Пьянящий воздух

(напечатано в журнале "Инженер" №4, 2006 г.)

Люди, побывавшие на больших глубинах и высотах, по возвращении оттуда нередко рассказывают весьма странные вещи. Речь идёт об аквалангистах и альпинистах, одинаково подверженных странному опьянению, вызываемому, как ни странно, самим воздухом.

Впервые об этом феномене поведал французский путешественник и инженер Жак-Ив Кусто, известный изобретением акваланга и снятыми с его помощью фильмами. В своей замечательной книге "В мире безмолвия" (М., 1966) он рассказал, что аквалангисты, достигнув определённой глубины, порядка 30-40 м, начинают пьянеть и теряют контроль над собой. Их одолевают галлюцинации, беспричинное веселье, ощущение беззаботности. Кусто назвал это состояние опьянением глубиной. И поскольку подводные погружения всегда сопряжены с большим риском для жизни, такое опьянение нередко приводит к гибели аквалангиста.

Но самое странное, что похожему опьянению подвержены и альпинисты, напротив, уже поднимающиеся на определённую высоту. Вот как это описывает А.Ю. Аксельрод в своей книге "Кислород в нашей жизни": "На высотах 2500 – 3500 м у некоторых людей происходят изменения в поведении: наблюдается приподнятое настроение, излишняя жестикуляция и говорливость, ускоренный темп речи, беспричинное веселье и смех, беззаботное, легковесное отношение к окружающей среде. Это явление называется эйфорией. В какой-то степени оно сравнимо с состоянием, сопровождающим лёгкую алкогольную интоксикацию". На ещё больших высотах нередко возникают слуховые и зрительные галлюцинации. В горах такое беззаботное состояние тоже иногда оборачивается гибелью человека.

Казалось бы, высотное и глубинное опьянение никак не связаны: мало ли существует пьянящих веществ и механизмов, вызывающих сходные симптомы – эйфорию, беззаботность, галлюцинации. Но, как выяснилось, роднит их то, что опьянение в обоих случаях создаётся простым воздухом. Именно пьянящий воздух вершин и глубин служит нередко причиной гибели их отважных покорителей.

Это выяснилось после усовершенствования подводного и горного снаряжения. Так, опьянение глубиной совершенно исчезло, когда на подводных работах для борьбы с кессонной болезнью стали вместо сжатого воздуха применять гелиокс – смесь гелия и кислорода. Так же пропало и опьянение высотой, когда альпинисты на подъёме стали надевать кислородные маски. Спасают дыхательные аппараты и лётчиков, взлетевших на большую высоту и столь же подверженных высотным галлюцинациям и опьянению.

Что же такое содержит глубинный и горный воздух, что заставляет мутиться рассудок? Для глубин это уже выяснено – всё дело в азоте. Ведь именно азот, составляющий в обычном воздухе 4/5 объёма, отсутствует в гелиоксе: его заменяет гелий. По невыясненным до сих пор причинам при погружении и соответствующем росте давления вдыхаемого воздуха, а значит и азота, последний начинает оказывать на человека опьяняющее воздействие. Поэтому глубинное опьянение нередко называют азотным отравлением.

Что же касается высотного опьянения, то причины его тоже не вполне ясны. Предполагают, что оно связано с кислородным голоданием мозга. Ведь чем выше в горы, тем меньше воздуха и кислорода. Меньше будет и давление азота, так что здесь азотное отравление, казалось бы, ни при чём. Но может оказаться и так, что дело отнюдь не в самом азоте, а в его соединениях. Действительно, азот – это газ весьма инертный ("азот" означает "безжизненный"), не вступающий в реакции, а потому не влияющий на нашу жизнедеятельность. Но зато его соединения играют в природе весьма важную роль.

Особенно это относится к газообразным оксидам азота. Выяснилось, что в организме они на втором месте по значимости после кислорода. Достаточно сказать, что именно оксид азота NO регулирует ширину кровеносных сосудов. Так, именно с ним связано лечебное действие нитроглицерина. Известно несколько газообразных оксидов азота, основные среди которых – это NO₂, NO и N₂O. Последний, N₂O, называемый закисью азота, особенно интересен. Дело в том, что именно этот газ способен вызывать опьянение, эйфорию, беспричинное веселье, за что его нередко называют "веселящим газом".

