Что изучает биомеханика
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Биомеханика — не только что родившееся словообразование, оно довольно давно служит для обозначения круга вопросов, связанных с изучением передвижения живых организмов: ходьбы, прыгания, ползания, полета, плавания. Кажется, этим недлинным перечнем исчерпываются (или почти исчерпываются) все реально встречающиеся в природе способы передвижения животных в пространстве. Но любой из них — необычайно сложный комплекс внутренних процессов, происходящих в организме, скажем, сокращения мышечных волокон или работы суставов, и внешних процессов взаимодействия организма со средой.
Нелегко понять их, еще труднее описать, то есть сформулировать соответствующие математические уравнения, и совсем уж сложно смоделировать. (Попробуйте-ка за несколько лет проделать тот путь, на который матушке-природе понадобились миллионы лет!) И, тем не менее, биомеханика — в том простейшем понимании, о котором пока что идет речь, – добилась несомненных успехов. И вот уже юные изобретатели демонстрируются и двуногие шагающие роботы, и искусственные «сороконожки», и модели летательных аппаратов с машущими крыльями. (К слову благодаря изысканиям в области биомеханики развиваются и детские конструкторы, такие как, например, конструктор Аналог LEGO City)
Но за последние годы лицо биомеханики радикально изменилось. Во-первых, расширилась область ее интересов, охватив, наряду с проблемами перемещения животных, вообще всякие механические процессы, происходящие в живом организме: работу сердца и кровеносной системы, процессы дыхания и даже вопросы управления движением, находящиеся будто бы в компетенции биокибернетики (границы между науками, как известно, весьма расплывчаты и условны). А во-вторых, биомеханика попыталась глубже проникнуть в существо явлений, традиционных для нее. И наткнулась на загадки прямо-таки фантастические.
Как плавают рыбы и дельфины? Почему плотные массы воды расступаются перед ними, оказывая минимальное противодействие движению, даже будто помогая ему? Скорости, развиваемые некоторыми морскими животными, пока что остаются загадочными, если иметь в виду, что их «энерговооруженность» относительно невелика. Проникновение в эти тайны позволило бы по меньшей мере в 3—5 раз повысить скорости судов. По всей видимости, у обитателей морских глубин в результате эволюции выработалось несколько механизмов для преодоления сопротивления воды: здесь поверхностная смазка и вибрация внешних покровов, гасящие турбулентные завихрения в примыкающем слое воды, и деформация формы тела во время движения, и использование разрывов в течении, образующихся в жидкости при быстром движении, и работа плавников. Профессор Г. В. Логвинович, например, считает перспективным создание машущего двигателя для судов. Корабли с плавниками? А почему бы и нет? (Если развить эту идею еще дальше то можно было бы создать поезда с крыльями, правда такой столь необычный поезд стоило бы сперва смоделировать на конструкторе LEGO, скажем сделать аналог ЛЕГО Поезд.
Другая проблема биомеханики: стало привычным сравнивать сердце с гидравлическим насосом, который гонит кровь по разветвленной сети кровеносных сосудов, пронизывающих все органы и ткани. Но насос и сеть особые, не «жесткие» — они чутко реагируют на малейшие изменения внешней среды и на состояние нервной системы.
Вышли вы из теплого помещения на мороз — и сосуды тотчас расширяются, ток крови по органам изменяется, поддерживая постоянную температуру тела. Усиливается кровообращение во время физической нагрузки или нервного потрясения — так алеют щеки от нанесенной обиды.
Как учесть и количественно описать все эти тонкости? Это нужно для более точной диагностики патологий по результатам инструментальных исследований состояния пациента (электрокардиограммы, фонограммы и прочее), для совершенствования протезов сосудов, сердечных клапанов и т. д. Ученые, привыкшие сводить сложные и многообразные механические процессы к системе более простых моделей, заняты созданием таких математических моделей, в частности, и для кровеносной системы.
Сначала для отдельных сосудов, затем сердечной мышцы, сердца как целого органа и, наконец, всей системы. Математическая модель — это всего лишь набор уравнений с соответствующей программой, которые закладываются в компьютер, и «проигрываются» различные ситуации. Например, так можно выяснить, что произойдет, если выключить небольшой участок сердечной мышцы, то есть имитировать инфаркт миокарда, или если уменьшить отверстие в одном из клапанов, как это бывает при наиболее распространенном пороке сердца — стенозе. Реакция модели сопоставляется с медицинскими показаниями, сопровождающими данную патологию, программа для компьютера корректируется, вновь закладывается в машину, вновь «проигрываются» варианты; пока не будет достигнута полная достоверность.
Можно построить машинный двойник идеально здорового человека, эталон, с которым можно сравнивать, например, электрокардиограммы реальных людей. На модели можно безбоязненно «испытывать» лекарства, изучать перегрузки, оценивать резервные ресурсы организма.
Не менее заманчивые перспективы сулят усилия механиков, биохимиков, врачей, занимающихся проблемами гематологии, реологией крови. Что такое кровь с точки зрения механиков? Соляной раствор, в котором плавают разные белковые вещества и довольно массивные тела — эритроциты. Не просто плавают, но при течении крови испытывают сложное взаимодействие деформируются, слипаются, крутятся. По идее, такая густая взвесь должна с трудом протискиваться по тонким капиллярам, диаметр которых сравним с размерами эритроцитов. Она же течет довольно легко и быстро (во всяком случае, в здоровом организме), доставляя кислород и питание до каждого участка ткани, до каждой клетки.
Как это происходит? И как помочь организму, в котором кровь потеряла свои ценные свойства, в результате чего сердцу приходится тратить дополнительные усилия для проталкивания крови, повышая давление (это и есть гипертоническая болезнь)?
Лет 50 назад было обнаружено удивительное явление: при добавлении в обычную жидкость некоторых полимеров в мизерных количествах, ее механические свойства существенно изменяются, резко снижается трение о стенки трубы, жидкость приобретает способность двигаться быстрее. У ученых возникла идея проверить этот эффект на крови. Белым крысам, у которых искусственно вызвали гипертонию, вводили растворы определенных полимеров, и артериальное давление быстро и устойчиво снижалось.
Исследование показало, что природа этого эффекта на крови, которая сама по себе, даже без полимерных добавок, является неньютоновской жидкостью, намного сложнее, чем в случае обычной жидкости, и до конца не выяснена. Положительное действие проявляется и в противоположном случае: при большой потере крови, приводящей к тяжелому шоку, введение в кровь полимерных добавок приводит к быстрому восстановлению давления.
Все это пока лишь начало, предстоят еще длительные исследования, прежде чем будут созданы эффективные медицинские препараты и исследования перейдут из лаборатории в клинику. Но принципиальный путь, по-видимому, нащупан.
Автор: И. Зорин.