نفس کشیدن در اقیانوسی پر از هوا

ادوارد کاسلر از دانشگاه مینسوتا، در مینیاپولیس، در سال ۱۹۸۰ آب‌شش مصنوعی ساخته بود که اکسیژن را از آب برداشت می‌کرد. او از آن سال‌ها در این رویا بود که دستگاهی بسازد که روزی به او امکان دهد درست مانند یک ماهی شنا کند و در حالی که در آب شیرجه می‌رود، منبع ناپایانی از اکسیژن برای او فراهم کند.
کاسلر می‌خواهد مانند یک ماهی شنا کند، اما هنگامی که آب‌شش ساخت خودش را در آزمایشگاهش مورد آزمون قرار داد، دریافت کرد که اکسیژن کافی برایش فراهم نمی‌کند. کاسلر یادآور می‌شود که" آن دستگاه توان کافی برای زنده‌نگه داشتن من را نداشت."
کاسلر نخستین فردی نیست که آرزوی شنا کردن مانند ماهی را در سر پرورانده است. در سال ۱۹۶۲، جاکوس کاستوو، از پیشگامان کاوش در زیر آب، به دنیا آمدن گونه‌ی تازه‌ای از انسان، Homo aquaticus ، را پیش‌بینی کرد: مردمانی که با جراحی دارای آب‌شش شده‌اند. کاستوو گفته بود: شش‌ها را دور خواهد زد و می‌تواند زندگی کند و نفس بکشد در هر ژرفایی برای هر زمانی که بخواهد و بی آن‌که آسیبی ببیند."
ساختن یک آب‌شش مصنوعی ابتدایی، ناباورانه ساده است. همه‌ی آن‌چه که شما نیاز دارید یک جعبه‌ی ضدآب است که از غشایی با نفوذپذیری بالا به گاز ساخته شده باشد. آن را با هوا پر کنید و زیر آب نگه دارید و شما یک آب‌شش خواهید داشت. میزان اکسیژن و دی‌اکسید‌کربن حل شده در آب با جوّ بالای آن در تعادل است. بنابراین، انتشار از راه غشا به آفرینش غلظتی نزدیک به جوّ درون جعبه می‌انجامد. اگر اکسیژن درون جعبه پایین بیفتد، اکسیژن بیش‌تری از آب به درون آن راه خواهد یافت و اگر دی‌اکسید‌کربن درون جعبه افزایش یابد، به بیرون پراکنده خواهد شد.
در سال ۱۹۶۱، درست چند ماه پس از ساخته شدن نخستین غشای سیلیکونی بسیار نفوذپذیر، ریال والتر راب، از شرکت جنرال الکتریک، آب‌ششی ساخت که می‌توانست نیاز همستر را به اکسیژن برآورده سازد. او یادآوری می‌کند که" شما فقط باید آب را در جنبش نگه دارید" تا آب سرشار از اکسیژن و با دی‌اکسید‌کربن پایین، همیشه در تماس با غشا قرار ‌گیرد.
نیازی به این نیست که بگوییم انسان‌ها در مقایسه با همستر به اکسیژن بیش‌تری نیاز دارند. در آب نیز به همان اندازه‌ی جوّ اکسیژن وجود ندارد؛ بسته به جو، فقط ۴ تا ۶ میلی‌لیتر در هر لیتر آب دریا. بنابراین، برای این که جریان مناسبی از اکسیژن مورد نیاز خود را به دست آورید، نه تنها باید جریان مناسبی از آب روی غشا برقرار باشد، بلکه سطح بزرگی می‌خواهید که هر بار حجم بیش‌تری اکسیژن برداشت کنید. بر اساس برسی‌های چارلز پگانلی، تنکارشناس(فیزیولوژیست) که در دهه‌ی ۱۹۶۰ روی آب‌شش‌های مصنوعی آزمایش می‌کرد،کم‌ترین سطحی که نیاز دارید، ۸۰ متر مربع است.
