БИОЛОГИЧЕСНАЯ ФИЗИКА
Спасибо нашим инвесторам из казино онлайн
БИОЛОГИЧЕСНАЯ ФИЗИКА
(биофизика), отдел науки, занимающийся приложением физики к биологии. Б. ф. представляет собой громадный интерес не только для биол. наук вообще, но, гл. обр., для медицины в виду больших практических приложений биофизики в области практических мед. знаний. Основателем этой части науки можно считать петербургского академика Леонарда Эйлера (1707—83), величайшего математика своего времени и одного из создателей диференциального, интегрального и вариационного исчислений. В своих работах Эйлер первый решил задачу о движении кровив сосудах, применив для этого строгий математический метод. Дальнейшие работы в этом отношении принадлежат франц. исследователю Резалю (Resal). С полным совершенством эти исследования были закончены Жуковским, который дал для распространения упругих, пульсовых волн в трубках общую формулу, прекрасно оправдавшуюся при приложении ее на опыте. Эмпирические схемы кровообращения, состоящие из системы упругих замкнутых трубок, наполненных водой, были впервые изучены с физ. стороны братьями Вебер (Weber); затем эта система была усовершенствована работами Марея (Магеу), к-рому удалось построить схему, чрезвычайно близкую к действительности и воспроизводящую все явления, наблюдаемые в артериальной и венозной системах. Эти работы позволили также понять и ряд интересных патологических случаев и, таким образом, сделались необходимыми для клинической медицины.—Второй областью Б. ф., имеющей огромное значение для практич. медицины, является область движения твердого тела около неподвижной точки, созданная также трудами Эйлера. Эта область явилась основой для учения о движении суставов человеческого тела и для движения глаз, при чем и здесь установлены были строгие математические законы. Работы Листинга, Гельмгольца (Listing, Helmholtz) и, особенно, в последнее время исследования Фишера (О. Fischer) довели учение о сочленениях до высокой степени совершенства и позволили применять его в случаях диагноза вывихов (Albert).—Учение о колебаниях и движениях волн в среде также получило в Б. ф. огромное применение. В первую очередь надо указать на развитие учения о колебаниях с конечной амплитудой, впервые установленного Гельмгольцем и разработанного в позднейших экспериментальных исследованиях. Акустика колебаний с конечной амплитудой возникла впервые благодаря запросам физиологии, и ряд классических исследований, принадлежащих Рима-ну и Релею (Rieman, Raleigh), довели этот вопрос до конца. На дальнейшее развитие учения о колебаниях огромное влияние имели исследования Гельмгольца над слуховыми ощущениями, давшие ему впервые возможность анализировать тембр музыкальных инструментов и произвести синтез как звуков вообще, так и наших гласных звуков. Особенное значение имело изучение Гельмгольцем явлений резонанса, что позволило установить общие законы резонанса. Если представить себе, что по горизонтальной оси (см. рисунок 1), оси абсцисс, отло-_ жены числа коле –
А
л баний N, а по вер – тикальной — амплитуды колебаний
Л
данной системы, возникших под влиянием возбуждения ее звуками соответствующей частоты, то получается кривая, имеющая максимум и изображенная на рисунке. На этом же рисунке приведены некоторые типичные кривые, соответствующие разному затуханию, при чем, чем затухание меньше, тем острей кривая и тем колеблющаяся система будет дольше колебаться, давая более продолжительный звук. Кривая
Р
имеет меньшее затухание, чем кривая 6г. На рисунке 2 изображены колебания двух систем: одной—с большим
(G)
и другой—с малым затуханием (Р). Изучение перкуссии с точки зрения колебаний, даваемых акустическими системами, привело в последнее время к чрезвычайно интересным результатам и показало, что различный характер т. н. тонов или, вернее, шумов, получаемых при перкуссии, зависит от степени затухания колебаний в областях тела, в к-рых возникают перкуссионные звуки. Так например, если имеется полость с упругими стенками, надутая газом, то колебания такой полости соответствуют колебаниям замкнутого резонатора, создающего акустические вибрации с очень малым затуханием. При этом звук, как известно из практики,
Рисунок 1.
