液体の中で呼吸できますか？

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リヴァイアサンプレス:

たった 1 時間 (特定の液体 PFC を吸入しただけ) でしたが、結果は明らかに刺激的でした。しかし、これは水中で直接呼吸するという幸せな未来からはまだ遠いようです。二酸化炭素排出という厄介な問題が解決され、海水や淡水から直接酸素を得る信頼できる方法が提案されれば、人々が深海へと向かうときに文明全体にどれほど劇的な影響が及ぶかは想像に難くないでしょう。

ジェームズ・キャメロン監督の1989年の水中スリラー映画『アビス』の最後で、エド・ハリス演じる掘削作業員バド・ブリッグマンが潜水服を着用する。

彼は空気の代わりに酸素を含む特殊な液体を呼吸することで、極度の水中圧力による致命的な副作用を避け、深海の溝の底まで沈んで核弾頭を解体することができる。これは単なる記憶に残る映画の筋書きで、この技術は SF の中にしか存在しないに違いない、と思うかもしれません。それは本当ですか？

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事実はあなたが考えているものと異なる可能性があります。

映画に出てくる呼吸可能な液体、酸素を含むパーフルオロカーボン液体は実在します。ハリスはダイビングスーツを着ているシーンを撮影中に息を止めていたが、映画の冒頭でネズミが液体の中で自由に呼吸するシーンは本物である。 『アビス』は、1世紀以上にわたって研究されてきた液体呼吸技術を描いた最も有名な映画であることは間違いありません。まだ深海潜水には適していないが、医療分野では人命を救うことができるかもしれない。

液体呼吸の実験は、第一次世界大戦の直後、毒ガスで肺を損傷した兵士を治療する方法として、医師たちが酸素を含んだ塩溶液を研究し始めたときに始まりました。しかし、本格的な研究が始まったのは、冷戦の真っただ中だった1950年代後半になってからで、米海軍は沈没する潜水艦から乗組員が減圧症に罹ることなく脱出する方法を見つけようとした。

減圧症はダイバー病とも呼ばれ、一定の深さの水中（高気圧）で呼吸することによって引き起こされる病気です。ダイバーが潜っていくにつれて水圧が増し、より多くの窒素が体組織に溶け込みます。急速に水面に浮上すると、急激な圧力変化により窒素が微細な泡となって溶液から逃げ出し、激しい関節痛、空気塞栓症、脳卒中、死を引き起こす可能性があります。

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そのため、ダイバーはゆっくりと浮上し、何度か停止して減圧し、体内の窒素を徐々に排出する必要があります。ただし、ダイバーや潜水艦から脱出する人が空気ではなく酸素を含んだ液体を呼吸できる場合は、減圧は必要ありません。

液体呼吸法は、窒素中毒（「深海のエクスタシー」とも呼ばれ、高圧の窒素ガスを呼吸することで起こる中毒反応）などの深海潜水のその他の危険を軽減、または完全に排除することもできます。特定の深さでは、酸素自体も酸素中毒などの危険を引き起こす可能性があります。

このような状況を避けるために、ダイバーはヘリウムと酸素の混合ガスや酸素と窒素とヘリウムの混合ガスなど、深海での呼吸にさまざまなガスの組み合わせを使用します。それでも、ある程度までしか機能しません。例えば、水深160メートルでヘリウムを吸入すると、重度の震えや、高圧神経症候群などの神経疾患を引き起こす可能性があります。ダイバーが圧縮ガスを使って潜れる最深度は 2,300 フィート (701 メートル) で、これは陸上の潜水艇で潜った場合です。

1962年、デューク大学のヨハネス・クライストラ博士率いるチームは、マウスやその他の小動物が160気圧に圧縮された酸素化塩溶液を呼吸できるようにしました（このような高圧でのみ、液体に十分な酸素を溶解することができます）。実験は約1時間続きましたが、動物はすぐに呼吸性アシドーシス（二酸化炭素中毒）で死亡しました。

これは、研究者を長い間悩ませてきた液体呼吸技術の大きな欠点を浮き彫りにしている。液体呼吸は体に酸素を簡単に供給できるが、二酸化炭素を排出する効率ははるかに低いのだ。アシドーシスを防ぐには、安静時には肺に1分間に平均5リットルの呼吸液を流す必要があり、活動時には1分間に10リットルの呼吸液を流す必要がありますが、これは人間の肺だけでは達成できない流量です。したがって、実用的な液体呼吸システムは、病院で使用される人工呼吸器と同様に、液体を肺に効率的に出し入れできなければなりません。

1966 年、アメリカの研究者リーランド・クラークとフランク・ゴランは、クレストラの酸素化塩溶液を新しい液体であるパー​​フルオロカーボン (PFC) に置き換え、液体呼吸の研究に大きな進歩をもたらしました。

(www.annalsthoracicsurgery.org/article/S0003-4975(02)03733-5/fulltext)

PFC は炭素とフッ素からなる無色の液体です。もともとは第二次世界大戦中のマンハッタン計画の一環として開発されました。これら 2 つの要素の組み合わせは非常に強力であるため、PFC は非常に安定しており、分解されにくいです。密度は水の2倍ですが、粘性は半分しかないため、水の約20倍の酸素と二酸化炭素を貯蔵できます。

(link.springer.com/article/10.1007/s00424-020-02482-2)

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まさにこの特性により、PFC は理想的な液体呼吸材料となります。クラーク氏とゴラン氏の初期の実験では、マウスとラットを酸素を含んだPFCに浸し、自由に呼吸できるようにしただけだった。動物たちは濃い液体の中で呼吸するのに苦労したが、全員が生き残り、20時間浸水した後も悪影響は見られなかった。大型動物の場合、二酸化炭素の蓄積を防ぐために強制排気装置が必要になる場合があります。麻酔下の犬を使った呼吸実験により、呼吸液としての PFC の有効性がさらに実証されました。