برای آن‌که آب‌شش‌های کارآمدی داشته باشید، این سطح گسترده باید درون فضای کوچکی جای داده شود؛ درست همان‌گونه که کیسه‌های هوایی شش‌های ما، سطح بسیار بزرگی را فراهم می‌کنند. شش‌های مصنوعی، برای وارد کردن اکسیژن در خون طی عمل بای‌پس قلب یا پس از آسیب شدید به شش، از مدت‌ها پیش در بیمارستان‌ها به کار گرفته می‌شوند. خون از درون شبکه‌ای از لوله‌های کوچک نفوذپذیر به گاز می‌گذرد و هوا در پیرامون لوله‌ها در جریان است. اکسیژن با روند انتشار از دیواره‌ی لوله‌ها به درون خون نفوذ می‌کند و دی‌اکسید‌کربن از خون به هوا جریان می‌یابد. در این دستگاه سطح بسیار بزرگی درون فضای کوچکی جای گرفته است.
کاسلر دریافت که او می‌تواند با متصل کردن چند شش مصنوعی به هم، یک آب‌شش مصنوعی بسازد. هوا از راه لوله‌های نفوذپذیر به گاز، نفس کشیده می‌شود و در همان حال، مقدار زیادی‌ آب روی لوله‌ها مکیده می‌شود. به این ترتیب، اکسیژن به هوای تنفسی راه می‌یابد. با وجودی که این آب‌شش نمی‌توانست اکسیژن کافی برای انسان را فراهم سازد، کاسلر همسر مورد علاقه‌اش، مگینز، را درون جعبه‌ای نفوذناپذیر به آب به زیر رودخانه‌ی میسی‌سیپی فرستاد. او می‌گوید" من هرگز به اندازه‌ی این آزمایش در زندگی‌ام، نگران نشده بودم." خوشبختانه دستگاه کار کرد و بخت با او یار بود که ازدواج آنان سر گرفت. مگینز ۳ ساعت زیر آب بود و مقدار اکسیژن حدود ۱۶ درصد ثابت ماند.
در دهه‌ی ۱۹۸۰، یک شرکت ژاپنی که غشای سلولزی تولید می‌کرد، کاری را که کاسلر کنار گذاشته بود، در برنامه‌ی خود قرار داد. فوجی‌سیستم‌ توکیو مجموعه‌ای از آب‌شش‌های نمونه ساخت تا از این راه ثابت کند چه غشاهای با کیفیتی می‌سازد. نمونه‌های آغازین به یخچال کوچکی می‌ماند که به پشت قواص بسته شده بود، اما نمونه‌های پیشرفته‌تر که دانکی‌۳ نام گرفته بود، از جعبه‌ای تابوت‌مانند تشکیل شده بود که جلوی غواص کشیده می‌شد. دستگاه بزرگی بود، اما کار می‌کرد. در برنامه‌ی تلویزیونی که در سال ۲۰۰۲ برای معرفی این دستگاه پخش شد، غواصی با این دستگاه برای ۳۰ دقیقه در استخر آب باقی ماند.
مشکل این دستگاه فقط در اندازه‌ی آن نبود. هوای عادی ۲۱ درصد اکسیژن دارد. دانکی‌۳ ، مانند آب‌شش کاسلر، مقدار اکسیژن را در هوای تنفسی حدود ۱۶ درصد نگه می‌دارد. چنین مقدار پایینی از اکسیژن، می‌تواند باعث کاستی در توانایی انسان در درست و روشن فکر کردن شود. حال آن‌که، هنگام شیرجه رفتن در آب، خوب‌فکر کردن بسیار مورد نیاز است و تصمیم‌های ضعیف می‌تواند مرگ‌بار باشد.
بنابراین، آب‌شش‌هایی که فقط بر انتشار استوارند، به اندازه‌ی کافی مناسب نیستند. باید به روشی بر غلظت اکسیژن افزود. به نظر می‌رسد این کار امکان‌پذیر باشد: ماهی‌ها مثانه‌های شنایشان را پر می‌کنند که شناوری آن‌ها را در حالت خنثی نگه می‌دارد و این درحالی است که آن‌ها اکسیژن خالص را از آب برداشت می‌کنند.
