Журнал «ЗДОРОВЬЕ»
№ 7 (79) июль 1961
Биофизика - биология - медицина
Действительный член Академии медицинских наук СССР профессор А. В. Лебединский
В истории науки бывают периоды, когда исследователь, посвятивший себя той или иной отрасли, начинает видеть блистательные перспективы ее развития. Именно в такой период вступила биологическая физика.
Биофизика возникла как наука, применяющая методы физики для изучения биологических явлений, понимания их сущности, а в настоящее время в какой-то мере и управления этими явлениями.
Еще в середине XVII века итальянский ученый Борелли стремился объяснить движения человеческого тела законами механики. Борелли не был одинок в своем стремлении использовать закономерности физики для раскрытия жизненных явлений. Его соотечественник исследователь Порта сравнил глаз с камерой — обскурой. Несколько позже, в начале XVIII столетия, во Франции появилась книга, написанная Клодом Перро, братом знаменитого сказочника. В книге приведены таблицы, на одной из которых изображена механическая модель сердца, на другой можно видеть систему шлюза, объясняющую с точки зрения механики действие клапанов вен и сердца.
Особенно широкий круг вопросов биологии трактовал с позиций современной ему физики великий русский ученый М. В. Ломоносов. Он искал причины возникновения животной теплоты, световых и цветовых ощущений, а также вкуса.
М. В. Ломоносов, Клод Перро и многие другие физики работали в то время, когда, по словам Карла Маркса, механика была самой популярной наукой. На смену им пришло другое поколение исследователей.
Тогда только зарождалось учение об электричестве. Целая плеяда ученых, в числе которых следует назвать француза Бертолона, итальянцев Гальвани, Альдини, нашего соотечественника В. В. Петрова, исследовала действие электрического тока на живой организм. Было
сделано замечательное открытие. Оказалось, что электрический ток заставляет сокращаться мышцу, возбуждает нервы. И, что особенно важно, удалось получить данные о существовании электрических явлений в самом живом организме.
К середине прошлого столетия в результате оригинальных опытов было твердо установлено, что электрические явления можно наблюдать в тех тканях и органах, которые способны приходить в состояние возбуждения. Электрические явления обнаруживаются в сокращающейся, то есть возбужденной, мышце, в сетчатке глаза, когда на нее попадает свет. Электрические импульсы, возникающие в сердце, сопровождают сердечные сокращения и т. д.
Конец прошлого столетия завершил эту цепь открытий. Замечательным русским исследователем В. М. Бехтеревым, а затем рядом других отечественных и зарубежных ученых были обнаружены электрические явления в нервной системе, в ее высших отделах — коре больших полушарий мозга.
Таким образом, пауке стало известно одно из важнейших физических явлений, которое наблюдается в живых организмах и теснейшим образом связано с основными проявлениями жизнедеятельности. Учение об электрических импульсах составило специальный раздел современной биофизики.
Механические явления, а также электрические процессы, происходящие в теле человека и животного, — лишь отдельные примеры обращения биологов к проблемам физики. Круг таких вопросов расширяется с каждым новым проникновением в существо жизненных явлений. При этом происходит интересный процесс: биолог начинает обращаться к все более и более сложным разделам физики.
В свое время врачи и физиологи обнаружили, что из артерии кровь бьет фонтаном. Это значит, что она циркулирует в кровеносных сосудах под определенным давлением. Для измерения величины давления крови понадобился специальный прибор — манометр, который и был предложен физиками. Задачей физиологов было изучить, как влияют различные факторы на величину кровяного давления, от которого зависит снабжение кровью всех тканей и органов. Измерение кровяного давления в определенных физических величинах — миллиметрах ртутного столба — дало возможность врачам точно оценивать работу сердца, определять просвет сосудов, количество циркулирующей по «им крови, ее вязкость и т. д. Эти и подобные им вопросы были более или менее просты и поэтому сравнительно легко разрешимы.
Значительно трудней оказалась другая задача. Дело в том, что для биолога важно не только измерить изучаемую им физиологическую величину в определенных единицах, принятых в физике. Важно, например, не только в какой-то момент однократно измерить кровяное давление, но и зарегистрировать колебания его величины в течение определенного времени. Раньше это достигалось таким образом: поплавок колебался вместе с уровнем ртути в колене манометра. Закрепленный на нем легкий стерженек сцарапывал сажу, покрывавшую тонким слоем поверхность бумаги, которая обтягивала вращающийся барабан — кимограф. Получалась запись белым по черной поверхности. Такого рода графическая регистрация физиологических процессов вошла в практику лабораторий в середине прошлого столетия.
Несколько позднее были сделаны попытки использовать фотографию для изучения процессов, происходящих в живых организмах. В этом отношении выдающийся успех выпал на долю наших отечественных исследователей. И. Р. Тарханишвили сумел сфотографировать движения «зайчика» гальванометра, отклонявшегося под влиянием развития кожных электродвижущих сил (токов действия потовых желез); Н. П. Симановский — движения голосовых связок человека; Л. Г. Беллярминов и потом Е. П. Браунштейн сфотографировали движения зрачка. Фотографический метод одержал полную победу в лаборатории физиолога и клинициста не только для регистрации механических, но и электрических процессов.
Исключительно важным этапом использования успехов техники в физиологии и медицине явилось постепенное внедрение электроники. Термином «электроника» обозначают такие области физики и техники, где применяются специальные сложные электрические приборы — электровакуумные и полупроводниковые, в которых основными или единственными носителями тока являются мельчайшие частицы атома; называются эти частицы электронами.
Один из таких приборов — электронная лампа — уже давно стал важнейшей частью усилителей, широко используемых для регистрации электрических явлений в живом организме. В 1922 году советские специалисты, работавшие в лаборатории академика В. Ф. Миткевича, начали применять ее, в частности для усиления токов действия нерва.
В поелейнее время в наших лабораториях появилось множество полупроводниковых приборов. Они широко используются для измерения температуры кожных покровов животного и человека, регистрации пульса, колебаний объема органа и т. д.
Незаменимым помощником экспериментатора стали телевизионные камеры, позволяющие вести наблюдение за теми или иными процессами, следить, например, за ходом хирургической операции.
Совершенно новым и многообещающим является дистанционная регистрация физиологических функций организма. В этом отношении поистине замечателен опыт передачи телевизионных изображений на огромные расстояния с советских кораблей-спутников. Ученые, находящиеся в наземной лаборатории, могли следить за состоянием основных жизненных функций животных.
Электрогастрограф записывает биотоки, идущие от желудка, по которым можно судить о его деятельности
Этот миниатюрный прибор — газоразрядный счетчик — служит для ранней диагностики опухолей пищевода и желудка
Беспримерный полет вокруг Земли Юрия Алексеевича Гагарина проходил под неослабным наблюдением ученых. Телевизионная система осуществляла передачу на Землю изображения космонавта. Это давало возможность вести наблюдение и контроль за его состоянием. Одна из телевизионных камер передавала изображение пилота анфас, другая — сбоку.
Нет ничего удивительного в том, что врач в лаборатории может следить за пульсом, частотой дыхания и электрокардиограммой спортсмена, участвующего в соревновании.
Одним из замечательных и многообещающих является электронный прибор, получивший название «телевизора мозга». Благодаря оригинальной конструкции, разработанной советскими учеными, оказалось возможным регистрировать на экране телевизора пространственный биоэлектрический процесс в мозгу, сердце и т. д. Существует прибор, позволяющий производить такую запись одновременно с четырехсот точек головного мозга.