Вдруг именно с его, а отнюдь не с азотным воздействием на организм связано глубинное опьянение? Не может ли при большом давлении воздуха – этой смеси азота N₂ и кислорода O₂ – выделяться веселящий газ N₂O? Это кажется тем более вероятным, что водолазы, подвергшиеся действию глубинного опьянения, сами сравнивали его с опьянением веселящим газом. Скажем, Кусто так говорит о глубинном опьянении: «Этот хмель наводит на мысль о пьяных сборищах двадцатых годов, когда наркоманы собирались вместе и вдыхали закись азота». Другой автор пишет: «Чем выше давление, тем сильнее проявляется это действие, всё более напоминая действие «веселящего газа» – закиси азота». Случающиеся же при погружениях обмороки и полусонные состояния тоже во многом напоминают медицинский наркоз, общую анестезию с использованием закиси азота.

Почему же никто не предположил, что именно в веселящем газе суть дела? Всё просто: считали, что закиси азота в воздухе нет и взяться ей неоткуда, поскольку азот настолько инертен, что даже при повышенном давлении не должен реагировать ни с кислородом, ни с другими веществами. Всё дело в прочности молекулы азота N≡N: слишком сложно отделить от неё атом N для реакции. Для этого надо разорвать все три связи (показаны чёрточками).

Однако в противоположность другим реакциям для получения молекулы N₂O совсем не нужно отрывать атом азота. Ведь в молекуле веселящего газа N=N=O атомы азота, как и в молекуле N≡N, связаны, и достаточно было бы разорвать лишь одну её связь. А возможно даже и её рвать ни к чему, ибо молекула N₂O как бы попеременно принимает одну из форм N=N=O и N≡N–O. Вот и выходит, что с кислородом азот должен реагировать намного легче, чем с другими веществами, особенно при большом давлении, когда равновесие реакции 2N₂ + O₂ = 2N₂O смещается вправо: образуется больше N₂O. Так что азот не такой уж "безжизненный" газ. В связи с этим впору вспомнить забытую гипотезу инженера-механика М.И. Волского об усвоении атмосферного азота животными и человеком [1].

Имеются и факты, подтверждающие вину N₂O. Так, известен давний опыт швейцарского профессора Ганса Келлера, который погружался на глубину 120 метров и в течение пяти минут дышал смесью, состоявшей на 95% из азота и на 5% из кислорода. При этом у него не возникло никаких симптомов глубинного опьянения. Это подтверждает, что дело не только в азоте, но и в кислороде: Келлер первый указал, что опьянение создаётся совместным действием нескольких газов. Ведь на количество выделяемой в реакции 2N₂ + O₂ = 2N₂O закиси азота влияет не только содержание азота, но и содержание кислорода. И хотя давление N₂ было слегка повышено, зато содержание O₂, обычно составляющее 20 %, было снижено аж в четыре раза, что пропорционально ослабило реакцию.

Но то теория, а как на практике бороться с глубинным опьянением, если дело и впрямь в закиси азота? Убрать кислород из дыхательной смеси нельзя, иначе она потеряет смысл. А удалять азот, заменяя его дефицитным гелием слишком дорого. Значит, нужно оставить оба газа, однако ослабив или исключив их реакцию. Можно, например, попытаться найти какой-нибудь ингибитор – вещество, блокирующее реакцию и вызывающее распад N₂O. Но возможны и другие способы. Самый простой выход – это разделить кислород и азот, чтобы они хранились в акваланге по отдельности, в разных баллонах и смешивались лишь непосредственно перед вдыханием, уже при рабочем давлении (именно так был устроен акваланг Келлера). Тогда они просто не успеют прореагировать: закись азота не успеет образоваться.

К тому же в баллонах акваланга воздух предварительно сжат до огромного давления в 200 атмосфер, соответствующего двухкилометровой глубине. А при таком давлении азот с кислородом должны прореагировать уже в баллоне, и изначальная концентрация образовавшейся там закиси азота, должна быть огромной. При снижении давления в редукторе баллона значительная часть N₂O должна распасться. Но полностью веселящий газ распасться не успеет и попадёт в лёгкие аквалангиста. Итак, проблема не только в большом давлении вдыхаемого на глубине воздуха, но и в ещё большем его давлении внутри баллонов.

Недаром при работе в водолазном костюме "трёхболтовке", в шлем которого воздух подаётся не из баллона, а с поверхности, по шлангу, опьянение глубиной наступает лишь на много больших глубинах – порядка 80-90 м. Там должен иметь место обратный эффект. В только что сжатом на поверхности атмосферном воздухе азот и кислород не успевают образовать веселящий газ. Правда, если воздух в костюме застаивается, они могут прореагировать уже внутри него. Недаром одним из действенных способов борьбы с глубинным опьянением в таком подводном снаряжении является принудительная продувка костюма свежим воздухом [2]. Похоже, свежий воздух уносит с собой накопившуюся в костюме закись азота.

