ادوارد كاسلر از دانشگاه مينسوتا، در مينياپوليس، در سال 1980 آبشش مصنوعي ساخته بود كه اكسيژن را از آب برداشت ميكرد. او از آن سالها در اين رويا بود كه دستگاهي بسازد كه روزي به او امكان دهد درست مانند يك ماهي شنا كند و در حالي كه در آب شيرجه ميرود، منبع ناپاياني از اكسيژن براي او فراهم كند.
كاسلر ميخواهد مانند يك ماهي شنا كند، اما هنگامي كه آبشش ساخت خودش را در آزمايشگاهش مورد آزمون قرار داد، دريافت كرد كه اكسيژن كافي برايش فراهم نميكند. كاسلر يادآور ميشود كه" آن دستگاه توان كافي براي زندهنگه داشتن من را نداشت."
كاسلر نخستين فردي نيست كه آرزوي شنا كردن مانند ماهي را در سر پرورانده است. در سال 1962، جاكوس كاستوو، از پيشگامان كاوش در زير آب، به دنيا آمدن گونهي تازهاي از انسان، Homo aquaticus ، را پيشبيني كرد: مردماني كه با جراحي داراي آبشش شدهاند. كاستوو گفته بود: ششها را دور خواهد زد و ميتواند زندگي كند و نفس بكشد در هر ژرفايي براي هر زماني كه بخواهد و بي آنكه آسيبي ببيند."
ساختن يك آبشش مصنوعي ابتدايي، ناباورانه ساده است. همهي آنچه كه شما نياز داريد يك جعبهي ضدآب است كه از غشايي با نفوذپذيري بالا به گاز ساخته شده باشد. آن را با هوا پر كنيد و زير آب نگه داريد و شما يك آبشش خواهيد داشت. ميزان اكسيژن و دياكسيدكربن حل شده در آب با جوّ بالاي آن در تعادل است. بنابراين، انتشار از راه غشا به آفرينش غلظتي نزديك به جوّ درون جعبه ميانجامد. اگر اكسيژن درون جعبه پايين بيفتد، اكسيژن بيشتري از آب به درون آن راه خواهد يافت و اگر دياكسيدكربن درون جعبه افزايش يابد، به بيرون پراكنده خواهد شد.
در سال 1961، درست چند ماه پس از ساخته شدن نخستين غشاي سيليكوني بسيار نفوذپذير، ريال والتر راب، از شركت جنرال الكتريك، آبششي ساخت كه ميتوانست نياز همستر را به اكسيژن برآورده سازد. او يادآوري ميكند كه" شما فقط بايد آب را در جنبش نگه داريد" تا آب سرشار از اكسيژن و با دياكسيدكربن پايين، هميشه در تماس با غشا قرار گيرد.
نيازي به اين نيست كه بگوييم انسانها در مقايسه با همستر به اكسيژن بيشتري نياز دارند. در آب نيز به همان اندازهي جوّ اكسيژن وجود ندارد؛ بسته به جو، فقط 4 تا 6 ميليليتر در هر ليتر آب دريا. بنابراين، براي اين كه جريان مناسبي از اكسيژن مورد نياز خود را به دست آوريد، نه تنها بايد جريان مناسبي از آب روي غشا برقرار باشد، بلكه سطح بزرگي ميخواهيد كه هر بار حجم بيشتري اكسيژن برداشت كنيد. بر اساس برسيهاي چارلز پگانلي، تنكارشناس(فيزيولوژيست) كه در دههي 1960 روي آبششهاي مصنوعي آزمايش ميكرد،كمترين سطحي كه نياز داريد، 80 متر مربع است.
