů dýchat kapalinu, má však k realitě daleko, byť budí představivost veřejnosti i mysli vynálezců.
V roce 2008 si tak bývalý americký chirurg Arnold Lande nechal patentovat potápěčský oblek využívající technologii ventilace kapalin. Místo stlačeného plynu navrhl použití perfluorovaných uhlovodíků a odstranění přebytečného oxidu uhličitého, který by se tvořil v krvi, pomocí umělých žaber „zapíchnutých“ přímo do potápěčovy stehenní žíly. Vynález získal určitou slávu poté, co o něm psala publikace The Independent.
Podle Philippa Micheaua, specialisty na kapalinovou ventilaci z University of Sherbrooke v Kanadě, vypadá Landeův projekt pochybně. „Při našich experimentech (Michaud a jeho kolegové provádějí pokusy na jehňatech a králících se zdravými a poškozenými plícemi – pozn. z Attic) na celkové tekutinové dýchání jsou zvířata v narkóze a nehýbou se. Proto můžeme zorganizovat normální výměnu plynů: dodávku kyslíku a odstranění oxidu uhličitého. Pro lidi při fyzické aktivitě, jako je plavání a potápění, bude dodávka kyslíku a odstraňování oxidu uhličitého problém, protože produkce oxidu uhličitého je v takových podmínkách vyšší než normálně,“ komentoval Michaud. Vědec také poznamenal, že technologie pro fixaci „umělých žáber“ ve femorální žíle je mu neznámá.
Hlavní problém „tekutého dýchání“
Michaud navíc považuje samotnou myšlenku „tekutého dýchání“ za pochybnou, protože lidské svaly nejsou uzpůsobeny pro „dýchání“ tekutiny, a účinný systém pump, které by pomohly pumpovat a pumpovat tekutinu z plic člověka, když se pohybuje a dělá nějakou práci, ještě nebyl vyvinut.
„Musím dojít k závěru, že v současné fázi technologického vývoje je nemožné vyvinout potápěčský oblek pomocí metody ventilace kapalin,“ říká výzkumník.
Aplikace této technologie se však nadále zkoumá pro jiné, realističtější účely. Například na pomoc utonulým, výplach plic při různých onemocněních nebo rychlé snížení tělesné teploty (používá se v případech resuscitace při zástavě srdce u dospělých a novorozenců s hypoxicko-ischemickým poškozením mozku).
Jekatěrina Boroviková
Ryby jsou obratlovci. Žijí neustále ve vodě. Většina druhů nemá plíce, takže nemohou dýchat atmosférický vzduch. Díky existujícím žábrám dýchají kyslík rozpuštěný ve vodě. Těla ryb jsou proudnicová, s ploutvemi a ocasem. Mnohé mají ochrannou vrstvu skládající se z překrývajících se šupin.
Ryby jsou chladnokrevné organismy, to znamená, že jejich tělesná teplota závisí na vnějším prostředí. Některé druhy mají v krvi speciální složení, aby ve studené vodě nezmrzly.
Ryby byly prvními obratlovci, kteří se vyvinuli před miliony let. Jedním z nejstarších typů, který přežil dodnes, je coelacanth, jehož fosilie pocházejí z doby 90 milionů let.
Chrupavčité a kostnaté ryby
Všechny ryby jsou rozděleny do dvou tříd, chrupavčité a kostnaté. Mezi chrupavčité patří:
Většina z nich se nachází pouze v mořích a oceánech. Kostru těchto ryb tvoří měkká chrupavka. Jejich šupiny nejsou ploché, vzájemně se překrývající, ale drobné, špičaté, podobné zubům.
Žábry chrupavčitých ryb jsou schopny se otevřít a zavřít. Ale na rozdíl od kostnatých ryb nemají žaberní kryty. Chrupavčité ryby se musí neustále pohybovat, aby nedošlo k udušení.
Co ryby dýchají?
K dýchání ryby otevírají ústa a polykají vodu, která obsahuje kyslík. Když voda prochází žábrami, dochází k výměně plynů mezi vodou a krví v krevních kapilárách.
Jak se ryby pohybují?
Ryby se pohybují ohýbáním svalů podél těla ve vlnách. Ploutve jim pomáhají otáčet se a udržovat rovnováhu. A s pomocí svého ocasu se rychle pohybují vpřed. Aerodynamický tvar a sliz pokrývající tělo pomáhají rybám snadno plavat ve vodě.
Jak se ryby rozmnožují?
Většina ryb naklade mnoho jiker najednou, ze kterých se líhne potěr. Jsou malou kopií svých rodičů. Některé druhy ryb, například žraloci, nosí v těle vajíčka a plodí živá mláďata.
