СЕРДЦЕ ВСЕМ ДАЕТ РАБОТУ

В XVII веке английский врач и ученый Уильям Гарвей открыл систему кровообращения и впервые высказал мысль, что "все живое происходит от яйца". Это был прорыв в науке. До открытия Гарвея считалось, и вполне серьезно, что в артериях, например, течет воздух. Англичанину повезло больше, чем его предшественнику -- испанскому мыслителю и врачу Мигелю Сервету. Еще за четверть века до рождения Гарвея именно Сервет заявил о существовании в живых организмах малого круга кровообращения и за такую "ересь" врача сожгли на костре.

...Прошло 385 лет со времени открытия системы кровообращения, но оказывается, что до сих пор было не совсем ясно, как движется кровь на самом деле. Только сейчас стало понятно, что движение крови -- вращательно-поступательное. Явление образования винтового потока крови в сердечно-сосудистой системе человека и животных зарегистрировано как открытие в области медицины и физиологии. В сентябре 1998 года Международная ассоциация авторов научных открытий (Москва) выдала диплом N 87 авторам: доктору медицинских наук Владимиру Николаевичу Захарову, ведущему научному сотруднику Института лазерной физики СО РАН (Новосибирск) и академику РАН Валерию Ивановичу Шумакову, директору научно-исследовательского института трансплантологии и искусственных органов (Москва).

ЗАКРУЧЕННЫЙ ПОТОК

Он так и сказал: "Они утонули в формулах и не заметили нюансов. Если сразу окунуться в литературу, -- то можно оказаться в плену чужих идей". Под неопределенным "они" подразумевались исследователи, точнее -- их публикации в научных журналах по проблемам движения жидкости и газа, в том числе в транспортных системах живых организмов. Доктор медицинских наук В.Захаров вовсе не отрицает математическое моделирование, но не собирается отказываться от естественного эксперимента, потому что живое убедительнее говорит о живом.

Столкновение идей в науке -- естественный процесс. Любой исследователь -- так бывает -- попортит немало крови себе и своим сослуживцам (или наоборот!) прежде чем добьется определенного результата, но не каждый в конце концов может сказать: "Мне посчастливилось сделать открытие".

Владимир Николаевич Захаров пришел в Институт лазерной физики со своим открытием в биомеханике сердечно-сосудистой системы. В соответствующем дипломе подтверждалось, что явление образования винтового потока крови в сердечно-сосудистой системе человека и животных признано открытием в области физиологии и медицины.

Получилось так, что по счастливой случайности ученый-медик оказался в нужное время в нужном месте. Кроме основных научных программ, физики-лазерщики активно занимаются лазерными технологиями в медицине, а также изучают с помощью лазеров физику живого.

Работа Захарова, как по заказу, явно вписывалась в интеграционные исследования физических механизмов функционирования живых систем, которыми руководит директор института академик Сергей Николаевич Багаев.

Словом, не прошло и двадцати пяти лет как бывший хирург нашел, наконец, команду единомышленников.

Захаров считает себя коренным академгородковцем. Закончил Новосибирский медицинский институт и по распределению попал в хирургическое отделение Центральной клинической больницы Академгородка. Кстати, на ее территории находился в то время Научно-исследовательский институт патологии кровообращения, который до сих пор называют институтом Мешалкина. Молодой хирург не просто бегал к соседям в гости. Там происходили потрясающие события и на операционном столе, и в исследовательских лабораториях. По городу ходила легенда, что Евгений Николаевич Мешалкин, как Бог, одним мановением руки воскрешал угасающее человеческое сердце! Хорошо бы поверить в Бога и доверять Богу, но хирурги надеются на себя и на технологии операций на сердце и сосудах.

Захарову повезло, он работал рядом с академиком Мешалкиным и Еленой Евгеньевной Литасовой, ныне она -- член-корреспондент РАМН, генеральный директор прославленного института. "Ассистировал на операциях, приходилось и самому оперировать. Закончил аспирантуру защитой кандидатской диссертации". Так, в двух словах, Владимир Николаевич рассказал о начальном этапе своих исследований.

Ему пришлось уйти из института. Люди не всегда срабатываются, ведь наука -- это не вежливые реверансы на светском рауте. И все-таки он получил толчок к своей идее на операциях у Мешалкина.

Работающее сердце покачивается. Сокращаясь, оно совершает вращательные колебания. Воображение и глаз художника, а рисованием Захаров увлекался с детства, помогли ему представить вполне реальную картину: если покачивается сосуд, то и его содержимое колеблется. Вращается ли кровь в полостях сердца? Это еще требовалось доказать.

