Thay vì hít thở không khí, con người có thể hít thở chất lỏng được hay không?

Cơ thể con người không được thiết kế để lặn xuống biển sâu mà không có đồ bảo hộ. Giới hạn tuyệt đối được đề xuất cho hoạt động lặn giải trí (sử dụng bình khí) là 40 mét, các hoạt động lặn chuyên nghiệp (với thiết bị chuyên dụng hơn như hỗn hợp khí heli, oxy và nitơ Trimix) là 100 mét.

Thậm chí, bạn sẽ không thể ở dưới độ sâu tối đa này quá 5 phút mà không bị ảnh hưởng bởi hội chứng giảm áp. Đó là điều tất yếu sẽ xảy ra, khi áp suất nước nén nitơ và đẩy khí này bão hòa vào máu. Nitơ dư thừa trong lòng mạch được giải phóng, khi thợ lặn trồi dần lên khỏi mặt nước, có thể làm ngưng trệ tuần hoàn thậm chí giết chết họ.

Hội chứng giảm áp có thể giết chết một thợ lặn khi anh ta trồi lên khỏi mặt nước

Hãy tưởng tượng thợ lặn ở dưới biển sâu giống như một lon Coca-cola bão hòa khí CO₂. Khi trồi lên mặt nước, máu của anh ta sẽ giống như lon nước được bật ra với vô số những bọt khí thi nhau thoát ra ngoài.

Điều thú vị là, nếu người thợ lặn ấy chỉ ở dưới biển sâu mà không trồi lên mặt nước, anh ta có thể ở đó vài ngày, vài tháng thậm chí mãi mãi mà không phải chịu tác động chết người từ hội chứng giảm áp (rõ ràng rồi, anh ta có lên khỏi mặt nước đâu mà áp suất giảm xuống).

Năm 2000, một số thủy thủ đoàn của chiếc tàu ngầm K-141 Kursk thuộc biên chế Hải quân Nga có lẽ đã sống sót tới vài ngày, sau khi chiếc tàu ngầm hạt nhân của họ bị nổ và chìm xuống độ sâu 108 mét ở vùng Biển Bắc nước này.

Bởi họ không được giải cứu để đưa lên mặt nước, tất cả đã không gặp phải hội chứng giảm áp mà chỉ chết ngạt vì thiếu oxy. Tai nạn đáng tiếc này đặt ra một câu hỏi: Giả sử các thủy thủ sử dụng kali peoxit để tạo ra đủ oxy và duy trì sự sống cho đến khi được giải cứu, liệu khi được đưa lên khỏi mặt nước, họ có lại chết vì hiệu ứng giảm áp hay không?

Một cảnh trong bộ phim The Abyss năm 1989: thủy thủ có thể thở trong dung dịch hòa tan khí

Các nhà khoa học đang cố gắng suy nghĩ để giúp con người chống lại hiệu ứng giảm áp bằng nhiều cách. Một trong những ý tưởng đó đã xuất hiện từ bộ phim The Abyss năm 1989. Trong đó, các thủy thủ đã mặc một bộ đồ lặn chứa đầy chất lỏng thay vì không khí. Họ cố gắng hít thở thứ chất lỏng hòa tan oxy này vào phổi, để ngăn áp lực nén nitơ vào dòng máu.

Bây giờ, hóa ra một cảnh trong bộ phim năm 1989 lại gần với khoa học thực tế hơn là viễn tưởng. Con người thực sự đang tìm cách để có thể hít thở được chất lỏng ở dưới nước. Chất lỏng lý tưởng này thực chất là một perfluorocarbon (PFC), hydrocarbon fluoride tổng hợp ở dạng lỏng, không mùi, trơ về mặt hóa học và sinh học.

Với sức căng bề mặt thấp và khả năng hòa tan O₂/CO₂ cao, PFC có thể chứa gấp ba lần O₂ và bốn lần CO₂ so với máu người. Chúng cũng hoạt động như một chất trao đổi nhiệt rất hiệu quả. Điều này làm cho PFC trở thành một hợp chất lý tưởng để sử dụng làm chất lỏng dưỡng khí cho các ứng dụng y tế.