Paryby
Žraloci
Navzdory své strašidelné pověsti jsou pro člověka nebezpeční pouze žraloci tygři a velcí bílí. Žralok bílý, který žije v teplých vodách oceánu, může dosáhnout délky 6 m, jeho zuby jsou až 7 cm vysoké.Většina druhů se k člověku ani nepřiblíží. Žralok pilovitý se například živí drobnými živočichy, které vyhrabává dlouhým čenichem z mořského dna. Na našem webu je velký článek o těchto jedinečných chrupavčitých rybách, kde o všem podrobně mluvíme – jmenuje se Žraloci.
rejnoci
Rejnoci jsou chrupavčité ryby s plochým tělem a často dlouhým ocasem. Jejich žábry a ústa jsou poměrně malé. Ploutve jsou velké a vypadají jako křídla. Rejnoci jimi při plavání mávají, což vyvolává dojem, že létají pod vodou. Rejnoci se živí rybami a měkkýši poblíž mořského dna. Někdy se schovávají v písku a číhají na procházející kořist.
Stejně jako žraloci je nebezpečných jen několik druhů rejnoků. Elektrické paprsky jsou schopny způsobit nepříteli nebo oběti silný elektrický šok. A bodnutí jedovatým bodcem na ocasu rejnoka může člověka zabít. Na rozdíl od žraloků však rejnoci nevidí lidi jako kořist.
Na našem webu je velký článek věnovaný těmto úžasným tvorům, jmenuje se Stingrays – můžete si ho přečíst.
Chiméry
Chiméry jsou skupinou chrupavčitých ryb s dlouhým tělem a ocasem. Jedná se převážně o ryby z hlubinného dna s velkýma očima a ostrou páteří na hřbetní ploutvi.
Kostnatá ryba
Kostnaté ryby, jejichž kostra se skládá z kostí, jsou mnohem větší skupinou než ryby chrupavčité. Jejich těla jsou obvykle pokryta překrývajícími se šupinami. V horní části tělní dutiny mají vzduchem naplněný plavecký měchýř, který jim brání v potápění, i když jsou nehybné.
Biotopy a životní styl ryb
Ryby žijí jak ve sladké vodě (řeky a jezera), tak v brakických mořích a oceánech. Mnozí se živí rostlinnými potravinami, ale někteří jsou predátoři. Mezi velkými predátory – barracudaútočících na hejna ryb vysokou rychlostí a modrý marlin, někdy dosahující délky více než 4 m.
Je zřejmé, že nejneobvyklejší z velkých kostnatých ryb je ta oceánská. měsíční ryba. Jeho velikost a vzhled jsou velmi působivé.
Mnoho oceánských ryb žije blízko vodní hladiny, kde je teplo, světlo a drobné rostliny zvané „fytoplankton“, kterými se živí. Malé ryby, které se živí fytoplanktonem, mohou být kořistí větších predátorů.
V hlubokých, temných vodách žije podstatně méně ryb. Sleďový král žije v hloubce 300-600 m. Se stuhovým tělem a červenou „hřívou“ může jít o monstrum popsané v mnoha mořských legendách. Některé hlubinné ryby vyplouvají na hladinu, aby lovily, jiné se živí zbytky potravy, které sestupují z hladiny. Některé hlubinné ryby jsou schopny vyzařovat světlo, aby přilákaly kořist.
Jak vidí ryby?
Většina kostnatých ryb má dobrý zrak a vidí barvy. Jejich oči jsou umístěny po stranách hlavy, což jim dává široké zorné pole. Některé druhy ryb žijících u dna mají oči směřující vzhůru, což jim umožňuje vidět nad sebou dravce nebo kořist. Ryby jako losos, která jsou lovena mnoha zvířaty, plavou ve velkých hejnech na ochranu, stejně jako se některá zvířata na souši, například dobytek, shromažďují ve stádech.
Jak se ryby brání?
Některé ryby mají ochranný obal ze srostlých šupin, jiné mají na zádech ostré ostny. Jasné zbarvení často slouží jako varovný signál pro predátory.Zbarvení mořského rouna varuje, že jeho dlouhé ostré ostny jsou jedovaté. A některé ryby, aby zastrašily útočníka, náhle nabobtnají.
Tvar rybího těla
Většina ryb má známý aerodynamický tvar těla, ale některé druhy vypadají jinak. Aknémají například dlouhé tělo s úzkými hřbetními ploutvemi, které nevyčnívají jako jiné ryby. Mořští koně Žijí v mělkých vodách a plavou vertikálně. To vytváří docela nepříjemnosti. Aby zůstaly na místě, musí se držet mořských řas.
