популярно о природе звука

Ультразвук в биологии и медицине

Первым применил ультразвук для исследования живых организмов французский ученый Ланжевен (создатель пьезоэлектрического преобразователя). В ходе своих опытов он заметил, что маленькие рыбы и головастики, попавшие в область ультразвукового пучка, погибали. Позднее Ланжевен проводил эксперименты с мышами. При использовании более мощных источников звука было установлено, что такие биологические последствия ультразвукового облучения объясняются  перегревом  живых тканей  организма, происходящим при поглощении звука. Действие ультразвука на живые организмы, особенно одноклеточные, может оказаться значительно сильнее - он буквально разрывает их на части. Впервые это было замечено Лумисом с сотрудниками незадолго до второй мировой войны. Они обнаружили, что с помощью ультразвука можно увеличивать проницаемость оболочек клеток и убивать микроорганизмы. Механизм поражения бактерий ультразвуком не совсем ясен, но тем не менее есть основания полагать, что он обусловлен не тепловыми эффектами, а кавитацией.

В 1952 году в Падуе профессор Арслан применил новый метод лечения болезни Меньера - для локального разрушения живой ткани вместо хирургического скальпеля был использован ультразвуковой пучок. Суть этой редкой болезни заключается в нарушении работы вестибулярного аппарата, в результате чего в мозг поступает неправильная информация о положении тела - у больного появляется головокружение. Улитка внутреннего уха при этом также поражается, что приводит к звону в ушах и последующей потере слуха. Единственно возможным способом лечения этого заболевания было хирургическое разрушение всего внутреннего уха. Арслан показал, что с помощью ультразвука можно разрушить вестибулярный аппарат, не принося вреда улитке. Операция по методу Арслан а проходит следующим образом: сначала хирургическим путем проникают к полукружному каналу, обнажая его, начинают стачивать косточку, лежащую над полукружным каналом, и, наконец, через жидкость, находящуюся в полукружном канале, посылают ультразвуковой пучок.

В настоящее время широкое распространение получил ультразвуковой метод лечения болезни Паркинсона. Неконтролируемые подергивания головы и конечностей, которые обычно бывают при болезни Паркинсона, можно ликвидировать, нарушив деятельность некоторых глубинных участков мозга. При обычных методах невозможно точно поразить нужные участки мозга - наряду с ними разрушаются и соседние клетки. В своих первых опытах по облучению мозга ультразвуком американский ученый Фрай использовал четыре сфокусированных преобразователя, соединенные в один блок, которые создавали интенсивное ультразвуковое «пятно». В дальнейшем Фрай довольно успешно лечил больных уже с помощью лишь одного источника. Подобную же методику применяли американский ученый Баллантайн и английский ученый Уорвик. Они поражали некоторые, вполне определенные участки головного мозга подопытных животных с целью изучения изменений в их поведении, обусловленных такими нарушениями. Выше мы уже говорили о том, что разрушение ткани при ультразвуковом облучении связано с локальными повышениями температуры. Однако это не единственная, точка зрения. Некоторые ученые считают, что поражение ткани вызывают сами ультразвуковые колебания; другие полагают, что оно происходит вследствие биохимических изменений, обусловленных ультразвуковым облучением.

Открытие того факта, что ультразвук убивает бактерий, разрывая оболочку клетки и буквально вытряхивая из нее все содержимое, породило надежду, что ультразвуковая стерилизация станет практически приемлемой. Было проведено множество опытов, но ни в одном из них не добились 100%-ной стерилизации. А даже столь высокая вероятность стерилизации, как 99,99%, совершенно недостаточна. Убивать же каждую бактерию ультразвуком поодиночке - работа слишком кропотливая.

Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях. В ходе биохимических экспериментов часто возникает необходимость отделить клетку от некоторых особых компонентов, например ферментов (биологических катализаторов). Существует несколько способов вскрытия клетки, но лучшим из них является использование ультразвука. Он способен разрушать стенки клетки, хотя их предел прочности на разрыв приближается к пределу прочности железобетона. Совсем недавно ультразвук был использован для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты, с целью изучить взаимосвязь между их структурой и функциями. Таким образом, ультразвук нашел применение в аналитической цитологии. Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Еще Лумис и его сотрудники предполагали, что ультразвук может быть мутагеном. Однако эксперименты, выполненные в 1930 году на плодовой мушке (дрозофиле), дали отрицательные результаты. По-видимому, это объясняется слишком грубой методикой эксперимента. После второй мировой войны интерес к подобным исследованиям возобновился. На сегодня уже имеется множество работ, которые свидетельствуют о мутагенности ультразвука. Он вызывает нарушения в хромосомном аппарате. А недавние исследования, проведенные в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. Это привело в некоторое замешательство тех, кто использовал ультразвук как диагностическое средство. До сих пор одной из основных причин, по которой ультразвуку отдавалось предпочтение перед рентгеновскими лучами, была мутагенность последних. Однако и ультразвук оказался мутагеном, хотя и значительно более слабым, чем рентгеновские лучи.

Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Мутации можно вызывать у огромного числа растений. Это позволяет изучать те новые особенности, которые унаследуют плоды, выращенные из облученных ультразвуком семян. В настоящее время в качестве мутагенов обычно используют горчичный газ, рентгеновские или ультрафиолетовые лучи. По сравнению с ними ультразвук - менее эффективный мутаген. Однако у него есть одно существенное преимущество - с ним чрезвычайно легко работать. Эта особенность может сыграть значительную роль во многих исследованиях.