Постановкой новых экспериментов Захаров занимался уже в клинико-диагностическом отделе при Института биоорганической химии. Исследования выявили особенности полостей сердца и магистральных сосудов. Вопреки классическому представлению оказалось, что в них существует система воронкообразных камер. Сосуды впадают в сердце и выходят из него асимметрично и тангенциально, то есть по касательной. Все сосудистое дерево делится точно так же. Просматриваются три принципа: воронкообразность, тангенциальность и асимметрия. Когда были сняты киноангиокардиографические фильмы движения крови, -- наглядно подтвердилось, что существует особая форма ее движения -- вращательно-поступательная. Кровь вращается в предсердиях и желудочках и в крупных магистральных сосудах -- в аорте, легочной артерии, полых венах. Как сказали бы специалисты, были обнаружены структурно-функциональные связи сердечно-сосудистой системы.

В клинико-диагностическом отделе Захаров завершил значительную часть своих исследований, публиковал статьи в научных журналах, отечественных и зарубежных. Набралось не менее двадцати публикаций. Работы Захарова заметили и по достоинству оценили. Его стали приглашать на конференции. Он участвовал в трех всемирных конгрессах Кардио-Торакальных Хирургов в Австрии, Японии, Израиле. В мире существует одноименное общество специалистов по грудной хирургии, которые приняли в свои ряды сибирского исследователя. А недавно ученого избрали действительным членом Нью-Йоркской Академии наук.

Знаки внимания, неформальное общение на конференциях помогают раскрепоститься и почувствовать, что наука действительно едина и неделима. Вдруг ко всему добавляется еще один плюс -- твой доклад принят "на ура" -- и засияешь, как отраженный лазерный луч...

В лаборатории прикладной лазерной интерферометрии, где мы и познакомились, лазеры пока не сияли. "Персоналки" тоже пока молчали. Лаборатория только что переехала с первого этажа на второй. Почти всю центральную часть помещения занимают столы с оборудованием и всевозможной аппаратурой. Железные каркасы выглядят сумрачно и угрожающе. Рабочие столы, конечно, у окна.

Владимир Николаевич показал мне свою профессиональную живопись -- сердце и сосуды в различных ракурсах. Пообещал, что в следующий раз принесет слепок полостей сердца и сосудов.

-- Так вы еще и скульптор?

-- Приходится, -- и продолжил свой рассказ.

-- В девяносто четвертом году я возвращался с конгресса из Иерусалима. По пути заехал в Москву, в Институт трансплантологии и искусственных органов к Шумакову. У меня уже была написана докторская диссертация. Как положено, требовался отзыв на мою работу. Валерий Иванович посмотрел диссертацию и предложил защищаться в его институте. Успешно защитился буквально через несколько месяцев. Помогла и оценка зарубежных специалистов. В том же девяносто четвертом мы с Шумаковым запатентовали искусственное сердце на основе открытия винтового движения. Вы себе представить не можете, сколько мы работали, уточняя это открытие, прежде чем его зарегистрировали...

Да, забыл сказать, что до нашего искусственного сердца я уже запатентовал два вида протезов сердечных клапанов и протезы сосудов для большого круга кровообращения и малого.

-- Владимир Николаевич, чем же ваше искусственное сердце, назовем его "Шумаковским", и ваши протезы сосудов и клапанов лучше существующих?

-- Представьте, когда протезируется, допустим, сердечный клапан, возникает нарушение потока крови и может образоваться тромб. При операциях используется специальный препарат, препятствующий тромбообразованию, но зачастую это не спасает. К тому же, надо учитывать, что при нарушении нормального потока крови возникает опасность образования не только крупных сгустков-тромбов -- но и более мелких, которые могут вызвать нарушение в других жизненноважных органах -- головном мозге, печени, почках, поджелудочной железе... Наши протезы и сердце сделаны в соответствии с особенностями движения потока крови. Но это, конечно, в общих чертах.

-- Мне пока медицинский трактат не нужен, но все-таки, какое значение имеет ваше открытие для практикующего хирурга?

