История биомеханики

К предыдущей странице

Эпоха зарождения и становления механики

В конце XVI – начале XVII века зародилась современная механика, отцом которой считается итальянский естествоиспытатель Галилео Галилей. Галилей обучался в медицинской школе, где прослыл упрямым и неуступчивым, поскольку никогда не соглашался принимать на веру сказанное профессорами, требуя, чтобы каждый факт был обоснован и доказан. За это он получил прозвище «спорщик», его отношение к обучению и науке было расценено как недопустимое и юноше пришлось покинуть школу. В возрасте 25 лет он возвращается в Пизу и преподает математику, а затем становится профессором математики в университете Падуи. Галилей сформулировал законы инерции, свободного падения, движения по наклонной плоскости и законы сложения движений, тем самым заложив основы современной механики. Он занимался также исследованием движений наземных животных. Изучив законы колебания математического маятника, Галилей использовал его для измерения частоты пульса. В качестве количественной меры пульса он предложил использовать длину нити маятника, колебания которого совпадали с частотой колебаний пульса обследуемого пациента [Fung, 1993]. Таким образом можно было сопоcтавлять пульсы разных людей, а также контролировать пульс пациента в ходе лечения. Галилей выполнил первые исследования прочности балок. На основании многолетних исследований он сделал ряд важных для развития биомеханики выводов. Он отметил, что увеличение массы животных непропорционально их размеру. С ростом массы увеличивается механическая нагрузка на кости, поэтому должна увеличиваться не столько длина кости, сколько ее поперечное сечение. Подобные аллометрические закономерности лежат сейчас в основе сравнительной биомеханики животных, включая вымерших (см. разделы 25, 30). Он отметил возможность морским животным иметь большую по сравнению с наземными животными массу, потому что обитание в воде компенсирует избыток их веса. Галилей также заметил, что трубчатые кости полые, что способствует облегчению их веса и увеличению относительной прочности на изгиб в расчете на единицу веса по сравнению со сплошными балками. Галилей изобрел термоскоп - прибор, регистрирующий изменения температуры, а в 1609 г. предложил схему микроскопа, в том виде, в каком она используется по сей день [Fung, 1968]. Важный вклад Галилея в современную науку состоит в разработанном им научном методе, состоящем в критическом подходе к анализу фактов, постановке воспроизводимых экспериментов, определении причины наблюдаемого явления и объяснения его. Он также настаивал на математической формулировке физических законов. Открытые Галилеем законы свободного падения тел, колебаний маятника, закон инерции легли в основу зародившейся в XVII веке динамики. Математические основания динамики были разработаны в восьмидесятых годах того же столетия в работах Исаака Ньютона.

Ятромеханика: начало истории биомеханики

         В медицине XVI–XVIII веков существовало особое направление, называвшееся ятромеханикой или ятрофизикой (от греческого iatros - врач). В трудах известного швейцарского врача и химика Теофраста Парацельса и голландского натуралиста Яна Ван-Гельмонта, известного своими опытами по самозарождению мышей из пшеничной муки, пыли и грязных рубашек, содержалось утверждение о целостности организма, описанное в форме мистического начала. Представители рационального мировоззрения не могли принять этого и в поисках рациональных оснований биологических процессов положили в основу их изучения механику – наиболее развитую в то время область знания. Ятромеханика претендовала на объяснение всех физиологических и патологических явлений исходя из законов механики и физики. Известный немецкий врач, физиологи и химик Фридрих Гофман сформулировал своеобразное кредо ятрофизики, по которому жизнь – это движение, а механика – это причина и закон всех явлений [БМЭ /медицина]. Гофман рассматривал жизнь как механический процесс, в ходе которого движения нервов, по которым перемещается находящийся в мозге «животный дух» (spiritum animalium) , управляют сокращениями мышц, циркуляцией крови и работой сердца. В результате этого организм - своеобразная машина – приводится в движение. Механика при этом рассматривалась как основа жизнедеятельности организмов.