براي آنكه آبششهاي كارآمدي داشته باشيد، اين سطح گسترده بايد درون فضاي كوچكي جاي داده شود؛ درست همانگونه كه كيسههاي هوايي ششهاي ما، سطح بسيار بزرگي را فراهم ميكنند. ششهاي مصنوعي، براي وارد كردن اكسيژن در خون طي عمل بايپس قلب يا پس از آسيب شديد به شش، از مدتها پيش در بيمارستانها به كار گرفته ميشوند. خون از درون شبكهاي از لولههاي كوچك نفوذپذير به گاز ميگذرد و هوا در پيرامون لولهها در جريان است. اكسيژن با روند انتشار از ديوارهي لولهها به درون خون نفوذ ميكند و دياكسيدكربن از خون به هوا جريان مييابد. در اين دستگاه سطح بسيار بزرگي درون فضاي كوچكي جاي گرفته است.
كاسلر دريافت كه او ميتواند با متصل كردن چند شش مصنوعي به هم، يك آبشش مصنوعي بسازد. هوا از راه لولههاي نفوذپذير به گاز، نفس كشيده ميشود و در همان حال، مقدار زيادي آب روي لولهها مكيده ميشود. به اين ترتيب، اكسيژن به هواي تنفسي راه مييابد. با وجودي كه اين آبشش نميتوانست اكسيژن كافي براي انسان را فراهم سازد، كاسلر همسر مورد علاقهاش، مگينز، را درون جعبهاي نفوذناپذير به آب به زير رودخانهي ميسيسيپي فرستاد. او ميگويد" من هرگز به اندازهي اين آزمايش در زندگيام، نگران نشده بودم." خوشبختانه دستگاه كار كرد و بخت با او يار بود كه ازدواج آنان سر گرفت. مگينز 3 ساعت زير آب بود و مقدار اكسيژن حدود 16 درصد ثابت ماند.
در دههي 1980، يك شركت ژاپني كه غشاي سلولزي توليد ميكرد، كاري را كه كاسلر كنار گذاشته بود، در برنامهي خود قرار داد. فوجيسيستم توكيو مجموعهاي از آبششهاي نمونه ساخت تا از اين راه ثابت كند چه غشاهاي با كيفيتي ميسازد. نمونههاي آغازين به يخچال كوچكي ميماند كه به پشت قواص بسته شده بود، اما نمونههاي پيشرفتهتر كه دانكي3 نام گرفته بود، از جعبهاي تابوتمانند تشكيل شده بود كه جلوي غواص كشيده ميشد. دستگاه بزرگي بود، اما كار ميكرد. در برنامهي تلويزيوني كه در سال 2002 براي معرفي اين دستگاه پخش شد، غواصي با اين دستگاه براي 30 دقيقه در استخر آب باقي ماند.
مشكل اين دستگاه فقط در اندازهي آن نبود. هواي عادي 21 درصد اكسيژن دارد. دانكي3 ، مانند آبشش كاسلر، مقدار اكسيژن را در هواي تنفسي حدود 16 درصد نگه ميدارد. چنين مقدار پاييني از اكسيژن، ميتواند باعث كاستي در توانايي انسان در درست و روشن فكر كردن شود. حال آنكه، هنگام شيرجه رفتن در آب، خوبفكر كردن بسيار مورد نياز است و تصميمهاي ضعيف ميتواند مرگبار باشد.
بنابراين، آبششهايي كه فقط بر انتشار استوارند، به اندازهي كافي مناسب نيستند. بايد به روشي بر غلظت اكسيژن افزود. به نظر ميرسد اين كار امكانپذير باشد: ماهيها مثانههاي شنايشان را پر ميكنند كه شناوري آنها را در حالت خنثي نگه ميدارد و اين درحالي است كه آنها اكسيژن خالص را از آب برداشت ميكنند.
در دههي 1980، ژوزف و سيليا بوناونچورا در دانشگاه كاروليناي شمالي، نشان دادند كه ماهيها اين كار را به كمك شكل از هموگلوبين(پروتيين جابهجا كنندهي اكسيژن در خون) كه به pH حساس است، انجام ميدهند. وقتي سلولهاي پيرامون مثانهي شنا اسيدلاكتيك را به درون خون آزاد ميكند، كاهش pH باعث آزاد شدن اكسيژن به درون مثانه ميشود و زماني كه ماهي ميخواهد به ژرفاي بيشتري برود، حجم آن را متناسب نگه ميدارد.