Отсюда можно вынести ещё один простой способ уменьшения степени глубинного опьянения в аквалангах. Необходимо, чтобы воздух из баллонов поступал не сразу в лёгкие аквалангиста, а направлялся прежде в ещё один объём – баллон предварительного расширения. Давление в нём должно быть лишь немногим больше, чем у воздуха, вдыхаемого аквалангистом. И поскольку к водолазу воздух из этого баллона поступал бы не сразу, попавшая в него закись успевала бы распасться до равновесной для данного давления концентрации.

И всё же эффективней был бы акваланг системы Келлера с раздельным хранением азота и кислорода. К тому же, по предложению Келлера, по мере погружения доля кислорода в смеси должна снижаться, чтобы с глубиной его парциальное давление росло не столь быстро как давление всей смеси. С одной стороны это исключило бы отравляющее действие концентрированного кислорода, а с другой ещё больше ослабило бы его реакцию с азотом.

Также следовало бы соответственно изменить и систему воздухоснабжения подводных домов и лабораторий, ибо, как следует из той же книги Кусто, обитатели их тоже нередко поддаются необъяснимому веселью и теряют контроль над собой. И хотя такие дома помещаются обычно не глубже 12 м, опьяняющее действие закиси азота может проявиться и там вследствие её продолжительного образования и длительного воздействия на организм.

Читателю, возможно, будет интересно поразмыслить над конкретным техническим воплощением предложенных аквалангов. Это непростая инженерная задача. Так, аквалангу потребуются новые редукторы, причём не простые, ибо они должны будут автоматически снижать давление (выходящего из баллонов газа) не до имеющегося у окружающей воды, а до иного, пропорционального ему. Автоматический же редуктор, регулятор акваланга, так называемый лёгочный автомат [3], – это самая важная и ответственная его часть (именно в создании такого автомата и состояла главная заслуга Ж.-И. Кусто и его компаньона Э. Ганьяна). Именно поэтому устройство его должно быть предельно простым и надёжным.

Но, пожалуй, мы слишком углубились. Пора поднять взгляд повыше и задаться вопросом о причинах высотного опьянения. Ситуация там совершенно обратная – давление воздуха не повышено, а, напротив, заметно снижено. Так откуда же взяться закиси? Как ни странно, именно на большой высоте закиси азота больше всего. И дело здесь уже не в давлении, а в излучении. В горах излучение солнца, особенно ультрафиолетовое, намного интенсивнее, чем у поверхности Земли, поскольку значительная его часть поглощается нижележащими плотными слоями воздуха и в том числе пресловутым озоном. Это излучение раздирает молекулы воздуха на атомы, ионизует воздух. И в частности разрываются молекулы азота и кислорода. В результате на высоте их атомы легко соединяются, образуя закись азота. Видимо, именно этот высотный веселящий газ и вызывает опьянение высотой.

Ну и осталось выяснить, как же отражается присутствующая в воздухе закись азота на тех, кто живёт где-то между высотами и глубинами, то есть на нас с вами. Конечно, может показаться, что её в воздухе и нет вовсе, ибо почти весь веселящий газ, возникший на заоблачных высотах, распадается к моменту достижении им поверхности. Но, как следует из Большой Советской Энциклопедии (статья "Атмосфера"), N₂O всё же присутствует в воздухе в количестве 0,00005 %: на один кубометр воздуха приходится полкубика N₂O. Это не так уж мало: по содержанию в воздухе закись азота стоит на 9-м месте, деля его с водородом.

Но может ли это ничтожное количество веселящего газа как-то влиять на нас? Если да, то заметнее такое влияние стало бы при некотором повышении давления воздуха. Многие, наверное, обращали внимание на странное лёгкое состояние, наступающие при быстром интенсивном дыхании или при надувании воздушного шарика. При этом давление воздуха в лёгких повышается и пропорционально должна вырасти концентрация закиси азота в лёгких, а значит и в крови. Может, именно ей вызвано это напоминающее опьянение состояние?

Кстати, быстрое дыхание без физической нагрузки характерно и для смеха. Человек, да и животные производят при смехе серию частых и резких, словно конвульсивных, дыхательных движений. Учёные не могут указать, в чём их смысл. Кто знает, быть может, когда мы хотим рассмеяться, то рефлекторно совершаем такие быстрые вдохи-выдохи, как раз чтобы насытить кровь веселящим газом, присутствующим в воздухе. В таком случае именно закисью азота должен создаваться смех и лёгкое, приятное состояние, вызываемое им.