получается тимпанический, и, следовательно, тимпаническому звуку соответствует малое затухание и продолжительное время звучания, связанное с малым изменением во времени амплитуды (кривые Р, рис. 1 и 2). Ясный звук создается в таких пространствах, в к-рых имеется наличие большого количества упругих стенок, к-рым передаются звуковые колебания воздуха, наполняющего данный орган. Затухания получаются здесь бблыпие, благодаря передаче энергии органу; звук из тимпанического превращается в ясный. Наконец, если имеется полость, заполненная жидкостью, или же имеется нек-рое уплотнение органа, его отечность, то ясный звук переходит в звук тупой, к-рый обнаруживает наибольшее затухание. Т. о., можно перкуссионные данные связать с физ. свойствами звука, происходящими при перкуссии, и таким путем получить объективную характеристику различного рода звуков. Это особенно ясно при записи колебаний, создаваемых перкуссией, при помощи микрофонов, соединенных с гальванометром Эйнтго-вена (Einthoven). В последнее время из работ Института биологи-ческ. физики Нар-комздрава выясняется интересная аналогия, которая существует между распространением упругих волн в коре земли (сейсмометрия) и упругих волн внутри нашего тела. Систематическая работа в этой области обещает дать новые практические приемы исследования состояния внутренних органов.
Очень большое значение имеет приложение оптики в области биологии. Не говоря уже о том, что, благодаря современной геометрической оптике, стало возможным применение современных микроскопов, иммерсионных систем, апохроматов,—учение о дифракции позволило развить современную ультрамикроскопию, нашедшую столь обширное применение в бактериологии и приведшую к открытию спирохеты Шаудином (Schaudinn). Развитие учения о преломляющих свойствах глаза, выполненное работами Гельмгольца, привело также к ряду новых теоретических задач в геометрической оптике. Одной из них является преломление системой, состоящей из сред с непрерывно меняющимся показателем преломления, как это наблюдается в нашем хрусталике. Эти работы были завершены исследованиями Гульстранда (Gullstrand), к-рый обобщил и развил далее учение Гельмгольца, распространив его на оптические системы с конечным отверстием входящего пучка лучей. Гульстранд построил ряд замечательных аппаратов, широко применяемых
Рисунок 2.
в офтальмологии: как пример таких приборов нужно указать на его знаменитый офтальмоскоп.—Все приемы освещения внутренностей, т. н. энтероскопия, также связаны с успехами оптики. Наконец, следует упомянуть о Рентгеновских лучах как о мощном средстве для диагностики и терапии, и о радии и его действии, чтобы показать, как велики и важны те приложения, к-рые в настоящее время можно сделать из физ. методов. Рентгеновские лучи дали не только новые данные в области анатомии че-ловеч. тела, но и позволили изучить экспериментально явления движения пищи в жел.-киш. канале, движение сердца и т. д. В области теоретической биологии приложение физ. метода исследования также создало огромные успехи. В первую очередь надо отметить физ.-хим. исследования Лёба (Loeb) над искусственным партеногенезом. Изучая развитие яиц животных, Лёб показал, что можно вызвать деление яйца и зародыша, не применяя оплодотворения: достаточно произвести над яйцом в известной последовательности определенную обработку хим. реактивами—и яйцо начинает делиться, испытывая изменения, наблюдаемые после оплодотворения. Таким образом Лёбу удалось подражать естественному развитию яйца, производя обработку хим. реактивами, и свести один из сложнейших биол. процессов на простое физ.-хим. явление. Еще более сложные процессы изучены Лёбом, Нернстом (Nernst) и Лазаревым при явлении возбуждения. Лёб показал эмпирически^ Нернст теоретически, на явлениях раздражения нервов, что ионы солей, играющие огромную роль в явлениях деления яйца, вызывают и явления нервного раздражения. Предполагая, что такое действие ионов зависит от их способности производить изменения в аггрегатном составе белков, Лазарев вывел основной закон возбуждения и показал, что ионы являются первопричиной возбуждения во всех случаях, при чем ионы могут принадлежать или 1) самому органу (и переноситься благодаря действию электрич. тока или диффузии; ионы могут возникать в органах благодаря хим. реакциям), или 2) они могут быть подводимы к органу извне, благодаря диффузии из окружающей среды. Во всех этих случаях, при определенном соотношении между ионами разной валентности, возникает процесс возбуждения. Теория, рассматривающая все явления возбуждения с точки зрения ионной теории растворов, носит название ионной теории возбуждения. Пользуясь ионной теорией, можно развить математическую теорию возбуждения нервов, мышц, исследовать зрение, слух, вкус и обоняние. Эти исследования позволяют установить для порога раздражения определенные соотношения между внешними раздражителями, уже проверенные и подтвержденные опытом. Исследования по