История биомеханики

К предыдущей странице

Первые печатные труды по биомеханике

        Неаполитанец Джиованни Альфонсо Борелли обучался в Риме у ученика Галилея Бенедетто Кастелли, основателя современной гидравлики. По-видимому, он был знаком с Галилеем и находился в Риме в 1633 г., когда там длилось судебное разбирательство инквизиции. Борелли предвосхитил некоторые идеи Исаака Ньютона и положил начало новому научному направлению – ятромеханике. Он первый приложил принципы новой механики Галилея к исследованию разнообразных механических процессов в организмах. Монументальный труд Борелли «О движении животных» вышел вскоре после его смерти, в 1680–1681 гг. в Риме. С этим двухтомным трудом связывают начало систематического изучения механики живых существ [Fung, 1993]. Борелли принадлежат оригинальные исследования работы сердечной мышцы, кишечника и легких, полета птиц и плавания рыб. Он объяснил различные типы движений человека и животных на основании известных тогда в механике принципов рычага и действующих сил. Он описал механические функции скелета и мышц, объяснил механизм дыхания через работу дыхательных мышц, при сокращении растягивающих грудную клетку. Проводя количественные измерения объемов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, Борелли, сделал вывод, что вдох управляется работой дыхательных мышц, а выдох в большей степени определяется упругими свойствами тканей. Причиной мышечного сокращения Борелли считал «нервный сок», который поступает в мышцу по подходящему к ней крупному нервному волокну. В результате мышца «намокает» и становится толще. Несмотря на неправильность, это объяснение было прогрессивным, поскольку до него причиной сокращения мышц считались волевые импульсы души или «животные духи». Исследуя многочисленные и разнообразные механические процессы как основу функционирования организмов, Борели считал, что мышечное сокращение не является число механическим процессом, а связано с химическими процессами. В 1680г. Борелли с помощью термометра измерил температуру в сердце животного и показал, что она не выше, чем температура в других точках тела, опровергнув тем самым гипотезу Аристотеля о существовании «сердечного огня» - перепада температур между сердцем и легкими - как движущей силе кровообращения [Беркенблит, 1988]. По-видимому, Борелли был первым естествоиспытателем, который понял, что именно наличие рычагов в строении скелета способствует развитию организмами при сокращении мышц значительный усилий, превосходящих силы сопротивления окружающей среды и способствующие таким образом их перемещению в воде и воздухе. Исходя из принципа статического равновесия, он вычислил силы, необходимые для поддержания равновесия при различных положениях тела и при разных видах внешней нагрузки, а также рассчитал положения центров масс человеческого тела и его отдельных звеньев. Он впервые описал движения млекопитающих, птиц, рыб и насекомых на языке рычагов, осей вращения и приложенных сил. И это все было проделано задолго до того, как И.Ньютон сформулировал законы движения. Борели первым предположил, что сокращение сердца аналогично работе скелетной мускулатуры и описал систему кровообращения как гидравлическую систему.

         Французский естествоиспытатель Рене Реомюр, известный своими физиологическими трудами по регенерации и названной его именем температурной шкалой, исследовал механику пищеварения. Итальянский физик и астроном Франческо Гримальди, известный открытием явления дифракции света, впервые обнаружил звуки, генерируемые сокращающимися мышцами. В трактате «Physicomatheis de lumine» (1665) он указал, что, приложив кончики больших пальцев рук к ушам и сжимая кисти в кулак, можно слышать низкочастотные звуки. Звуки будут тем громче, чем сильнее сокращены мышцы. Появление звуков он связал с «возбуждающими движениями животных духов» мозга. Интересно, что это явление в течение более 150 лет не привлекало внимания исследователей, а качественная методика регистрации акустического излучения появилась лишь три столетия спустя [Oster, 1973].

         Английский физик Роберт Бойль, открывший знаменитый газовый закон, исследовал работу легких и зависимость объема вдыхаемого воздуха от давления. Итальянский биолог и врач Марчелло Мальпиги - один из основателей микроскопической анатомии, современной эмбриологии и гистологии - используя микроскоп, в 1661 г. открыл капилляры – недостающее связующее звено в системе циркуляции между артериями и венами [Fung, 1968]. В своих работах он подробно описал капиллярное кровообращение, микроскопическое строение тканей и органов растений, животных и человека.

         Борели, Мальпиги и Декарт стали ключевыми фигурами в развитии ятромеханики XVII века, применяя идеи и методы исследования современной им механики для исследования живых объектов. Представитель ятромеханики итальянский врач Бернардино Рамаццини (Bernardino Ramazzini), основоположник промышленной патологии и гигиены труда, писал «В наш век, можно сказать, вся медицина сведена к механике». В своем фундаментальном труде «О болезнях ремесленников. Рассуждения» (1700 г.) он описал условия труда и этиологию профессиональных заболеваний около семидесяти различных специальностей и ремесел, предложил методы их профилактики [БСЭ.т.21.С.451].