Смех, как выяснили психологи, это своего рода защитная реакция организма, возникающая в ответ на нарушения логики, на перегрузку мозга. Смех даёт нервную разрядку, снимает с мозга напряжение, освобождает его от "зацикливания", "зависания", короче, не даёт нам сойти с ума (в жизни и фильмах ЭВМ и роботы ломаются именно от парадоксов, логических неувязок). Для защиты мозга организм мог бы просто выбрасывать в кровь гормоны радости, веселья, так называемые эндорфины, создающие лёгкое опьянение. Но организм должен стремиться их экономить, используя лишь на самом первом, "запальном" этапе смеха, а после создавать опьянение и веселье даровым веселящим газом воздуха. Выходит, человеку нельзя без азота, иначе полноценный смех невозможен, и есть угроза рассудку. В этом смысле наши космические аппараты с воздушной атмосферой были предпочтительней американских, в которых астронавты дышали чистым кислородом при сниженном давлении.

Рыдания, сотрясения грудной клетки при плаче во многом напоминают хохот. Так что и здесь, возможно, запускается защитный механизм, насыщающий кровь веселящим газом и предохраняющим мозг от перегрузки огорчения. Недаром говорят: "Поплачь – легче будет".

Иногда же концентрация веселящего газа в воздухе может вырасти настолько, что и без усиленного дыхания он будет вызывать смех. Возможно, именно таким увеличением вызваны возникавшие иногда эпидемии массовой истерии, безумного, беспричинного веселья огромных масс народа (описания таких случаев можно найти в книге Ф.Ю. Зигеля "Виновато Солнце"). Причём, как показал А.Л. Чижевский, большинство подобных психических эпидемий пришлись на годы повышенной солнечной активности. Из-за неё должна была возрастать концентрация N₂O в воздухе: ведь воздействие солнечного излучения на атмосферу усиливалось в несколько раз, а ионизация воздуха и образование N₂O становились возможными даже на малых высотах. Кстати, чаще всего такие эпидемии массового смеха, психоза возникают в горах, где, как мы знаем, и без того высока концентрация N₂O. Очень интересен в этом смысле город Мехико, расположенный на высоте около 2200 м. Там чаще, чем где-либо, видят НЛО. Но, быть может, это следует объяснить массовыми галлюцинациями от временно возросшей концентрации N₂O, очень близкой к пороговой на такой высоте.

Не по этой ли причине пьянит и грозовой воздух? Отчасти тот же эффект должны давать и люстры Чижевского – ионизация воздуха облегчает образование закиси азота. Не так ли входят в состояние нирваны и йоги, придающие основное значение дыханию и потому наверняка умеющие насытить кровь закисью азота, которой так богат воздух гор, где йоги часто живут? Даже в механизме сна N₂O может играть некоторую роль. Ведь непосредственно в момент засыпания человек начинает глубже, интенсивнее дышать, хотя в покое дыхание, казалось бы, должно, напротив, ослабнуть. Может, так мы насыщаем кровь закисью азота, вводящей нас в своего рода наркозный сон, за которым следует сон естественный? Не потому ли на орбитальных станциях люди спят гораздо меньше, чем на Земле? Ведь давление воздуха там обычно понижено, а значит, мала концентрация N₂O. С другой стороны, когда станцию пронизывают мощные потоки космических лучей, ионизация должна там, напротив, увеличивать концентрацию N₂O, чем, вероятно, и объяснятся галлюцинации на орбите.

Но мы, пожалуй, чрезмерно увлеклись. Не мешало бы поэтому узнать мнение авторитетных учёных по поводу азотного опьянения и его объяснения. С этой целью статья была более года назад направлена на отзыв А.Н. Вётошу, специалисту по действию азота на организм человека. Однако ответа автор так и не дождался. Молчание следует, очевидно, расценивать как знак того, что нет убедительных аргументов ни за, ни против приводимых в статье гипотез. И действительно, проблема глубинного и высотного опьянения, механизмы действия азота и N₂O на организм человека, природа смеха изучены пока ещё очень слабо. Поэтому выводы статьи следует рассматривать лишь как гипотезы. В частности, создание предложенных здесь "безалкогольных" аквалангов возможно лишь после того, как будет экспериментально выяснена роль N₂O в создании глубинного опьянения. Но то, что простой воздух способен опьянить человека, уже не подлежит сомнению. И выражения "пьянящий воздух свободы, грозы, вершин" приобретают уже отнюдь не фигуральный смысл.
Сергей Семиков
Литература:

1. Волский М.И. Новая концепция дыхания. – Горький, 1961.

2. Карпичев В. Г. Путь в глубину. – М.: Мысль, 1984.

3. Печатин А.А. Человек под водой. – М.: ДОСААФ, 1967.