ионной теории приводят к нек-рым парадоксальным выводам, которые, однако, при ближайшем рассмотрении, оказываются прекрасно оправдывающимися на опыте. Одним из подобных парадоксальных выводов является заключение, что центры зрения являются неутомляемыми и что уто – мление глаз, которое возникает при ярком освещении, существует только на периферии зрительного аппарата. Опыты, проделанные с непосредственным электрическим раздражением, подтвердили этот вывод. Причины такой неутомляемости лежат в периодических колебаниях возбудимости центров, аналогичных периодическим изменениям возбудимости сердца в течение его работы. Одновременно были обнаружены любопытные аналогии между периодической деятельностью центров и периодическими хим. реакциями. Такие реакции, вероятно, протекают и в центрах. Наконец, ионная теория возбуждения впервые поставила фармакологию на теоретическую почву; стало возможным, пользуясь простейшими физ.-хим. методами, предсказать результаты действия нек-рых лекарственных веществ, вызывающих определенные изменения в сосудах организма. Не входя в более подробное рассмотрение этих областей Б. ф., можно указать только на то, что вышеуказанные исследования приводят определенным образом к представлению, что организм должен быть рассматриваем как определенный физико-химический механизм. Точно такую же точку зрения можно развить, если изучать термодинамику организма, особенно развитую в последние годы. В основе термодинамики лежат два принципа. Первый принцип, или закон сохранения энергии, как показал Гельмгольц и как выяснили эксперименты позднейших исследований, является прилагаемым всецело к организму; явления обмена веществ в организме целиком подчиняются закону сохранения энергии. Наряду с 1-м принципом в термодинамике имеется 2-й принцип, позволяющий определить направление идущих в природе процессов. Принцип этот развит
трудами Клаузиуса, Томсона, Гельм-гольца и Больцмана (Clausius, Thomson, Bolzmann). Изучение второго принципа термодинамики и его приложение к организму привели к выводу, что и этот закон является также приложимым к организму. Т. о., в настоящее время можно с совершенной уверенностью рассматривать организм как физ.-химич. механизм и, следовательно, пользоваться физ.-хим. методами не только для изучения свойств организма, но и для построения моделей процессов в организме, к-рые являются основой всякого теоретического изучения. Одним из интереснейших вопросов, связанных с ионной теорией возбуждения, является вопрос о связи между псих, процессами и физ. явлениями в организме. Ионная теория приводит к выводу, что определенные и постоянные изменения в материальном субстрате организма вызывают определенные и постоянные ощущения, если прочие равные условия сохраняются, и таким образом устанавливается связь между высшей нервной деятельностью и материальным субстратом ощущений организма. Ионная теория возбуждения позволяет также обобщить закон Вебер-Фехнера и перенести его на все органы и все раздражения и позволяет поставить его в определенное отношение к закону «все или ничего». Одним из актуальных и интереснейших вопросов в Б. ф. является вопрос о создании уже не теоретич. путем, а в лаборатории того живого субстрата, в котором могут протекать все жизненные явления. Известно, что опыты Пастера дали как-будто отрицательный ответ в этом отношении, но они не дали возможности заключить, что ни при каких условиях превращение материи не является возможным. Та комбинация отдельных молекул, к-рая имеется в живом белке, может быть такова, что воспроизведение ее делается весьма мало вероятным в наст, условиях и поэтому практически ускользает от нашего наблюдения, но что при известных условиях можно получить из неживого белка живой. Получение живого белка из мертвой материи делается, т. о., с точки зрения современной Б. ф. процессом, не лишенным основания. Развитие Б. ф. стало особенно благоприятным и быстрым после того, как возникли центры, в которых этот отдел науки систематически культивируется. Первым центром по времени возникновения (1917 г.) является Государственный биофизический институт Наркомздрава с его отделениями. В настоящее время в Париже строится большой институт, посвященный вопросам биологической физики и биохимии. Наконец, в Америке создан ряд лабораторий, работающих в том же направлении.
Лит.:
Л е б Ж., Дипамика живого вещества, Одесса, 1910; Лазарев П., Ионная теория возбуждения, М., 1923; его же, Исследования по ионной теории возбуждения, М., 1916; Гельм-г о л ь ц Г., Закон сохранения силы, рус. пер., М., 1922; его >к е, Handbueh der physio logischen Op-tik, Hamburg—Lpz., В. I—III, 1909—1911; его
т
e, Die Lehre von den Tonempfindungen, Braunschweig, 1863 (имеется в рус. переводе); Fick A., Medi-zinische Physik, Braunschweig, 1856; Boruttau H., Medizinische Physik, Lpz., 1908; Fischer O., Me-dizinische Physik, Lpz., 1913; Lasareif P. Ionen-theorie der Reizung, Bern—Lpz., 1923.
П. Лазарев.