در دهه‌ی ۱۹۸۰، ژوزف و سیلیا بوناونچورا در دانشگاه کارولینای شمالی، نشان دادند که ماهی‌ها این کار را به کمک شکل از هموگلوبین(پروتیین جابه‌جا کننده‌ی اکسیژن در خون) که به pH حساس است، انجام می‌دهند. وقتی سلول‌های پیرامون مثانه‌ی شنا اسیدلاکتیک را به درون خون آزاد می‌کند، کاهش pH باعث آزاد شدن اکسیژن به درون مثانه می‌شود و زمانی که ماهی می‌خواهد به ژرفای بیش‌تری برود، حجم آن را متناسب نگه می‌دارد.
● خون مصنوعی ماهی
این زوج دریافتند که آنان می‌توانند با تقلید از این فرایند آب‌شش‌های مصنوعی را برای هدف‌های گوناگون بسازند. آنان به جای هموگلوبین ماهی، تصمیم گرفتند از مواد شیمیایی بهره گیرند که محکم به اکسیژن پیوند می‌شوند اما زمانی که از روی یک الکترود می‌گذرند، آن را آزاد می‌کنند. آب‌ششی که بوناونچوراها برای غواص‌ها طراحی کرده‌اند، از دو حلقه تشکیل شده است. در حلقه‌ی اول، هموگلوبین مصنوعی اکسیژن را از آب برداشت می‌کند. در سوی دیگر حلقه، از روی الکترود می‌گذرد و اکسیژن آن آزاد می‌شود که از خلال غشایی به حلقه‌ی دوم آزاد می‌شود و این حلقه‌ی دوم است که هوای تنفسی را جابه‌جا می‌کند. سیلیا بوناونچورا می‌گوید" همه‌ی محاسبه‌های ما نشان می‌داد که این دستگاه کار خواهد کرد."
اما این طرح هرگز از میز طراحی فراتر نرفت. سرانجام، این فناوری به شرکتی فروخته شد که به ساختن جایگزین‌هایی برای خون و نه آبشش، علاقه‌مند بود. بنابراین، طرح آب‌شش دو حلقه‌ای تا اندازه‌ی زیادی به فراموشی سپرده شد. با وجود این، یک گروه در دانشگاه واسدا در ژاپن برای چند سال با دستگاه ساده‌تری به آزمایش ادامه داد(شکل را ببینید). آنان از هموگلوبین یا پرفلوروکربن، مایع بی‌اثر، که اکسیژن در آن فراوان حل می‌شود، بهره گرفتند تا اکسیژن را از آب برداشت و به حلقه‌ی هوای تنفسی جابه‌جا کنند. کنیچی نگاسه، رهبر این گروه، می‌گوید" به نظر ما ساختن آب‌ششی با اندزه‌ی منطقی، امکان‌پذیر است."
اما کاسلر و پگانلی نپذیرفته‌اند که دستگاه دوحلقه‌ای راه رسیدن به چنین آب‌ششی است. آنان می‌گویند که مشکلی پایه‌ای در این آب‌شش‌های بر پایه‌ی غشا وجود دارد که یکی از آن‌ها را حدود یک سده‌ی پیش، ریچارد ایج، تنکارشناس دانمارکی که روی سوسک‌های آب‌زی پژوهش می‌کرد، شناسایی کرده بود.
سوسک‌های آب‌زی پیوسته برای به دست آوردن حباب هوا، که زیر پوشش بال‌هایشان یا بالای شکمشان، (روی سوراخ‌هایی که از آن‌جا نفس می‌کشند) جای می‌دهند، از کف آب‌گیر به بالا می‌آیند. این حباب‌ها چیزی بیش از اندوخته‌ی ثابتی از اکسیژن هستند؛ آن گونه که غواص‌ها کپسول هوا با خود جابه‌جا می‌کند. سطح حباب‌ها مانند آب‌شش عوض تبادل‌کننده‌ی گاز عمل می‌کند: اکسیژن از آب به درون حباب و دی‌اکسید کربن از حباب به بیرون منتشر می شود. اما اگر حباب مانند آب‌شش کار می‌کند، چرا بیش‌تر سوسک‌های آب‌زی سفر پرمخاطره‌ای را برای آمدن به سطح آب‌گیر به جان می‌پذیرند؟پاسخ این پرسش در اثر افزایش فشار در حباب هوا هنگام فرورفتن سوسک در آب، نهفته است. این فشار به هوای درون حباب فشار می‌آورد و گازها را در آب محلول‌تر می‌سازد. نتیجه‌ این است که حباب چروکیده می‌شود، به اندازه‌ی که دیگر چندان به عنوان آب‌شش کار نمی‌کند یا به طور کامل جمع می‌شود. به این دلیل است که سوسک برای دوباره پر کردن حباب به سطح آب می‌آید.