Микроскопия и развитие экспериментальных методов исследования живого

         Новая эра в развитии наук о живом связана с появлением микроскопа. Примитивные аппараты были созданы еще в 1590 г. Я.Янсеном и его сыном Захарисом [Мачабели, 1975]. Микроскопы, собиравшиеся после в соответствии со схемой Галилея, позволяли достигать большего увеличения, но невысокое качество шлифовки стекол, сферическая и хроматическая аберрация в многолинзовых системах приводила к нечетким расплывчатым изображениям с цветными ореолами, поэтому подробно рассмотреть объекты размером с клетку не удавалось. Нидерландский натуралист Антонии Ван Левенгук стал основоположником научной микроскопии. Еще в молодости Левенгук увлекался шлифовкой малых стекол и достиг в этом искусстве небывалых высот. После его смерти в рабочем кабинете осталась коллекция, содержавшая 172 линзы и 273 микроскопа с 150-300 кратным увеличением. Микроскоп Левенгука содержал только одну качественно обработанную (с точностью до 2 мкм!) мощную линзу. Единственное неудобство было связано с необходимостью удерживать микроскоп у глаза, подкручивая специальный винт и добиваясь явного изображения объекта, при этом сильно напрягая зрение. Секрет линз Левенгука и в наши дни далек от разгадки. Одна из гипотез состоит в том, что исследователь использовал для линз небольшие капли стекла, стекающие на нижнюю поверхность выдуваемого стеклянного пузыря и застывающие там. Левенгук писал, что он открыл интересный способ создания некруглых линз [Ford, 1985]. Рассматривая в изготовленные им микроскопы капли воды, крови, слюны и других биологических жидкостей, кусочки собственной кожи, пластинки мяса и рыбью чешую, зубной налет Левенгук стал первым человеком на планете, увидевшим эритроциты, сперматозоиды, разнообразные подвижные микроорганизмы. Начиная с 1673 года, он систематически присылал результаты своих наблюдений с подробными зарисовками в Англию, в Лондонское Королевское общество. Его отчеты затем публиковались в Philosophical Transactions. За 50 лет наблюдений он открыл более 200 видов микроорганизмов, которых он называл микроживотными (animalicules). Левенгук впервые описал реснички и жгутики клеток, движение различных микроорганизмов, перемещение эритроцитов в капиллярах (1688), обратив внимание и на их деформируемость, и на разделяющие эритроциты плазменные промежутки. Он испытывал на себе действие лекарств и наблюдал их влияние на упругие свойства эритроцитов. Исследуя свежую и застоявшуюся дождевую воду, он обнаружил, что микроорганизмы появляются в ней только спустя несколько дней и необыкновенно быстро размножаются. Левенгук исследовал выделения организма и пытался понять связь их свойств с качеством съеденной пищи. Он впервые описал клеточное строение различных органов, различия в строении гладких и поперечно-полосатых мышц. В 1680 году исследователь-самоучка был избран действительным членом Лондонского королевского общества, а позже был принят во Французскую академию наук. Город Делфт, где он жил и работал, стал местом паломничества многих людей, желавших воочию убедиться в существовании мира микроскопических живых существ. В 1698 году там побывал и российский император Петр I. Появление микроскопа привело к целому ряду новых наблюдений и открытий, которые способствовали развитию целый направлений биомеханики.

         В 1663 году Ян Шваммердам (Jan Swammerdam), занимаясь исследованиями мышечных препаратов лягушки, обнаружил, что при сокращении мышца укорачивается, становясь толще, но при этом сохраняет свой объем. Это наблюдение противоречило гипотезе о поступлении в мышцу жидкости («намокание» по Борелли), что должно было бы сопровождаться увеличением объема мышцы при сокращении и уменьшением – при расслаблении. Датский естествоиспытатель Николаус (Нильс) Стенсен, один из основоположников геотектоники, с помощью микроскопа исследовал строение мышц и обнаружил в них упорядоченные структуры (результаты 1664-1667 г.). Он же открыл проток слюнной железы (1660г.) и сделал сенсационное по тому времени заявление, что сердце является не вместилищем «животного тепла», а всего лишь обычной мышцей. В труде «Elrmentorum Myologiae Spccimm» Стенсен описал мышцы как пучки двигательных волокон, свойства которых отличны в середине и на концах мышцы (в сухожилиях), причем средняя часть играет основополагающую роль в развитии мышечной тяги. Он же впервые описал процесс сокращения мышцы как укорочение отдельных ее волокон, а не как процесс, связанный с притоком в мышцу и из нее дополнительного вещества [Rilton, 1926]. Уже в 1664 году Уильям Крун показал, что сокращение мышцы связано с поступлением сигнала от мозга животного. Интенсивные исследования нервно-мышечных препаратов позволили британскому врачу (одному из основателей London Royal Society) Францу Глиссону (Francis Glisson) создать теорию возбудимости (раздражимости), в соответствии с которой мышцы реагируют сокращением на различные внешние воздействия, сигналы о которых передаются нервной системой.

         Шотландский врач Джеймс Кейли (James Keill) подсчитывал число отдельных волокон в мышце и рассчитывал напряжение, развиваемое отдельным волокном при подъеме груза заданного веса. В 1708 г. Он выпустил труд "An account of animal secretion, the quantity of blood in the human body, and muscular motion", где рассмотрел механизмы формирования биологических жидкостей из крови при прохождении последней через различные железы. При этом кровь рассматривалась как жидкость, в которой плавают частицы разной формы и размеров (клетки и агрегаты), наделенные силами притяжения (адгезией). Он исследовал влияние давления воздуха на адгезию клеток крови в дыхательной системе и показал, что способность клеток притягиваться ухудшается вблизи сердца и в крупных сосудах, а улучшается вдали от них. Кейли предположил, что клетки, способные к адгезии в крупных сосудах, обладают большей «притягивающей силой» [Singer, 1959; БМЭ].