         Подобные претензии, как теперь понятно, были во многом несостоятельны, но ятромеханика противостояла схоластическим и мистическим представлениям, ввела в обиход многие важные доселе неизвестныефактические сведения и новые приборы для физиологических измерений. Например, согласно воззрениям одного из представителей ятромеханики Джорджио Бальиви рука уподоблялась рычагу, грудная клетка - кузнечным мехам, железы - ситам, а сердце - гидравлическому насосу. Эти аналогии вполне разумны и сегодня. В XVI веке в работах французского армейского врача А.Паре (Ambroise Pare) были заложены основы современной хирургии и предложены искусственные ортопедические приспособления – протезы ноги, руки, кисти, разработка которых основывалась скорее на научном фундаменте, чем на простой имитации утраченной формы [БМЭ /медицина]. В 1555 г. в работах французского натуралиста Пьера Белона был описан гидравлический механизм движения актиний [Chapman, 1975]. Один из основателей ятрохимии Ван-Гельмонт, изучая процессы брожения пищи в организмах животных, заинтересовался газообразными продуктами и ввел в науку термин «газ» (от голландского gisten – бродить). К развитию идей ятромеханики были причастны А.Везалий, У.Гарвей, Дж.А.Борелли, Р.Декарт. Ятромеханика, сводящая все процессы в живых системах к механическим, равно как и восходящая к Парацельсу ятрохимия, представители которой полагали, что жизнь сводится к химическим превращениям химических веществ, составляющих тело, приводили к одностороннему и зачастую неверному представлению о процессах жизнедеятельности и способах лечения заболеваний. Тем не менее, эти подходы, в особенности их синтез, позволили сформулировать рациональный подход в медицине XVI-XVII веков. Даже учение о возможности самозарождения жизни сыграло свою позитивную роль, ставя под сомнение религиозные гипотезы о сотворении жизни. Парацельс создал “анатомию сущности человека”, которой пытался показать, что в „теле человека соединились мистическим образом три вездесущих ингредиента: соли, сера и ртуть” [История медицины, 1954].

         В рамках философских концепций того времени формировалось новое ятромеханическое представление о сути патологических процессов. Так, немецкий врач Г.Шатль создал учение об анимизме (от лат.anima – душа), в соответствии с которым болезнь рассматривалась как движения, совершаемые душой для вывода из тела чужеродных вредных веществ [БМЭ /медицина]. Представитель ятрофизики итальянский врач Санторио (1561-1636), профессор медицины в Падуе считал, что любая болезнь - это следствие нарушения закономерностей движения отдельных мельчайших частиц организма. Санторио одним из первых применил экспериментальный метод исследования и математическую обработку данных, создал ряд интересных приборов. В сконструированной им специальной камере Санторио изучал обмен веществ и впервые установил связанное с жизненными процессами непостоянство веса тела. Совместно с Галилеем он изобрел ртутный термометр для измерения температуры тел (1626 г.). В его труде "Статическая медицина" (1614) одновременно представлены положения ятрофизики и ятрохимии. Дальнейшие исследования привели к революционным изменениями в представлениях о строении и работе сердечно-сосудистой системы. Итальянский анатом Фабрицио д'Аквапенденте обнаружил венозные клапаны. Итальянский исследователь П.Азелли и датский анатом Т.Бартолин обнаружили лимфатические сосуды.