خون مصنوعي ماهي
اين زوج دريافتند كه آنان ميتوانند با تقليد از اين فرايند آبششهاي مصنوعي را براي هدفهاي گوناگون بسازند. آنان به جاي هموگلوبين ماهي، تصميم گرفتند از مواد شيميايي بهره گيرند كه محكم به اكسيژن پيوند ميشوند اما زماني كه از روي يك الكترود ميگذرند، آن را آزاد ميكنند. آبششي كه بوناونچوراها براي غواصها طراحي كردهاند، از دو حلقه تشكيل شده است. در حلقهي اول، هموگلوبين مصنوعي اكسيژن را از آب برداشت ميكند. در سوي ديگر حلقه، از روي الكترود ميگذرد و اكسيژن آن آزاد ميشود كه از خلال غشايي به حلقهي دوم آزاد ميشود و اين حلقهي دوم است كه هواي تنفسي را جابهجا ميكند. سيليا بوناونچورا ميگويد" همهي محاسبههاي ما نشان ميداد كه اين دستگاه كار خواهد كرد."
اما اين طرح هرگز از ميز طراحي فراتر نرفت. سرانجام، اين فناوري به شركتي فروخته شد كه به ساختن جايگزينهايي براي خون و نه آبشش، علاقهمند بود. بنابراين، طرح آبشش دو حلقهاي تا اندازهي زيادي به فراموشي سپرده شد. با وجود اين، يك گروه در دانشگاه واسدا در ژاپن براي چند سال با دستگاه سادهتري به آزمايش ادامه داد(شكل را ببينيد). آنان از هموگلوبين يا پرفلوروكربن، مايع بياثر، كه اكسيژن در آن فراوان حل ميشود، بهره گرفتند تا اكسيژن را از آب برداشت و به حلقهي هواي تنفسي جابهجا كنند. كنيچي نگاسه، رهبر اين گروه، ميگويد" به نظر ما ساختن آبششي با اندزهي منطقي، امكانپذير است."
اما كاسلر و پگانلي نپذيرفتهاند كه دستگاه دوحلقهاي راه رسيدن به چنين آبششي است. آنان ميگويند كه مشكلي پايهاي در اين آبششهاي بر پايهي غشا وجود دارد كه يكي از آنها را حدود يك سدهي پيش، ريچارد ايج، تنكارشناس دانماركي كه روي سوسكهاي آبزي پژوهش ميكرد، شناسايي كرده بود.
سوسكهاي آبزي پيوسته براي به دست آوردن حباب هوا، كه زير پوشش بالهايشان يا بالاي شكمشان، (روي سوراخهايي كه از آنجا نفس ميكشند) جاي ميدهند، از كف آبگير به بالا ميآيند. اين حبابها چيزي بيش از اندوختهي ثابتي از اكسيژن هستند؛ آن گونه كه غواصها كپسول هوا با خود جابهجا ميكند. سطح حبابها مانند آبشش عوض تبادلكنندهي گاز عمل ميكند: اكسيژن از آب به درون حباب و دياكسيد كربن از حباب به بيرون منتشر مي شود. اما اگر حباب مانند آبشش كار ميكند، چرا بيشتر سوسكهاي آبزي سفر پرمخاطرهاي را براي آمدن به سطح آبگير به جان ميپذيرند؟
پاسخ اين پرسش در اثر افزايش فشار در حباب هوا هنگام فرورفتن سوسك در آب، نهفته است. اين فشار به هواي درون حباب فشار ميآورد و گازها را در آب محلولتر ميسازد. نتيجه اين است كه حباب چروكيده ميشود، به اندازهي كه ديگر چندان به عنوان آبشش كار نميكند يا به طور كامل جمع ميشود. به اين دليل است كه سوسك براي دوباره پر كردن حباب به سطح آب ميآيد.
