В поисках живого ритма

По материалам журнала "Юный техник" №10 1980г.

Н. ПОТАПОВА.

Волны на реке и на море, рябь, оставленная на песке ветром, его мерные баюкающие звуки в непогоду... Все это примеры колебательных движений в неживой природе.А какие волновые процессы происходят в живых организмах! Сегодня этот вопрос волнует учёных всего мира

«Инженеры знают: чем сложнее механизм, тем сложнее обеспечить его бесперебойную работу — выходит из строя то одна, то другая деталь. Значит, чтобы механизм работал как можно надежнее, нужно, чтобы он был по возможности проще?»


Так начал письмо девятиклассник из Львова Сергей Ляшко. Он хочет стать биофизиком и поэтому интересуется живыми системами. А они, по мнению Сергея, убеждают людей в обратном! Взять, например, сердце. Необыкновенно сложный механизм, а какая надежность! Может бесперебойно работать даже больше ста лет. Что же позволяет сердцу биться в необходимом для жизни ритме долгие годы? Где спрятана поразительно надежная автоматика, в которой не нужно, а чаще всего и нельзя заменить ни одну деталь?.. Ученые ищут ответ на эти вопросы очень давно: разобраться в автоматике живого организма куда сложнее, чем в самой сложной кибернетической машине. Вот почему и сегодня ученые на многие вопросы отвечают не словами: «Это происходит так...», а «Видимо, это происходит так...»

Так что же за автоматика заставляет в нужном ритме сокращаться, например, сердечную мышцу? От этих колебаний зависит непрерывный ток крови. Скорее всего ее работа связана со сложными волновыми процессами. Сережа прочитал о работе группы советских ученых в этой области. Его волнуют две стороны этой проблемы:

  1. Как это поможет в борьбе за здоровье людей?
  2. Можно ли будет применить секреты сердечной автоматики для создания сложных и очень надежных машин?

В своем письме Сережа затронул очень важную и интересную тему. Волны, возникающие в живых системах, — область для науки пока новая и малоизученная. Ею занимаются сегодня физики, математики, биологи. В этом выпуске речь пойдет об открытии советских ученых.

Работа называется «Автоволновые процессы в возбудимых средах». За нее группа советских ученых: член-корреспондент АН СССР Г. Р. Иваницкий, доктор физико-математических наук В. И. Крннский, доктор физико-математических наук А. М. Жаботннский и другие - удостоены Ленинской премии.

АНАТОМИЯ ВОЛНЫ.

ЭТО ВЫ НЕ ПРОХОДИЛИ.

Какой-нибудь мальчишка, у которого в табеле одни пятерки, на вопрос, что такое автоволновой процесс, ответит: «Это распространение колебаний, при которых (в отличие от колебаний свободных) волна не затухает, а каждый раз возобновляется за счет источника энергии».

Сложно? Попробуем проще.
Допустим, другой мальчишка, менее усердный, который изучает физику, так сказать, на лоне природы, бросил камень в большую лужу. Побежали круги - вот они становятся все шире, малозаметнее Наконец они пропадают. Это обычные затухающие волны.

А теперь представьте того же «физика-экспериментатора» на больших качелях в парке отдыха. Лодка ходит туда-обратно, словно маятник. Мальчику не нужно раскачивать ее. Это делается автоматически благодаря пружине.

Может, этот пример покажется вам неубедительным и вы сами найдете более удачные примеры автоколебаний в технике. Но какое отношение все это имеет к сердцу?

Не торопитесь. Прежде чем разобраться в волновых процессах в живых организмах, попробуем понять, как они протекают в более простых системах, созданных природой.

Нужно сказать, что автоволны человек не придумал, в природе они существовали всегда: загорелась степь, пожар побежал от одной травинки к другой, во все стороны, пока пожар не потушат. Или укололи вы палец, болевой импульс передается по нервным клеткам от одной к другой, как бы вспыхивая всякий раз заново.

В сердечной мышце клеточки — водители ритма, так же передают электрический сигнал. Каждая клеточка — генератор пульса. А среда, состоящая из таких генераторов, называется возбудимой. Она, как вы поняли, может быть живой или неживой. Но в чем же разница поведения волн в этих средах?

Пронесся пожар по степи, и через год она снова ожила. Живая клеточка «вспыхнула» и стремится успокоиться. То волнение, то покой... Без этого не было бы живого ритма.

Итак: живая возбудимая среда имеет способность восстанавливаться. Запомните это.

Для того чтобы трава выросла после пожара, нужен год, для восстановления сердечной мышцы — доля секунды (200 мс). Время, за которое система восстанавливается, называется рефрактерностью.

Вот теперь перейдем к работе советских ученых.

МАТЕМАТИКА СЕРДЦА.

Я приехала в академгородок в Пущине, в один из шести биологических институтов, расположенных над Окой на длинном, тянущемся вдоль берега пригорке. Профессора В И. Кринского нашла быстро - его знают здесь все.

