Физика и медицина
Физика и медицина – науки, тесно связанные: многие важнейшие открытия в области физики были сделаны медиками – факт, на первый взгляд кажущийся довольно необычным. К примеру, в 40-х годах. XIX в. Ю. Р. Майер, будучи судовым врачом, во время плавания в тропиках, обнаружил различие в цвете венозной крови между жителями стран с жарким и холодным климатом. Причина заключалась в том, что вследствие высокой температуры организм вырабатывает меньше теплоты, в результате артериальная кровь меньше окисляется и остается почти такой же алой при переходе в вены. Было выявлено, что между потреблением вещества и образованием теплоты существует связь. Майером был сформулирован принцип «Из ничего ничего не бывает» как основа I закона термодинамики, который рассматривает обмен энергией между системой и окружающей средой в форме работы и теплоты. Это всеобщий закон природы, закон сохранения и превращения энергии, объясняющий положение диалектического материализма о вечности и неуничтожимости движения и материи, впоследствии математически обоснованный Г. Гельмгольцем – немецким физиологом, проводившим исследования в области процессов брожения и теплообразования в живых организмах [1].
Первый закон термодинамики представляет собой обобщение огромного человеческого опыта, а установили его немецкий врачЮлиус Роберт фон Майер (1842), английский физик Джеймс Джоуль (1842), немецкий физик, врач, физиолог и психолог Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1847): «Энергия в изолированных системах не может увеличиваться или уменьшаться, а может переходить из одного вида в другой».
Многие электрические явления были открыты в опытах физиологов над животными: эксперименты Л. Гальвани – итальянского физиолога и анатома – над скелетными мышцами лягушки легли в основу исследований А. Вольта, закончившихся изобретением Вольтова столба [2]. Даниил Бернулли, профессор анатомии Петербургской академии наук, написав свои знаменитые уравнения для объяснения системы кровообращения, стал основателем гидродинамики. Парацельс – профессор физики, медицины и хирургии. Авиценна – лекарь, естествоиспытатель, сделавший ряд важных открытий в механике и т.д.
Как говорит профессор Твердислов В.А., заведующий кафедрой биофизики физического факультета МГУ: «В Европе физику сначала делали медики, а в наше время физика отдает медицине свои долги» [3].
Будущему медику знать физику необходимо, так как опора на физические законы позволяет изучать функционирование живого организма, объяснять нормальные физиологические и патологические процессы. Несмотря на сложность и взаимосвязь различных процессов в организме человека очень многие из них близки к физическим.
Кровообращение – процесс, связанный с работой сердца (механика), генерацией биопотенциалов (электричество), течением жидкости (гидродинамика), распространением упругих колебаний по сосудам (колебания и волны). Дыхание связано с теплообменом (термодинамика), испарением (фазовые превращения) [4].
Кроме того, в организме, помимо физических макропроцессов, происходят молекулярные процессы, определяющие в конечном итоге поведение биологических систем. Понимание физики этих микропроцессов необходимо для корректной оценки состояния организма, природы ряда заболеваний, воздействия (в том числе и побочного) лекарственных препаратов.
Некоторые физические понятия являются базовыми для понимания строения и функционирования человеческого тела. К примеру, с позиции общих законов механики, опорно-двигательный аппарат представляет собой систему рычагов: тазобедренный сустав – рычаг I рода, голеностопный сустав – рычаг II рода, предплечье – рычаг III рода. Ровное положение головы (атлантозатылочное сочленение есть также рычаг I рода) обусловлено равенством моментов силы тяжести, приложенной к центру тяжести черепа, и силы мышечной тяги. Изменение любой из этих сил приводит к изменению положения головы [5].
Рычаги широко используются и в медицинском инструментарии: ножницы различных видов, щипцы, кусачки и др. Некоторые манипуляции, совершаемые врачом, также есть реализация рычага (врач-стоматолог при удалении зуба использует закон сохранения момента силы).
Многие методы диагностики и лечения базируются на использовании физических принципов: работа медицинского термометра основана на тепловом расширении ртути, в основе устройства стетоскопа (фонендоскопа), используемого при аускультации, лежат свойства колебаний и волн.
Еще в 19 веке студенты-медики изучали физику на очень серьезном уровне. В настоящее время физика также присутствует в ряде изучаемых дисциплин, но студенты зачастую не считают ее изучение столь уж важным. Эта ситуация должна быть исправлена, поскольку физика внедряется в медицину все более и более ускоренными темпами: лазерная хирургия, ультразвуковые исследования мягких тканей, магнитно-резонансная томография, рентген, операции с помощью гамма-скальпеля и др.
В настоящее время диагностические исследования разной степени сложности и максимально безопасные оперативные вмешательства можно проводить лишь с использованием современных технических устройств, разрабатываемых и обслуживаемых физиками. В компетенцию медика, разумеется, не входит настройка и ремонт используемого оборудования, но понимать принципы, лежащие в основе работы устройства, он должен.
Вот почему в процессе обучения студентов физике необходимо освещать разделы, непосредственно связанные с медициной. Важную роль в образовательном процессе играют современные мультимедийные технологии. Используемые на лекционных и практических занятиях демонстрационные устройства позволяют усовершенствовать процесс обучения и детально ознакомить будущих медиков с физическими методами, используемыми в современной медицинской диагностике, лечении.
