Приглашаем посетить сайт
БИОЛОГИЧЕСНАЯ ФИЗИКА
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.