Що вивчає біомеханіка
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Біомеханіка – не тільки що народжене словотвір, вона досить давно служить для позначення кола питань, пов’язаних з вивченням пересування живих організмів: ходьби, стрибання, повзання, польоту, плавання. Здається, цим недовгим переліком вичерпуються (або майже вичерпуються) всі реально наявні в природі способи пересування тварин в просторі. Але будь-який з них – надзвичайно складний комплекс внутрішніх процесів, що відбуваються в організмі, скажімо, скорочення м’язових волокон або роботи суглобів, і зовнішніх процесів взаємодії організму з середовищем.
Нелегко зрозуміти їх, ще важче описати, тобто сформулювати відповідні математичні рівняння, і зовсім вже складно змоделювати. (Спробуйте-но за кілька років виконати той шлях, на який матінці-природі знадобилися мільйони років!) І, тим не менш, біомеханіка — в тому найпростішому розумінні, про який поки що йде мова, – домоглася безсумнівних успіхів. І ось вже юні винахідники демонструють і двоногі крокуючі роботи, і штучні «стоноги», і моделі літальних апаратів з махаючими крилами.
Але за останні роки обличчя біомеханіки радикально змінилося. По-перше, розширилася область її інтересів, охопивши, поряд з проблемами переміщення тварин, взагалі всякі механічні процеси, що відбуваються в живому організмі: роботу серця і кровоносної системи, процеси дихання і навіть питання управління рухом, що знаходяться нібито в компетенції біокібернетики (межі між науками, як відомо, вельми розпливчасті і умовні). А по-друге, біомеханіка спробувала глибше проникнути в істоту явищ, традиційних для неї. І натрапила на загадки прямо-таки фантастичні.
Як плавають риби і дельфіни? Чому щільні маси води розступаються перед ними, надаючи мінімальну протидію руху, навіть ніби допомагаючи йому? Швидкості, що розвиваються деякими морськими тваринами, поки що залишаються загадковими, якщо мати на увазі, що їх «енергоозброєність» відносно невелика. Проникнення в ці таємниці дозволило б щонайменше в 3-5 разів підвищити швидкості човнів. По всій видимості, у мешканців морських глибин в результаті еволюції виробилося кілька механізмів для подолання опору води: тут поверхневе мастило і вібрація зовнішніх покривів, що гасять турбулентні завихрення в примикаючому шарі води, і деформація форми тіла під час руху, і використання розривів в течії, що утворюються в рідині при швидкому русі, і робота плавників. Професор Г.В. Логвинович, наприклад, вважає перспективним створення махаючого двигуна для човнів. Кораблі з плавниками? А чому б і ні?
Інша проблема біомеханіки: стало звичним порівнювати серце з гідравлічним насосом, який жене кров по розгалуженій мережі кровоносних судин, що пронизують всі органи і тканини. Але насос і мережа особливі, не «жорсткі» — вони чуйно реагують на найменші зміни зовнішнього середовища і на стан нервової системи.
Вийшли ви з теплого приміщення на мороз — і судини негайно розширюються, потік крові по органах змінюється, підтримуючи постійну температуру тіла. Посилюється кровообіг під час фізичного навантаження або нервового потрясіння — так червоніють щоки від нанесеної образи.
Як врахувати і кількісно описати всі ці тонкощі? Це потрібно для більш точної діагностики патологій за результатами інструментальних досліджень стану пацієнта (електрокардіограми, фонограми тощо), для вдосконалення протезів судин, серцевих клапанів, тощо. Вчені, які звикли зводити складні і різноманітні механічні процеси до системи більш простих моделей, зайняті створенням таких математичних моделей, зокрема, і для кровоносної системи.
Спочатку для окремих судин, потім серцевого м’яза, серця як цілого органу і, нарешті, всієї системи. Математична модель – це всього лише набір рівнянь з відповідною програмою, які закладаються в комп’ютер, і «програються» різні ситуації. Наприклад, так можна з’ясувати, що станеться, якщо вимкнути невелику ділянку серцевого м’яза, тобто імітувати інфаркт міокарда, або якщо зменшити отвір в одному з клапанів, як це буває при найбільш поширеному пороці серця — стенозі. Реакція моделі зіставляється з медичними показаннями, супроводжуючими дану патологію, програма для комп’ютера коригується, знову закладається в машину, знову «програються» варіанти; поки не буде досягнута повна достовірність.
Можна побудувати машинний двійник ідеально здорової людини, еталон, з яким можна порівнювати, наприклад, електрокардіограми реальних людей. На моделі можна безбоязно «випробовувати» ліки, вивчати перевантаження, оцінювати резервні ресурси організму.
Не менш привабливі перспективи обіцяють зусилля механіків, біохіміків, лікарів, що займаються проблемами гематології, реологією крові. Що таке кров з точки зору механіків? Соляний розчин, в якому плавають різні білкові речовини і досить масивні тіла — еритроцити. Не просто плавають, але при перебігу крові відчувають складну взаємодію деформуються, злипаються, крутяться. За ідеєю, така густа суспензія повинна насилу протискуватися по тонких капілярах, діаметр яких можна порівняти з розмірами еритроцитів. Вона ж тече досить легко і швидко (у всякому разі, в здоровому організмі), доставляючи кисень і харчування до кожної ділянки тканини, до кожної клітини.
Як це відбувається? І як допомогти організму, в якому кров втратила свої цінні властивості, в результаті чого серцю доводиться витрачати додаткові зусилля для проштовхування крові, підвищуючи тиск (це і є гіпертонічна хвороба)?
Років 50 тому було виявлено дивовижне явище: при додаванні в звичайну рідину деяких полімерів в мізерних кількостях, її механічні властивості істотно змінюються, різко знижується тертя об стінки труби, рідина набуває здатність рухатися швидше. У вчених виникла ідея перевірити цей ефект на крові. Білим щурам, у яких штучно викликали гіпертонію, вводили розчини певних полімерів, і артеріальний тиск швидко і стійко знижувався.
Дослідження показало, що природа цього ефекту на крові, яка сама по собі, навіть без полімерних добавок, є не ньютонівською рідиною, набагато складніше, ніж у випадку звичайної рідини, і до кінця не з’ясована. Позитивна дія проявляється і в протилежному випадку: при великій втраті крові, що приводить до важкого шоку, введення в кров полімерних добавок призводить до швидкого відновлення тиску.
Все це поки лише початок, чекають ще тривалі дослідження, перш ніж будуть створені ефективні медичні препарати і дослідження перейдуть з лабораторії в клініку. Але принциповий шлях, мабуть, намацаний.
Автор: І. Зорін.
P. S. В цілому біомеханіка продовжує традиції класичної механіки, на якій стоїть дуже багато речей у нашому світі. Скажімо ті ж самі механічні замки, які до слова можна придбати на сайті houselock.com.ua, зроблені у відповідності до законів класичної механіки, які свого часу описував ще Архімед, великий винахідних античності.