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クラークとゴランのPFCに関する発見は、すぐにクレストラによって上回られました。後者は、1969年から1975年にかけて、液体呼吸に関する史上最も包括的な研究を完成させたと考えられています。彼の実験対象には、動物と人間の両方が含まれていました。研究中、米国海軍のダイバー、フランシス・J・ファレイシック氏が、酸素化生理食塩水とPFCを吸入した最初の人物となった。

挿管を容易にするために局所麻酔を受けた以外、手術の全過程​​においていかなる医療援助も受けておらず、強い不快感も感じなかった。しかし、肺から液体を排出する際に問題が発生し、肺炎を発症しました。 1971年、フォークは当時17歳だったキャメロンを聴衆にこれらの経験についての講演を行い、それが後に『アビス』の脚本となる短編小説の着想を与えた。

クレストラの研究によると、通常の状況下では、人間は二酸化炭素中毒にならずに最大 1 時間 PFC を呼吸できるそうです。したがって、液体呼吸技術は、沈没する潜水艦から脱出する人々にとって実現可能です。この技術をより幅広く応用するため、クレストラ氏は、血液から二酸化炭素をよりよく吸収するPFCと水酸化ナトリウムの乳剤も実験した。

(www.scientificamerican.com/index.cfm/_api/render/file/?method=inline&fileID=C71A44ED-B140-4670-8AD72D6F46692A6E)

しかし、結局、これらの技術はどれも実用化されていません。 1980年代に米海軍特殊部隊が液体呼吸の実験を行ったが、PFCを呼吸するのは人間にとって非常に苦痛であることがわかったと報告されている。試験演習中に過度の力が加わったため、数人のダイバーが捻挫や肋骨骨折を負った。

アシドーシスに対する提案された解決策の 1 つは、血液から直接二酸化炭素を除去する静脈シャント装置をダイバーに装備することです。残念ながら、このアプローチにはかなりの医学的および物流上の問題が伴い、液体呼吸技術が深海潜水で使用できるようになるまでにはまだまだ長い道のりがあります。

しかし、それは医学、特に未熟児のケアにおいて重要な役割を果たす可能性もあります。

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人間の肺には約5億個の肺胞があり、酸素はこれらの小さな袋を通して血液に吸収されます。肺胞が濡れた紙袋のように潰れるのを防ぐために、体は肺サーファクタントと呼ばれる物質を生成します。これは脂質の混合物であり、水の表面張力を下げて肺胞が開いたままになるようにします。

しかし、未熟児は肺サーファクタントを十分に生成することができず、出生後に肺胞のほとんどが潰れてしまい、呼吸困難を引き起こします。数十年にわたり、従来の人工呼吸器は未熟児の呼吸を助けてきたが、これらの機械が生み出す高圧は脆弱な肺に深刻なダメージを与える可能性がある。呼吸液を肺に注入すると、子宮内の羊水環境が再現され、肺胞が開き、ガス交換の効率が大幅に向上します。さらに、医師はこの技術を利用して薬剤を肺に直接送り込むこともできます。

フィラデルフィアのテンプル大学病院のJSグリーンスパン氏は新生児の液体換気の先駆者です。 1989年、彼は13人の未熟児に24時間から96時間にわたり人工呼吸器を装着した。その後、子どもたちは全員無事に空気を吸えるようになり、うち11人は肺機能が大幅に改善したが、6人は実験とは無関係の要因で死亡した。

1995年、RBヒルシュルは成人、乳児、新生児を含む19人を対象に同様の実験を行った。最終的に、11人の患者の肺機能が改善し、生存し、液体呼吸技術の有効性がさらに確認されました。

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しかし、液体呼吸技術を支える装置は非常に複雑で高価です。そこで、BP フルマンは 1991 年に「部分液体呼吸」技術の簡略版である PLV (部分液体換気) を発明しました。肺には呼吸液を部分的に充填するだけでよく、残りの部分は従来の人工呼吸器を通じて空気で満たすことができます。これにより肺胞の約 40% が開き、二酸化炭素をより効率的に排出できるようになります。

提案されているもう 1 つの選択肢は、呼吸用液体から空気または酸素を含むエアロゾルに切り替えることです。これは同様の効果があり、患者にとって呼吸がはるかに快適です。 1995 年、マイク・ダーウィンとスティーブン・ハリスは、液体呼吸法を使用して治療的低体温を誘発する方法を実証しました。

これは、心停止後に体温を下げることで脳やその他の組織へのダメージを軽減することを指します。肺に液体PFCを充填することで、2人は1分あたり0.5℃という前例のない温度低下を達成することができ、これは現在の技術よりもはるかに効率的です。大小さまざまなブレークスルーを経て、米国食品医薬品局は、命を救う可能性のあるこの技術をできるだけ早く臨床に導入するため、輸液技術を「迅速審査」の対象として承認した。

したがって、キャメロンが将来マリアナ海溝を探検したい場合、依然として複雑な潜水艦に頼らなければならないだろう。しかし、上で述べたような画期的な進歩は、慰めをもたらすかもしれない。子供の頃に彼にインスピレーションを与えたテクノロジーが、将来、無数の命を救うかもしれないのだ。

ジル・メシエ

翻訳者：Yord

校正者/薬剤師

オリジナル記事/www.todayifoundout.com/index.php/2021/08/can-humans-breathe-liquid-like-in-the-abyss/

この記事はクリエイティブ・コモンズ・ライセンス（BY-NC）に基づいており、YordによってLeviathanに掲載されています。

この記事は著者の見解を反映したものであり、必ずしもリヴァイアサンの立場を代表するものではありません。