- Пожалуй, начну с истории,— сказал Валентин Израилевич. — Помню, в шестидесятые годы у многих математиков появился интерес к естественным наукам — к физике, химии, биологии Хотелось математически описать работу человеческого организма. Замахивались на математическую модель сердца, на описание режимов его работы, искали критерии, при которых наступает сбой. Я очень благодарен своему учителю члену-корреспонденту И. М. Гельфанду, который сам увлекался всем этим и сумел увлечь меня. Если в сердце идет какой-то волновой процесс, то его вполне можно описать с помощью формул — такие уравнения известны. Вопрос в другом: что это за волны, как устроено сердце и как колеблется каждая клеточка его мышцы. Тут требовалась длительная совместная работа с биологами

Тогда, двадцать лет назад, Кринский и пришел в Институт биологической физики АН СССР. Теперь его лаборатория оборудована по последнему слову техники — современнейшая аппаратура, от ЭВМ до новейших физиологических приборов, переводящих все движения сердца на осциллограф или на экраны дисплеев. На столах разложены перфоленты, на экранах дисплеев меняются диаграммы, какие-то загадочные белые линии...

Меня приглашают подойти к столу, где проводится опыт.

- Вот сердце лягушки. Оно полностью отделено от организма, — говорит лаборантка. — И все же продолжает биться. Вообще мы можем заставить сокращаться любую мышцу, посылая электрический сигнал. (Это известно каждому школьнику, который изучает зоологию.) Для сердечной же это не нужно.

Группа клеток, спрятанных в предсердии, в области, которая называется «водителем ритма», продолжает помнить о долге... Посмотрите на экран.

По темному полю дисплея движутся светлые равноудаленные полосы: электрические сигналы от клеток с введенными в них электродами преобразуются в приборе в зрительные.

Лаборантка рассекает сердечную мышцу: в одной ее части остается водитель ритма, в другой - только желудочек. Т^ани помещают на два разных прибора. На дисплее первого прибора, там, где остались клетки - генераторы импульса (водитель ритма), идет все тот же волновой процесс - полосы на экране. Так и должно быть. Куда удивительнее другое - через минуту и желудочек начинает сокращаться. Выходит, что в сердце есть запасные датчики импульсов?

Да, запас прочности сердца огромен. Известно, что когда клетки водителя ритма устают (а их около двух миллионов), то генераторами импульсов становятся клетки мышц, не входящие в водитель ритма. Они как бы подстраховывают работу первых. Устала одна клетка желудочка, включается в работу другая, третья...

Но если так, то откуда же берутся болезни? Например, такое страшное явление, как фибрилляция, порой появляющаяся при инфаркте. Синхронизация сокращений отдельных клеток исчезает, и мышца перестает нагнетать кровь Спасти человека в этом случае бывает трудно. Причины ее были неизвестны, пока за дело не взялись... математики и специалисты ряда других наук, на первый взгляд далеких от медицины.

ВОЛНА+ВОЛНА=СПИРАЛЬ?!

Между тем еще основатель кибернетики Н. Винер, тридцать лет назад попробовавший создать математическую модель сердца, предположил, что причина фибрилляции в каких-то странных вихрях, возникающих в сердечных тканях. Догадка так и осталась бы догадкой, если бы наши математики в своих исследованиях не попробовали оттолкнуться от нее. Поначалу они шли чисто абстрактным путем. Допустим, рассуждали они, у нас есть некая возбудимая среда с множеством клеток по которым передается от генератора возбуждения волна. Как? Это вы уже знаете из первой главки.

Каждая клеточка восприняла сигнал, выдала его и успокоилась, снова восприняла сигнал... Возбуждение при этом передается всем соседним клеткдм - возникает фронт волн. Вот теперь нам потребуется мудреное слово "рефрактерность" (время восстановления). За возбуждением наступает период рефрактерности. Если в эту еще не восстановившуюся зону послать еще один импульс, то клетки не прореагируют, пока не восстановится их активность. Тогда они снова будут готовы работать.

Все это математикам удалось выразить с помощью формул. А теперь представим, что наша абсграктная возбудимая среда неоднородна по своим биохимическим свойствам — в сердце, например, множество неоднородных участков. Что из этого следует? Разумно предположить, что в разных участках клеточки поведут себя по разному: одни будут восстанавливаться быстрее, другие медленнее.

Как будет меняться в этом случае общая картина процесса?