Với hội chứng giảm áp, thời gian là sự sống

Nghiên cứu về chất lỏng dưỡng khí (giúp bạn hít thở chất lỏng hòa tan oxy thay vì không khí) và PFC đã được khởi xướng một cách nghiêm túc ngay sau Thế chiến thứ nhất. Các bác sĩ khi đó đã thử nghiệm nước muối như một chất lỏng dưỡng khí, với mục đích điều trị cho các đối tượng hít phải khí độc (trong trường hợp này là những con chó).

Bản thân PFC cũng đã được phát triển vào đầu những năm 1940 như là một phần của Dự án Manhattan. Chúng được mệnh danh là "công cụ Joe".

Tuy nhiên, mãi đến những năm 1960, lĩnh vực này mới thực sự cất cánh. Nó được thúc đẩy bởi Chiến tranh Lạnh, khi quân đội Hoa Kỳ cần một cách để giúp các thủy thủ thoát ra khỏi tàu ngầm trong những tình huống khẩn cấp.

Năm 1962, Tiến sĩ Johannes A. Kylstra và nhóm của ông tại Đại học Duke đã thực hiện những thí nghiệm đầu tiên chứng minh chuột có thể hít dung dịch muối hòa tan oxy ở áp suất đến 160 atm (tương đương ở độ sâu hơn 1,6 km dưới mực nước biển).

Những con chuột đã sống được vài phút trước khi quá trình hô hấp bị nhiễm toan (ngộ độc CO₂). Mặc dù không thành công, thí nghiệm này đã minh họa được một kỹ thuật như vậy thực sự hoạt động, dù cho nó chưa khả thi lắm.

Các thí nghiệm sau đó được thực hiện bởi Leland C. Clark, Jr. và Frank Gollan cho thấy chuột có thể hít PFC trong điều kiện khí quyển bình thường. Những con chuột có thể hít thở PFC như một chất lỏng dưỡng khí trong 20 giờ, và những con mèo có thể sống ngập đầu trong PFC hàng tuần.

Nghiên cứu của họ cũng sử dụng dầu silicon thay thế cho PFC nhưng, hóa ra, dầu silicon lại gây độc đối với động vật có vú (sau khi chúng trở lại hít thở không khí bình thường). Bởi vậy, cho đến giờ phút này, PFC vẫn là chất lỏng dưỡng khí duy nhất mà chúng ta tìm ra được.

Những con chuột có thể hít thở PFC như một chất lỏng dưỡng khí trong 20 giờ

Năm 1989, những thử nghiệm PFC trên người đầu tiên được tiến hành ở Philadelphia. Một số trẻ sơ sinh bị suy hô hấp nặng đã được cho thở máy hoàn toàn bằng chất lỏng dưỡng khí. Phổi của những đứa bé này được bơm đầy PFC, sau đó đã cải thiện được chức năng và một số quá trình sinh lý.

Trẻ em có lẽ là đối tượng thử nghiệm tiềm năng nhất. Chúng ta biết rằng khi còn trong bụng mẹ, phổi của thai nhi cũng chứa đầy nước ối. Khi chúng được sinh ra, một chất hóa học hoạt động bề mặt đã ngăn ngừa phổi xẹp xuống khi không khí lần đầu tiên tràn vào đó.

Tuy nhiên, những đứa trẻ sinh thiếu tháng vẫn chưa phát triển đủ chất hoạt động bề mặt này, để ngăn phổi của chúng khỏi bị gấp hoặc dính lại. Vì vậy, khi được sinh non và bất ngờ tiếp xúc với không khí, những đứa trẻ thiếu tháng đều phải vật lộn mới có thể thở được.