-- Во-первых, -- это новые технологии операций. Надо создавать такие технологии операций, чтобы не нарушать потоки крови. Протезы сердечных клапанов надо создавать такие, чтобы исключить хаотическое турбулентное движение крови, которое приводит к тромбообразованию. Сосудистые протезы делать такими, чтобы они препятствовали тромбообразованию. У меня есть мечта -- создать аорто-коронарный шунт. Это проблема века и она еще не решена, хотя операции подобного рода делаются и часто успешно. Технология предусматривает шунт обходной, то есть в аорту и в каронарную артерию подшивают вену, взятую с ноги пациента. Но это не спасает на самом деле.

-- Но и пять-десять лет после операции -- хороший подарок.

-- А я задумал биосинтетический протез. Синтетическая оболочка сосуда, а внутри -- выращенная эндотелиальная оболочка -- человеческие клетки. Это будут совершенно уникальные протезы для аортно-каронарного шунтирования. Это ноу-хау.

-- Нельзя так нельзя. Помните, вы мне говорили, что кровь движется не так, как вода в реке...

-- В ее вращательном движении наблюдается ламинарный поток, то есть по сути дела форма движения винтовая, а течение -- ламинарное. Какая целесообразность такой формы движения крови? Меня мучил этот вопрос. Я прошел по всем институтам Академгородка, где занимаются проблемами жидкости и газа. Буквально недавно встретился с Багаевым Сергеем Николаевичем, рассказал о своих проблемах. Он увидел перспективу исследований и принял меня в свой институт. Дело в том, что моя работа связана с открытием на макроуровне, но существует и микроциркуляция крови.

-- Получается, что у нас внутри, даже в капиллярах, закручиваются вихри и торнадо?

-- Эти винтовые явления широко представлены в природе. Не только торнадо и смерчи. Даже в ванне, в раковине бытовых трубопроводов. А вращение Земли? В нем сохраняется угловой момент количества движения. Система галактик построена в виде вихрей.

-- Вы не одиноки в таких подходах. Знаком ли вам Виктор Николаевич Опарин из Института горного дела?

-- Мы с ним обсуждали эти проблемы. У нас есть планы совместных исследований. Он близок мне по духу и мысли.

-- Значит я попала в точку!

-- Конечно, все взаимосвязано. Винтовая форма движения очень хорошо проявилась в живых системах. Природа пошла до конца и нашла оптимум во вращательной и поступательной компонентах.

-- Кажется, -- понятно, что в процессе эволюции, но все-равно ничего не понятно: как это природе удалось создать сердце, напоминающее чем-то раковину с кораллами, заставляющее работать весь организм?

-- У червей, например, сердца нет. Только активные мешочки, они последовательно сокращаются, и таким образом кровь движется. Никаких кругов кровообращения. Черви дышат кожей. По образу и подобию таких сократительных мешочков работает вся система, а сердце возникло на определенной стадии развития как дополнительный роторный насос. Меня поражало это всегда. Возьмем крупные организмы. Например, кит. Масса 160 тонн. И как это сердечно-сосудистой системе удается прокачать кровь через громадное сосудистое русло?

-- А сердце у кита маленькое?

-- Если взять относительные размеры, то оно меньше, чем наше. Видимо, у кита сосудистая система берет на себя большую функцию. То есть работает главный мотор, но существуют и региональные. Каждое ответвление сосуда -- это воронка, обладающая всасывающим эффектом. Вращательную компоненту вносит каждый сосудик и восполняет потери, которые происходят по мере транспорта крови. По крайней мере, в крупных сосудах. А дальше действует другой механизм, который мы сейчас ищем. Углубленными исследованиями я занимаюсь вместе с Багаевым и Орловым, руководителем лаборатории. На уровне микроциркуляции -- совершенно другой механизм.

Хотите еще одну интересную вещь, связанную с движением крови? У нас есть концепция -- как возникает формообразование в эмбриогенезе. Движение крови, которое засылает мать своему плоду, -- вращательное. Формообразование и возникает на основе этой функции. По сути дела функция лепит структуру! Почему сосуды имеют спиралевидные слои? Потому что движущаяся жидкость, которая проникает в плод, -- вращается и заставляет расти сосуды по вращательной компоненте.

-- Это уже что-то божественное: функция лепит структуру... Владимир Николавевич, вы до сих пор рисуете?

-- Когда-то рисовал даже на конференциях. Попробую.

Захаров привычной рукой одной линией изобразил Мешалкина в хирургической шапочке.

"ФОТОНОМ ТУДА И ОБРАТНО"

Оказалось, что с Валерием Александровичем Орловым мы уже встречались года три назад, когда готовили к публикации в нашей газете статью о предвестниках землетрясений. Никогда бы не подумала, что заведующий лабораторией прикладной лазерной интерферометрии, физик-спектроскопист занимается и живыми "предвестниками" -- бактериями, клетками и огромными цепочками молекул типа ДНК -- чтобы разобраться в тонкостях физических механизмов функционирования живых систем.