چنين مشكلي براي آبشش مصنوعي نيز به وجود ميآيد. همانطور كه غواص در آب فرو مي رود، فشار بالا باعث فشرده شدن هواي تنفسي و حل شدن بيشتر آن در آب مي شود. بيشتر هماي از دست رفته نيتروژن است، زيرا 80 درصد هوا را تشكيل ميدهد. براي جلوگيري از درهمفشرده شدن ششها، بايد آبشش اكسيژن بيشتري به هواي تنفسي پمپ كند. بنابراين، نسبت اكسيژن افزايش مييابد، كه مشكل ديگري به همراه دارد زيرا كه اكسيژن خالص در ژرفاي 9 متر زهرآگين ميشود. بنابراين، اگر شما اكسيژن خود را از آب برداشت كنيد، بايد اندوختهاي از نيتروژن بياثر همراه داشته باشيد تا اندختهي هواي خود را در حالتي نگه داريد كه از زهرآگين شدن هوا طي فرورفتن در آب پيشگيري كنيد.
پيشگيري از اين مشكل، بسيار سخت است. آبششهاي دوحلقهاي باعث كاهش از دست رفتن نيتروژن ميشوند، اما آن را بر طرف نميكنند. حتي اگر شما بتوانيد به طور كامل از اين كار پيشگيري كنيد، غواص هنوز هم از راه پوست خود نيتروژن از دست ميدهد.
آلون بودنر، نوآور اسرائيلي، سال گذشته رويكرد نويي پيش رو نهاد. او به جاي آبشش غشايي، فرايند صنعتي جداكردن گازها از مايع را به كار گرفته است. اين فرايند بر اين اصل استوار است كه اگر شما فشار مايع را كاهش دهيد، براي مثال با با يك پمپ سانتريوفوژي، گاز حل شده در آن به صورت حباب بيرون ميآيد. بودنر ميگويد كه دستگاه ساخت او، كه با باتري به كار ميافتد، ميتواند همهي اكسيژن حل شده در آب را برداشت كند.در واقع، اين دستگاه ميتواند گازي داراي 34 درصد اكسيژن را از آب دريا فراهم كند. به علاوه، چون دستگاه بوندر نيتروژن را نيز همراه اكسيژن برداشت ميكند، مشكل از دست رفتن نيتروژن نيز وجود ندارد.
اما در اين رويكرد نيز مشكلي وجود دارد. اين دستگاه بايد در هر دقيقه بيش از هزار ليتر آب را پردازش كند تا بتواند اكسيژن كافي براي نفس كشيدن غواص را در سطح آب فراهم كند. با هر 10 متر فرورفتن در آب، فشار دو برابر ميشود و بنابراين شما بايد براي فراهم كردن همان حجم، دو برابر هوا برداشت كنيد. با فرورفتن بيشتر، شما حتي بايد بيشتر برداشت كنيد. تنها راه براي كاركردي كردن اين دستگاه اين است كه از آن به عنوان بخشي از تجديد كنندهي تنفس بهره بگيريد.
تجديد كنندهي تنفس
بيشتر هواي فشردهاي كه غواصها به خود جابهجا ميكنند، از دست ميرود. حبابهايي كه به سطح آب باز ميگردد داري بيشتر اكسيژن مصرف نشده هستند. در تجديد كنندههاي تنفس( و در آبششهاي غشايي) هوا بازگردش دارد؛ يعني، اكسيژن از دست رفته بار ديگر به كار گرفته مي شود و دياكسيد كربن جدا ميگردد. تجديد كنندههاي تنفس با غواصها امكان ميدهند كه با اندوختهي اكسيژن كوچك بتوانند ساعت بيشتري زير آب بمانند. از اين رو، بودنر ميخواهد اين دستگاه را به عنوان بخشي از تجديد كنندهي تنفس طراحي كند. در اين حالت، ديگر نياز نداريم همهي هوا را از 200 ليتر آب در دقيقه برداشت كنيم. چون دستگاه عواي سرشار از اكسيژن را به جاي اكسيژن خالص به هواي تنفسي ميافزايد. نيتروژن بايد به طور دورهاي تهويه شود تا از افزايش آن جلوگيري شود، اما اين كار را پيش از اين تجديد كنندههاي نيمهمداربسته انجام ميدهند.