چنین مشکلی برای آب‌شش مصنوعی نیز به وجود می‌آید. همان‌طور که غواص در آب فرو می رود، فشار بالا باعث فشرده شدن هوای تنفسی و حل شدن بیش‌تر آن در آب می شود. بیش‌تر همای از دست رفته نیتروژن است، زیرا ۸۰ درصد هوا را تشکیل می‌دهد. برای جلوگیری از درهم‌فشرده شدن شش‌ها، باید آب‌شش اکسیژن بیش‌تری به هوای تنفسی پمپ کند. بنابراین، نسبت اکسیژن افزایش می‌یابد، که مشکل دیگری به همراه دارد زیرا که اکسیژن خالص در ژرفای ۹ متر زهر‌آگین می‌شود. بنابراین، اگر شما اکسیژن خود را از آب برداشت کنید، باید اندوخته‌ای از نیتروژن بی‌اثر همراه داشته باشید تا اندخته‌ی هوای خود را در حالتی نگه دارید که از زهرآگین شدن هوا طی فرورفتن در آب پیش‌گیری کنید.
پیش‌گیری از این مشکل، بسیار سخت است. آب‌شش‌های دوحلقه‌ای باعث کاهش از دست رفتن نیتروژن می‌شوند، اما آن را بر طرف نمی‌کنند. حتی اگر شما بتوانید به طور کامل از این کار پیش‌گیری کنید، غواص هنوز هم از راه پوست خود نیتروژن از دست می‌دهد.
آلون بودنر، نوآور اسرائیلی، سال گذشته رویکرد نویی پیش رو نهاد. او به جای آب‌شش غشایی، فرایند صنعتی جداکردن گازها از مایع را به کار گرفته است. این فرایند بر این اصل استوار است که اگر شما فشار مایع را کاهش دهید، برای مثال با با یک پمپ سانتریوفوژی، گاز حل شده در آن به صورت حباب بیرون می‌آید. بودنر می‌گوید که دستگاه ساخت او، که با باتری به کار می‌افتد، می‌تواند همه‌ی اکسیژن حل شده در آب را برداشت کند.در واقع، این دستگاه می‌تواند گازی دارای ۳۴ درصد اکسیژن را از آب دریا فراهم کند. به علاوه، چون دستگاه بوندر نیتروژن را نیز همراه اکسیژن برداشت می‌کند، مشکل از دست رفتن نیتروژن نیز وجود ندارد.
اما در این رویکرد نیز مشکلی وجود دارد. این دستگاه باید در هر دقیقه بیش از هزار لیتر آب را پردازش کند تا بتواند اکسیژن کافی برای نفس کشیدن غواص را در سطح آب فراهم کند. با هر ۱۰ متر فرورفتن در آب، فشار دو برابر می‌شود و بنابراین شما باید برای فراهم کردن همان حجم، دو برابر هوا برداشت کنید. با فرورفتن بیش‌تر، شما حتی باید بیش‌تر برداشت کنید. تنها راه برای کارکردی کردن این دستگاه این است که از آن به عنوان بخشی از تجدید کننده‌ی تنفس بهره بگیرید.
● تجدید کننده‌ی تنفس
بیش‌تر هوای فشرده‌ای که غواص‌ها به خود جابه‌جا می‌کنند، از دست می‌رود. حباب‌هایی که به سطح آب باز می‌گردد داری بیش‌تر اکسیژن مصرف نشده هستند. در تجدید کننده‌های تنفس( و در آب‌شش‌های غشایی) هوا بازگردش دارد؛ یعنی، اکسیژن از دست رفته بار دیگر به کار گرفته می شود و دی‌اکسید کربن جدا می‌گردد. تجدید کننده‌های تنفس با غواص‌ها امکان می‌دهند که با اندوخته‌ی اکسیژن کوچک بتوانند ساعت بیش‌تری زیر آب بمانند. از این رو، بودنر می‌خواهد این دستگاه را به عنوان بخشی از تجدید کننده‌ی تنفس طراحی کند. در این حالت، دیگر نیاز نداریم همه‌ی هوا را از ۲۰۰ لیتر آب در دقیقه برداشت کنیم. چون دستگاه عوای سرشار از اکسیژن را به جای اکسیژن خالص به هوای تنفسی می‌افزاید. نیتروژن باید به طور دوره‌ای تهویه شود تا از افزایش آن جلوگیری شود، اما این کار را پیش از این تجدید کننده‌های نیمه‌مدار‌بسته انجام می‌دهند.