Задачу поручили ЭВМ, и машина ее решила. Вот вывод: картина не изменится, если сигналы, посылаемые в заторможенный участок (где рефрактерность больше), будут реже. Ну а если правило, которое подсказала ЭВМ, по какой-то причине нарушается, что случится? Так как у нас неоднородная, с участками разной рефрактерностью среда и между импульсами проходит достаточно времени, чтобы клетки восприняли каждый следующий импульс, все будет нормально. Если же нет, то фронт следующей волны наткнется на заторможенную зону. Значит, какой-то группе клеток, наткнувшейся на заторможенность, некуда будет передать возбуждение. В этих точках оно погаснет. Образуется разрыв фронта волны. Свободный конец фронта волны начнет огибать заторможенную область. По мере того как клетки заторможенного участка будут восстанавливаться, «хвост» будет закручиваться все больше. Но ведь волны от генератора импульса идут по всем направлениям, а неоднородностей в ткани сердца много, выходит, и вихрей будет множество... По расчетам, картина должна быть именно такой. А в жизни?

ХИМИЧЕСКИЙ МАЯТНИК

Кто из нас первым пришел к открытию? - продолжает Кринский. - Трудно сказать. Мы шли своим путем, химики своим. Но, несомненно, их работа по созданию химически возбудимой среды очень помогла нам. Реакция Белоусова-Жаботинского (название дано по имени ее создателей) была, как бы химической моделью сердца.

Но объединяет их, правда, не химия - здесь родствр скорее физического порядка. Впрочем, вы все поймете, сами, когда увидите реакцию У нас ее смогут вам показать.

Мы проходим в химическую лабораторию и останавливаемся у стола. Сейчас из обычных химических компонентов возникнет нечто удивительно подвижное, как скажут ученые - возбудимое.

Лаборант наливает в плоскую чашку оранжевую жидкость - броммалоновую кислоту с окислителем - броматом КВ2Оз Добавляет туда катализатор - комплексные ионы железа Р2+ и Р3+ для убыстрения реакции Затем подносит к зеркальной поверхности иглу - здесь возникает источник импульсов И вот по оранжевой ыади пошли вдруг голубые кольца Реакция началась Прошло десять минут, а волны не гасли от тою места, где был получен импульс, шли все новые и новые колечки Раствор был химическим автогенератором Ритмичность, с которой волны расходились по поверхности, очень напоминала абстрактную картину, нарисованную математиками - исследователями сердца

Но вот лаборант наливает в чашку щелочь КОН для пончже-ния кислотности В смеси образуется химическая неоднородность Вы уже догадались, что задача этой неоднородности притормозить ход голубой волны.

Выждав, когда очередное колечко выйдет из центра и начнет расти, лаборант еще раз касается центра иголочкэй - катализатором Дан дополнительный импульс. Новая волна стремится догнать предыдущую, но неожиданно встречает препятствие и рвется. Потом вдруг закручивается вихрем, а через минуту в чашке уже настоящая буря - голубые вихри кружатся по поверхности. Их становится все больше. Голубые кольца рвутся, образуя точечные спирали.

Значит, вихри в возбудимой среде не фантазия. Почти нет сомнения, что догадка была верной. И все же давайте убедимся в этом на работе с живыми тканями.

Мы снова у биоэлектрического прибора. На дисплее все те же равноудаленные светлые линии. Перед нами кусочек здоровой ткани сердца с вживленными в нее электродами. Некоторое время картина не меняется. Идет здоровый волновой процесс А теперь попробуем нарушить его. Вслед за естественным дадим дополнительный электрический импульс. Неужели и после этого сердечная мышца справится с работой. Белые линии на экране продолжают двигаться, появляются методично и точно Но что это? Самая нижняя стала вдруг скругляться, сворачиваться. И вот уже вы видите ее уже почти закрученной в спираль. Думаю, объяснять, что произошло, вам уже не надо Итак, математики оказались правы.

КОМУ И ЗАЧЕМ НУЖНЫ ЭТИ ВИХРИ?

Во-первых, врачам: нельзя лечить болезнь, не зная ее природы. Медики воспользовались открытием Раньше химические препараты против аритмии подбирали экспериментально. Математики же облегчили работу медикам и фармакологам. Они вывели критерии, подсказавшие простой и надежный путь создания аритмических препаратов. Вот ответ на первый вопрос Сережи Ляшко.

Итак, вихри - явление отрицательное? Не будем торопиться с выводами. Кое-где эти вихри могут быть и полезны. Вспомним реакцию Белоусова-Жаботинского. Так вот, в результате появления вихрей конечные продукты удавалось получать в четыре раза быстрее. Значит, если подобный вихреобразовательный процесс смоделировать в химическом реакторе, то можно увеличить его производительность, то есть увеличить выпуск конечного продукта в единицу времени.

Заинтересовались новым типом волн и инженеры-радиотехники. Они пытаются использовать возбудимые среды для получения полупроводников с улучшенными свойствами.

Вот и начало ответа на второй вопрос Сережи.

Начало потому, что волновая теория еще очень молода. И дальнейшее ее развитие, изучение тайн работы сердца откроют новые пути как для лечения больных, так и для создания новых удивительных технологий, материалов с необычными свойствами. А это не менее важно, чем на основе разгаданных тайн природы создавать машины, механизмы, конструкции.