Как выяснилось в начале XX в., именно отравление углекислым газом мешало многим подводникам британского флота работать на глубине. Подводнику постоянно подавался воздух с поверхности, который затем выходил через дренажный клапан на боку шлема. Углекислый газ – это побочный продукт метаболизма, выбрасываемый с выдыхаемым воздухом. Таким образом, при дыхании внутри водолазного костюма накапливался углекислый газ, начиная постепенно повышать содержание CO2 во вдыхаемом воздухе. Объем излишка зависел от скорости прохождения воздуха через водолазный костюм. От физической деятельности, повышавшей скорость метаболизма, концентрация углекислого газа увеличивалась еще больше. Поскольку двухпроцентное содержание CO2 при нормальном атмосферном давлении практически не отражается на самочувствии подводника, скорость подачи воздуха высчитывалась так, чтобы не превышать эту границу. Однако в то время еще не знали, что воздействие углекислого газа под давлением усиливается и что на глубине 60 м, где давление составляет 5 атмосфер, 2-процентное содержание CO2 приравнивается по воздействию к 10-процентному содержанию CO2 на поверхности. В результате при чрезмерной физической нагрузке у подводников начиналась одышка, нередко они теряли сознание. Однако стоило определить причину, и проблему удалось устранить – повышением скорости закачивания воздуха пропорционально внешнему давлению воды.

Отравление углекислым газом может возникнуть и при использовании описанного выше аппарата с замкнутой схемой дыхания, если заполненный натровой известью сепаратор, удаляющий CO2, выйдет из строя. Это одна из причин, по которой военные подводники во время Второй мировой иногда теряли сознание и тонули даже на небольшой глубине.

Очередной толчок исследованиям воздействия углекислого газа на глубине дала трагедия, происшедшая за три месяца до начала Второй мировой войны. В июне 1939 г., во время морских испытаний на ливерпульском рейде затонула британская подлодка «Фетида», унеся с собой 99 жизней. Выжили только четверо. И снова призвали на помощь Дж. Холдейна – на этот раз от имени профсоюзов, к которым принадлежали многие члены экипажа, – расследовать причины смерти. Он подобрал себе четырех добровольных помощников{17} и сымитировал условия спасательного шлюза в маленькой стальной камере. Уже через час у всех участников эксперимента начались сильные головные боли, а у некоторых рвота – из-за повышенного содержания углекислого газа.

Углекислый газ составляет около трех процентов выдыхаемого воздуха, поэтому в замкнутом пространстве, где человек вынужден вдыхать отработанный воздух, уровень углекислого газа повышается. На поврежденной подлодке передозировка углекислого газа может возникнуть раньше, чем станет ясно, что пора покидать судно – в случае с «Фетидой» содержание CO2 повысилось примерно до 6 % (норма для атмосферы – 0,04 %). Но дело не только в этом. Парциальное давление углекислого газа в воздухе поднимается еще выше при использовании спасательных шлюзов. На подлодке аварийно-спасательные люки открываются наружу, чтобы внешнее давление воды герметично прижимало их в закрытом состоянии к борту. Чтобы их открыть, нужно уравнять давление внутри подлодки с наружным давлением, заполнив спасательный отсек морской водой. Как только перепад давления устранится, можно будет открыть люки и экипаж, надев дыхательные аппараты, поднимется на поверхность. Поскольку воздух в спасательном шлюзе сжат под напором поступающей воды, парциальное давление углекислого газа будет постепенно расти.

Холдейн вместе с доктором Мартином Кейсом проводил всесторонние эксперименты, исследуя воздействие повышенного содержания углекислого газа под возросшим давлением. Под давлением в одну атмосферу увеличение процента CO2 с 0,04 до 6 практически не ощущалось, но под давлением в десять атмосфер наблюдалось ощутимое ухудшение результатов в тестах на моторику, все испытуемые демонстрировали потерю координации, и через пять минут большинство теряло сознание. Под водой дезориентация или обморок могут привести к летальному исходу. Из экспериментов Холдейна можно предположить, что после внезапной декомпрессии спасательного шлюза «Фетиды» повышенная концентрация углекислого газа в оставшемся воздухе ослабила способность подводников принимать адекватные решения и помешала им правильно надеть и отрегулировать дыхательные аппараты.

Как уже, должно быть, очевидно, Дж. Холдейн был человеком достаточно эксцентричным и не раз подвергал собственный организм (и организмы коллег) проверкам на прочность. Помимо этого он отличался дотошностью, поэтому последовательно изучал воздействие CO2 при низких температурах, характерных для глубины. Он описывал, как однажды «погрузился на тридцать пять минут в тающий лед, дыша воздухом с 6,5-процентным содержанием углекислого газа, а в заключительной стадии эксперимента еще и под давлением в 10 атмосфер. Я потерял сознание. У одного из наших испытуемых произошел разрыв легкого, но сейчас он поправляется; шестеро человек по одному и более раз теряли сознание, у одного случились судороги».

Остается только гадать, как отреагировал бы на такое Комитет по вопросам здравоохранения и безопасности в наши дни. Однако лишь благодаря мужеству Холдейна и его коллег мы обладаем научным материалом по воздействию газов на человеческий организм под давлением. Эти данные помогли (и помогают) спасти не одну жизнь.

Сжатым воздухом нельзя пользоваться на глубине ниже 30 м – из-за опасности азотного наркоза. Азот необходимо заменять, а объем кислорода по мере погружения нужно постоянно регулировать так, чтобы давление не превышало 0,5 бар. Для восстановления баланса вдыхаемого газа используется гелий, и на глубинах, превышающих 30 м, ныряльщики обычно дышат кислородно-гелиевой смесью (так называемый «гелиокс» или КГС). Как инертный газ гелий имеет ряд преимуществ перед азотом. Во-первых, он обладает меньшим наркотическим эффектом. Во-вторых, им легче дышать, поскольку он разреженнее и менее вязкий – его молекулярная масса составляет всего четыре единицы (молекулярная масса азота, для сравнения, – 28 единиц). Гелий труднее растворяется в воде, что сокращает объем растворенного в крови газа и время на декомпрессию. Однако у гелия есть и недостатки, среди которых – высокая теплопроводность, ведущая к тому, что с выдыхаемым воздухом теряется много тепла, поэтому ныряльщику требуется дополнительное утепление, чтобы не замерзнуть. Кроме того, из-за низкой плотности повышается тембр голоса, человек начинает разговаривать как персонаж мультфильма. Происходит это потому, что звук в гелии распространяется быстрее, а значит, повышается резонансная частота дыхательных путей.