اما عامل محدود کننده در مورد تجدیدکننده‌های تنفسی، اکسیژن اندوخته‌ای نیست، بلکه دور کردن دی‌اکسید کربن است. قوطی‌های آب آهک این گاز را طی چند ساعت پاک‌سازی می‌کنند. اما آن‌ها را بار دیگر نمی‌توان به کار گرفت و جایگزین کردن آن‌ها نیز هزینه‌بر است. بنابراین، در حالی که رویکرد بودنر برخی از مشکل‌ها بزرگ آب‌شش‌های غشایی را حل می‌کند، توانایی بزرگ آن‌ها را نیز به همراه دارد: آن‌ها در دور کردن دی‌اکسید کربن، سرآمدند.
غشاهای آب‌ششی را به عنوان شست‌ و شو دهنده‌ی دی‌اکسیدکربن در نظر می‌گیرند تا موادشیمیایی به کار رفته در تجدید‌کننده‌های تنفسی و زیردریایی‌های کوچک را جایگزین کنند. همچنین، به عنوان دستگاه اضطراری در زیردریایی‌های بزرگ به کار می‌روند. در سال ۲۰۰۳، بر اساس یک برسی، که برای پژوهشگاه نیروی دریایی آمریکا انجام شد، آزمایش‌های بیش‌تر درباره‌ی آب‌شش‌های غشایی به عنوان دستگاه اضطراری در زیردریایی‌ها پیشنهاد شد. یکی از آن پژوهشگران، دن وارکاندر از دانشگاه بوفالو در نیویورک، فکر می‌کند می‌توان آب‌شش غشایی ساخت که غواص به عنوان بخشی از تجدد کننده‌ی تنفسی همراه خود داشته باشد. او خاطر نشان می‌کند که : با این کار می‌توان به مدت نامحدودی هوای تنفسی را پاک‌سازی کرد."
به نظر می‌رسد در آینده‌ی نزدیک بتوانیم از آب‌شش‌های مصنوعی به عنوان فراهم‌کننده‌ی اکسیژن برای ماشین‌هایی که زیر آب کار می‌کنند، بهره بگیریم. نمونه‌های اولیه، پیش از این ساخته شده‌اند. اکنون، ماشین‌های فرمان‌ از راه دور و زیردریایی‌هایی که با سوخت فسیلی کار می‌کنند، اکسیژن مایع با خود جابه‌جا می‌کنند. برداشت اکسیژن از آب دریا به این ماشین‌ها امکان می‌دهد سوخت بیش‌تری به همراه داشته باشند.
و در آینده، آب‌شش‌های مصنوعی برای فراهم ساختن هوای تنفسی برای زیردریایی‌ها یا سکونت‌گاه‌های زیرآبی به کار گرفته خواهند شد. به نظر بوندر این کار تنها کاربرد این دستگاه در آینده‌ی نزدیک خواهد بود. اما غواص‌ها، بدون دستگاه‌های فنی شگفت‌آوری مانند غشاهایی که فعالانه گازهای ویژه‌ای را به درون و بیرون پمپ می‌کنند، می‌توانند از آب‌شش‌های مصنوعی به عنوان پاک‌کننده‌های دی‌اکسیدکربن بهره گیرند. بوندر و دیگران شاید بتوانند نمونه‌های اولیه‌ی آن را بسازند، اما آن‌ها همراه غواص‌ها نخواهند بود، مگر آن‌که از ابزارهای کنونی غواصی و تجدید کننده‌های تنفسی، کوچک‌تر و ایمن‌تر باشند یا امتیاز بزرگی داشته باشند.