         Английскому врачу Уильяму Гарвею принадлежит открытие замкнутости системы кровообращения. Обучаясь в Падуе (в 1598-1601), Гарвей слушал лекции Фабрицио д'Аквапенденте и, по-видимому посещал лекции Галилея. Во всяком случае, Гарвей находился в Падуе, в то время как там гремела слава о блестящих лекциях Галилея, которые посещались многими исследователями, приезжавшие специально издалека. Открытие Гарвеем замкнутости кровообращения явилось результатом систематического применения разработанного ранее Галилеем количественного метода измерений, а не простым наблюдением или догадкой. Гарвей выступил с демонстрацией, в ходе которой он показал, что кровь движется из левого желудочка сердца только в одном направлении. Измерив объем крови, выбрасываемой сердцем за одно сокращение (ударный объем), он умножил получившееся число на частоту сокращений сердца и показал, что за час оно прокачивает объем крови, намного превышающий объем тела. Таким образом был сделан вывод, что значительно меньший объем крови должен непрерывно циркулировать по замкнутому кругу, поступая в сердце и прокачиваясь им по системе сосудов [Fung, 1993]. Результаты работы были опубликованы в труде «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных» (1628 г.). Результаты работы были более чем революционными. Дело в том, что со времен Галена считалось, что кровь производится в кишечнике, откуда поступает в печень, затем в сердце, откуда распределяется по системе артерий и вен к остальным органам. Гарвей описал сердце разделенный на отдельные камеры как мышечный мешок, выполняющий роль насоса, нагнетающего кровь в сосуды. Кровь движется по кругу в одном направлении и попадает снова в сердце. Обратному же току крови в венах препятствуют венозные клапаны, обнаруженные Фабрицио д'Аквапенденте. Революционное учение Гарвея о кровообращении противоречило утверждениям Галена, в связи с чем его книги подвергались резкой критике и даже пациенты зачастую отказывались от его врачебных услуг. С 1623 г. Гарвей служил в качестве придворного врача Карла I и высочайшее покровительство спасало его от нападок противников и обеспечивало возможность дальнейшей научной работы. Гарвей выполнил обширные исследования по эмбриологии, описал отдельные стадии развития зародыша ("Исследования о рождении животных", 1651). XVII век можно назвать эпохой гидравлики и гидравлического мышления. Успехи техники способствовали появлению новых аналогий и лучшему пониманию процессов, происходящих в живых организмах. Вероятно, именно поэтому Гарвей описал сердце как гидравлический насос, прокачивающий кров по „трубопроводу” сосудистой системы. Для полного признания результатов работы Гарвея требовалось только найти недостающее связующее звено, замыкающее круг между артериями и венами, что будет сделано вскоре в работах Мальпиги. Механизм работы легких и причины прокачивания воздуха по ним остались для Гарвея непонятыми – небывалые успехи химии и открытие состава воздух были еще впереди. XVII век является важной вехой в истории биомеханики, поскольку он был ознаменован не только появлением первых печатных трудов по биомеханике, но и становлением нового взгляда на жизнь и природу биологической подвижности.

         Французский математик, физик, философ и физиолог Рене Декарт был первым, кто попытался построить механическую модель живого организма с учетом управления посредством нервной системы. Его трактовка физиологической теории на основе законов механики содержалась в опубликованном посмертно труде (1662-1664). В этой формулировке впервые была высказана кардинальная для наук о живом идея регуляции посредством обратной связи. Декарт рассматривал человека как телесный механизм, приводимый в движение «живыми духами», которые «постоянно восходят в большом количестве от сердца к мозгу, а оттуда – через нервы к мышцам и приводят все члены в движение». Не преувеличивая роль «духов», в трактате “Описание человеческого тела. Об образовании животного” (1648 г.) он пишет, что знание механики и анатомии позволяет увидеть в теле «значительное количество органов, или пружин» для организации передвижения организма. Работу организма Декарт уподобляет механизму часов, с отдельными пружинами, винтиками, шестеренками. Кроме этого, Декарт занимался исследованием координации движений различных частей тела. Проводя обширные эксперименты по исследованию работы сердца и движению крови в полостях сердца и крупных сосудах, Декарт не соглашается с концепцией Гарвея о сокращениях сердца как движущей силе кровообращения. Он отстаивает восходящую в Аристотелю гипотезу о нагревании и разжижении крови в сердце под действием присущей сердцу теплоте, продвижении расширяющейся крови в крупные сосуды, где она охлаждается, а «сердце и артерии немедленно опадают и сжимаются». Роль дыхательной системы Декарт видит в том, что дыхание «приносит в легкие достаточно свежего воздуха для того, чтобы кровь, поступающая туда из правой части сердца, где она разжижалась и как бы превращалась в пар, снова обратилась из пара в кровь». Он исследовал также движения глаз, использовал деление биологических тканей по механическим свойствам на жидкие и твердые. В области механики Декарт сформулировал закон сохранения количества движения и ввел понятие импульса силы [Матвиевская, 1987; Декарт, 1989].

         Французский физик и теолог Эммануэль Меньян (Emmanuel Maignan), известный своими работами по оптике и созданию «Торричеллиевой пустоты», в своем трактате «О солдатском фронте» (1648г.) подробно описал аналогию между движением солдат в строю по пересеченной местности и распространением параллельного пучка световых лучей в рамках корпускулярной теории. Возможно, эта работа была исторически первой, где упомянута механика как основа для описания движения коллективов -– активно развивающуюся область современной биомеханики (см. раздел 27).

         Понимание процессов, связанных с преломлением световых лучей в линзах, привело к попыткам рассмотрения глаза как оптического механизма (см. раздел 19). Немецкий астроном Х.Шнайдер (1575-1650) исследовал лучепреломление в различных тканях глаза, роль сетчатки в формировании изображения.