Биомеханика как научная дисциплина

Биомеханика — это наука, которая изучает движение в живых системах. В этом смысле интерес биомеханики более-менее покрывает все области биологии, потому что существование всех живых организмов так или иначе связано с движением. Иногда это очевидно, как в случае полета птиц, бега, ходьбы или в случае плавания рыб, а в других случаях это неочевидно.

Интерес к биомеханике возник с тех пор, как возникла наука. И, наверное, первым выдающимся биомехаником был Леонардо да Винчи, который оставил огромное количество материалов, посвященных как раз движению разных организмов.

Кроме задач, где роль механики очевидна, есть много явлений, где механика играет колоссальную, существенную роль, но это не очевидно. Один такой пример — это растения, которые, как известно, синтезируют органические вещества из углекислого газа и воды. Воду они берут из почвы, и в случае, скажем, самого высокого дерева, гигантской секвойи, имеется совершенно нетривиальная задача подъема больших объемов воды по стволу, который может быть высотой 70 метров, и доставки этой воды туда, где происходит фотосинтез, в крону этого дерева. Это механическая проблема, и природа ее решила, хорошо зная законы механики.

Что касается так называемой внешней биомеханики, то есть полета, плавания, бега, — было много разных ученых, которые внесли фундаментальный вклад в эту область. Классик биомеханики трудовых, спортивных движений — российский ученый Николай Бернштейн, и для многих людей слово «биомеханика» ассоциируется именно с биомеханикой спорта. Биомеханика играет колоссальную роль в тренировках спортсменов, в их подготовке.

Движение разных животных — это тоже очень интересное и очень нетривиальное явление. Достаточно представить себе, что бывают гигантские киты размером в 30 метров, размером и весом с хорошее судно, которые движутся с огромными скоростями в воде, и особенности плавания таких крупных животных, их движения — то, как работают их мышцы, то, как они обеспечивают такие большие скорости и достаточно высокий КПД при колоссальных скоростях и колоссальных размерах, — это предмет исследования биомеханики.

Чтобы разобраться в этих задачах, нужно хорошо знать механику. И недаром один из выдающихся британских биомехаников, сэр Джеймс Лайтхилл, внес колоссальный вклад в эту область. Он, кроме того, очень хорошо знал систематику разных водных животных и был феноменальным пловцом — он часто плавал на конференции сам, без парохода, если они были не на очень далеком острове. Это один масштаб, с одним кругом проблем. Или полет птиц, которые пролетают многие тысячи километров, — это тоже нетривиально: откуда, как им хватает энергии на это. И это очень экономный полет — это тоже предмет исследования биомеханики.

На другой стороне этих масштабов — движение одноклеточных организмов, которые делают это за счет молекулярных моторчиков — ресничек и жгутиков — и, благодаря их движению, развивают вполне заметные скорости. Это тоже предмет интереса и любопытства, с одной стороны. А с другой стороны, у этого есть совершенно практические приложения, потому что мужское бесплодие часто связано с нарушениями способности сперматозоидов к движению. Это изучают на самых разных уровнях, начиная с поведения, с изучения механики таких сперматозоидов, кончая изучением того, какие белки, какие нарушения в каких белках и как вызывают такое бесплодие.

Второй круг задач биомеханики — это, например, биомеханика течения крови, биомеханика дыхания, биомеханика кровообращения.

Это тоже очень давняя область — как только Уильям Гарвей открыл кровообращение в XVII веке, это стало научной задачей. Немало к этому приложил Леонард Эйлер, который был не только выдающимся математиком и механиком, но, в частности, он был первым, кто написал уравнение, придумал теорию распространения пульсовой волны от сердца к сосудам по артериальному руслу, теорию распространения пульсовой волны. Первым местом его работы была Петербургская академия наук, он заведовал кафедрой физиологии.

На сегодня эти задачи тесно связаны с медициной, и специалисты-биомеханики изучают течение крови в артериях, особенности нарушения этого течения при разных патологиях, когда там возникают бляшки или, наоборот, артерия вздувается, возникают аневризмы, меняются течения — это в свою очередь влияет на сам процесс. Изучение таких заболеваний, моделирование операций, которые производятся на сосудах или на сердце, и попытка предсказать их результаты и помочь врачу выбрать ту или иную тактику — это тоже предмет биомеханики, который интенсивно развивается во всем мире, особенно сейчас, когда благодаря новым методам визуализации — рентгеновской томографии, ядерно-магнитной томографии — и появлению новых ультразвуковых систем у нас появилась возможность хорошо видеть строение и течение крови, например, в сосудах.

Еще один важный практический аспект биомеханики, где опять же движение нетривиально, неочевидно, что это механическая система, но на самом деле механика играет там существенную роль, — это движение, поведение, взаимодействие не мышечных клеток, не тех, которые специально созданы для движения, а обычных клеток. Это связано с онкологией, потому что именно аномально подвижные клетки, которые плохо чувствуют и понимают соседей, становятся источником самых опасных опухолей — они перемещаются с места на место, дают начало метастазам и так далее. И этот глубокий аспект роли механических взаимодействий в поведении клетки, в ее дифференцировке, в том, какие белки в ней экспрессируются, какие нет, — это глубокая биологическая проблема, в решении которой сейчас интенсивно, активно участвует биомеханика, потому что биологи осознали, что такое механическое взаимодействие между клетками очень существенно. И без участия механиков, биомехаников продвинуться в этом направлении очень трудно.

Таким образом, биомеханика — это комплексная наука, которая имеет отношение, в общем, ко всем проблемам биологии и, с одной стороны, помогает понять, как устроены, как работают биологические системы, с другой стороны, помогает уже практическим врачам понять, как чинить, если какие-то механические нарушения, повреждения происходят в организме. Создание протезов суставов, например, — это задача, которой занимаются биомеханики во всем мире.

Это наука, которая, с одной стороны, занята изучением того, как работает живая природа, а с другой стороны, у которой есть совершенно практические приложения в современной медицине.