به نظر می رسد که امتیاز بزرگ مورد نظر، فراهم کردن اندوخته‌ی نامحدودی از هوا باشد، اما همه‌ی طرح‌های پیشنهادی به باتری‌هایی به دوره‌ی فعالیت محدود وابسته‌اند. حتی اگر بشود نیاز به نیرو را تا اندازه‌ی بسیار زیادی کاهش داد، بیش‌تر غواص‌ها نمی‌خواهند یا نیاز ندارند بیش از ۱۲ ساعت یا بیش‌تر زیر آب بمانند که چنین کاری را پیش از این تجدیدکننده‌های تنفسی امکان‌پذیر کرده بودند.
● تنفس مایع
در حقیقت، دلیل اصلی برای زیرآب ماندن دراز مدت، پرهیز از بالا آمدن تند بر سطح آب است. همان پدیده‌ای که باعث از دست رفتن نیتروژن در غشاهای آب‌ششی می‌شود( یعنی، گازی که زیر فشار باشد، در خون و آب بیش‌تر حل می‌شود) باعث می‌شود اگر غواص به تندی به سطح آب بیاید، حباب‌های مرگ‌باری در بافت‌های بدنش به وجود آید. این حباب‌ها در مفصل‌ها باعث دردهای شدید و آسیب رساندن به غضروف می‌شوند. اگر در خون به وجود آیند، می‌تواند مویرگ‌های مغز را ببندند. از این رو، هر چه بیش‌تر زیر آب بمانید، باید آهسته‌تر به سطح آب بیایید.
بنابراین، سازندگان آب‌شش‌های مصنوعی شاید بتوانند این مشکل را حل کنند. آن‌چه نیاز هست، راهی برای برداشت هوا از آب، آن‌ هم به اندازه‌ای که غواص بتواند زمان بیش‌تری در آب بماند، نیست، اما می‌تواند راهی برای پیش‌گیری از عوارض بالا آمدن تند بر سطح آب باشد. همچنین، نیاز به آمیختن اکسیژن با گاز بی‌اثری مانند نیتروژن را برطرف می‌کند.
یک راه می‌تواند جایگزین کردن گاز بی‌اثر با مایع دربردارنده‌ی اکسیژن باشد. تنفس مایع، آن‌گونه که در فیلم The Abyss نشان داده شد، می‌تواند ژرف‌پیمایی را دگرگون کند. ما می‌توانیم به ژرفاهای بیش از آن‌چه تا کنون دست یافته‌ایم شیرجه برویم و سپس به تندی به سطح آب بازگریدم. اما با وجودی که آزمون‌های پزشکی از ایمن بودن این روش می‌گویند، این کار به سادگی آن‌چه در آن فیلم نشان داده شد، نیست. شش‌های انسان نمی‌تواند مایع چگال را به سرعت کافی به بیرون و درون بکشد تا اکسیژن کافی فراهم شود. از این رو، شما به لوله‌هایی نیاز دارید که به درون گلو فرو رود تا مایع را به گردش وادارد.
رونالد هیرشل، یکی از جراحان دانشگاه میشیگان، این فن را به وجود آروده‌ است تا بتوان وضعیت‌های گوناگون شش را درمان کرد. او می‌گوید: گ هیچ یک از بیماران ما نمی‌گویند که این کار به چه چیزی شباهت دارد، زیرا همه‌ی آنان بیهوش هستند." اما او فکر می‌کند بسیار ناخوشایند باشد. با وجود این، هرشل بر این باور استن که روزی ممکن است آن را برای غواصان سازگار کرد. او خاطر نشان می‌کند:" اکنون ما این را برای شش‌های بیمار به کار می‌بریم. آیا می‌توان آن را در موقعیت‌هایی که شش سالم است نیز به کار برد؟ شاید. این بسیار آینده‌نگرانه به نظر می‌رسد، اما به نظر من می‌تواند به واقعیت بپیوندد." و زمانی که تنفس مایع کامل شد، شاید آب‌شش‌های مصنوعی اکسیژن کافی را فاهم سازند. روزی شاهد آن خواهید بود. فقط نفس خود را نگه ندارید.

منبع:
Michael Le Page, Breathing in oceans full of air, New Scientist, ۰۷ January ۲۰۰۶ From issue ۲۵۳۳ , page ۲۸
مترجم: حسن سالاری

منبع : جزیره دانش