Các thử nghiệm ở Philadelphia hướng đến mục đích tái tạo lại môi trường trong bụng mẹ cho những đứa trẻ này, với một chất lỏng dưỡng khí tạm thời giữ cho phổi của trẻ sinh thiếu tháng tiếp tục thở trong chất lỏng và phát triển đầy đủ chất hoạt động bề mặt trước khi tiếp xúc với không khí.

Mặc dù những nỗ lực này không đủ để cứu sống những đứa trẻ, nghiên cứu cho thấy hiệu suất phổi của chúng đã được cải thiện ngay cả sau khi đã tháo máy thở. Nghiên cứu này đã chứng minh chất lỏng dưỡng khí đúng là một liệu pháp hữu ích cho trẻ sinh non.

Các nhà khoa học đã tạo ra được một thiết bị hô hấp với chất lỏng dưỡng khí một phần, chỉ lấp đầy khoảng 40% phổi của bệnh nhân bằng PFC, và 60% thể tích phổi còn lại được lấp đầy bởi không khí

Mặc dù thành công tương đối trong các thử nghiệm ở Philadelphia, các nhà khoa học vẫn chưa thể tạo ra một chất lỏng dưỡng khí hoàn hảo. 

Để kiểm soát chính xác và an toàn khối lượng PFC chảy vào và ra khỏi phổi của bệnh nhân, các hệ thống chất lỏng dưỡng khí hoàn hảo cần có máy tạo oxy , lò sưởi và một loạt máy bơm để cung cấp PFC cùng một máy thở chất lỏng chuyên dụng.

Thật không may, một thiết bị rắc rối và đồ sộ như vậy vẫn chưa vượt qua giai đoạn thử nghiệm nguyên mẫu.

Các nhà khoa học đã tạo ra được một thiết bị hô hấp với chất lỏng dưỡng khí một phần, chỉ lấp đầy khoảng 40% phổi của bệnh nhân bằng PFC, và 60% thể tích phổi còn lại được lấp đầy bởi không khí từ máy thở khí thông thường.

Thiết bị hô hấp chất lỏng dưỡng khí một phần này thậm chí có thể được FDA phê duyệt để điều trị các tổn thương phổi cấp tính. PFC giúp đánh bật các mảnh vụn từ phế nang (giả sử, do hít phải khói thuốc), thông đường khí bị tắc và vận chuyển oxy sâu hơn trong khi bảo vệ phổi khỏi bị xẹp và giảm thiểu thiệt hại thứ cấp.

Có điều, chúng ta vẫn chưa khắc phục được vấn đề đã giết chết những con chuột của Kylstra. Độ nhớt cao của PFC vẫn ngăn không cho nó đi qua phổi đủ hiệu quả để hòa tan CO₂ rồi đưa nó ra ngoài để ngăn ngừa nhiễm toan hô hấp.

Trong điều kiện đó, bạn sẽ phải bơm chất lỏng dưỡng khí qua phổi với tốc độ 5 lít/phút để duy trì sự sống cho một người đang ngồi im. Gấp đôi, 10 lít/phút nếu một thủy thủ đi lại hoặc vận động. Phổi của con người đơn giản là không thể chịu đựng những dòng chất lỏng với áp lực như vậy.

Con người có thể du hành dưới đáy biển như đi bộ trong vườn nhà, trồi lên khỏi mặt nước mà không bị sủi bọt như thế này?

Suy cho cùng, chúng ta đã đạt tới một nửa con đường để biến The Abyss thành hiện thực. Các thủy thủ trong đó nên để một chút không khí sau lớp kính bộ đồ của mình, như vậy bộ phim sẽ trở nên thực tế hơn.

Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể đợi thêm một thời gian nữa, để khoa học hoàn thiện những dung dịch dưỡng khí toàn phần. Khi đó, The Abyss sẽ không còn là một bộ phim vô lý. Con người sẽ thực sự thở được trong chất lỏng, có thể du hành dưới đáy biển như đi bộ trong vườn nhà, trồi lên khỏi mặt nước mà không bị sủi bọt như một lon Coca-cola.

Tham khảo Gizmodo