اما عامل محدود كننده در مورد تجديدكنندههاي تنفسي، اكسيژن اندوختهاي نيست، بلكه دور كردن دياكسيد كربن است. قوطيهاي آب آهك اين گاز را طي چند ساعت پاكسازي ميكنند. اما آنها را بار ديگر نميتوان به كار گرفت و جايگزين كردن آنها نيز هزينهبر است. بنابراين، در حالي كه رويكرد بودنر برخي از مشكلها بزرگ آبششهاي غشايي را حل ميكند، توانايي بزرگ آنها را نيز به همراه دارد: آنها در دور كردن دياكسيد كربن، سرآمدند.
غشاهاي آبششي را به عنوان شست و شو دهندهي دياكسيدكربن در نظر ميگيرند تا موادشيميايي به كار رفته در تجديدكنندههاي تنفسي و زيردرياييهاي كوچك را جايگزين كنند. همچنين، به عنوان دستگاه اضطراري در زيردرياييهاي بزرگ به كار ميروند. در سال 2003، بر اساس يك برسي، كه براي پژوهشگاه نيروي دريايي آمريكا انجام شد، آزمايشهاي بيشتر دربارهي آبششهاي غشايي به عنوان دستگاه اضطراري در زيردرياييها پيشنهاد شد. يكي از آن پژوهشگران، دن واركاندر از دانشگاه بوفالو در نيويورك، فكر ميكند ميتوان آبشش غشايي ساخت كه غواص به عنوان بخشي از تجدد كنندهي تنفسي همراه خود داشته باشد. او خاطر نشان ميكند كه : با اين كار ميتوان به مدت نامحدودي هواي تنفسي را پاكسازي كرد."
به نظر ميرسد در آيندهي نزديك بتوانيم از آبششهاي مصنوعي به عنوان فراهمكنندهي اكسيژن براي ماشينهايي كه زير آب كار ميكنند، بهره بگيريم. نمونههاي اوليه، پيش از اين ساخته شدهاند. اكنون، ماشينهاي فرمان از راه دور و زيردرياييهايي كه با سوخت فسيلي كار ميكنند، اكسيژن مايع با خود جابهجا ميكنند. برداشت اكسيژن از آب دريا به اين ماشينها امكان ميدهد سوخت بيشتري به همراه داشته باشند.
و در آينده، آبششهاي مصنوعي براي فراهم ساختن هواي تنفسي براي زيردرياييها يا سكونتگاههاي زيرآبي به كار گرفته خواهند شد. به نظر بوندر اين كار تنها كاربرد اين دستگاه در آيندهي نزديك خواهد بود. اما غواصها، بدون دستگاههاي فني شگفتآوري مانند غشاهايي كه فعالانه گازهاي ويژهاي را به درون و بيرون پمپ ميكنند، ميتوانند از آبششهاي مصنوعي به عنوان پاككنندههاي دياكسيدكربن بهره گيرند. بوندر و ديگران شايد بتوانند نمونههاي اوليهي آن را بسازند، اما آنها همراه غواصها نخواهند بود، مگر آنكه از ابزارهاي كنوني غواصي و تجديد كنندههاي تنفسي، كوچكتر و ايمنتر باشند يا امتياز بزرگي داشته باشند.
به نظر مي رسد كه امتياز بزرگ مورد نظر، فراهم كردن اندوختهي نامحدودي از هوا باشد، اما همهي طرحهاي پيشنهادي به باتريهايي به دورهي فعاليت محدود وابستهاند. حتي اگر بشود نياز به نيرو را تا اندازهي بسيار زيادي كاهش داد، بيشتر غواصها نميخواهند يا نياز ندارند بيش از 12 ساعت يا بيشتر زير آب بمانند كه چنين كاري را پيش از اين تجديدكنندههاي تنفسي امكانپذير كرده بودند.
منبع : سایت جزیره ی دانش