Методики, разработанные для экспериментов интеграционного проекта может быть, подсказали логику развития исследований, выполненных Захаровым и Шумаковым? Этот вопрос я держала в уме, пока Захаров раскручивал слепок-отпечаток сердца на составляющие и выстраивал на столе в некую скульптурную группу. Слепки-отпечатки сосудов явно напоминали ветки кораллов.

-- Ну вот, с системой кровообращения мы разобрались. Особенность сердца в том, чтобы создавать вращательно-поступательное движение.

-- Речь идет о том, чтобы исследовать физические механизмы не только сердечно-сосудистой системы, -- уточнил физик своего коллегу медика. -- Как движутся среды в других транспортных каналах? Пищеварительном, мочевыводящем, спино-мозговом, лимфатическом? Хотим добраться и до газообмена в легочной системе и движения крови в капиллярах, поскольку это еще неизвестные вещи. Конечно, что-то как-то изучено, но открылось очень большое поле для нового. Что ни возьми, ничего не знаем. Например, безъядерные кровяные клетки эритроциты, содержащие гемоглобин. Они насыщают каждую клеточку кислородом, переносят кислород от легких к тканям и углекислый газ от тканей к органам дыхания. Как устроены красные клетки, образующиеся в костном мозге, -- этому можно посвятить всю жизнь. И вот проблема: регуляция и движение -- это синонимы или нет?

-- Вы уже ведете исследования прямо по научной программе XXI века, который называют "гуманитарным". Главные исследования будут связаны с человеком, потому что мы до сих пор сами себя не знаем.

-- Совершенно верно. Вся проблема в том, что наука дифференцирована. Она долгое время разъединялась, а сейчас возвращается к своей истинной сущности. В процессе работы у нас самих менялось мировоззрение. Мы не знаем, что творится в клетках, какое действо происходит. Физический эксперимент с биообъектами очень сложен. Тут и гидродинамика, и лазерное излучение, и взаимодействие излучения с веществом... Мы вторгаемся в самосогласованную систему, эффективность которой отрабатывалась миллионы лет. Проблем физических очень много и технических -- предостаточно. Живой организм устроен так, чтобы максимально использовать энергетические затраты. В нем все оптимально. Допустим, конфигурация сосудов. Их форма шлифовалась в процессе эволюции. Почему мышцы имеют спиралевидную структуру, вращаются? Каким образом морфология тканей, вообще -- организма, отражается на кровяном потоке? Как через нервную систему замыкается самосогласованность организма? Через бароцентры. Почему?

Хотелось бы разобраться с физикой нового явления в транспортных каналах. Мы впервые поставили задачу и попытаемся ответить на вопрос -- что делается в транспортной системе на микроциркуляторном уровне.

-- Вот эта мышца сердечная, -- Захаров показал ее отпечаток на муляже, -- она якобы одна работает с большими нагрузками, а на самом деле силы распределяются на всю сердечно-сосудистую систему.

-- Полнейшая интеграция?

-- Совершенно верно. И вот, когда мы проследили иерархию системы -- от более крупных сосудов к более мелким -- оказалось, что физика процесса меняется! Мы сейчас монтируем специальную установку, специальный лазерный микроскоп, -- уточнил Орлов.

-- Мы уже работали с клетками, у нас развита методика, которая позволяет измерять не просто скорости движения, но и диапазон очень малых перемещений, колебаний, скоростей.

-- Вы будете экспериментировать на животных?

-- Будем использовать летучих мышей, кроликов, поросят в щадящем режиме. Ничего с кроликом не случится, если закрепить его ухо, чтобы измерить движение крови и самого сосуда. Морковка в это время ему не полагается.

-- Но придется и на себе экспериментировать?

-- Задача очень сложная. Кровь движется в русле, но, извините, до нее надо еще добраться. Луч должен просветить ткань, мышцы, сосуд, попасть на движущиеся клетки в русле. Чтобы зарегистрировать движение частиц, нужно поймать рассеянный сигнал на фотоприемник с помощью специальной методики. Диапазон частот, в которых мы будем работать, -- от единиц герц до мегагерц.

-- Так что, сердце всем дает работу. Наверняка, существует сигнал, синхронизирующий движение сердечной мышцы, стенок сосуда через бароцентры.

-- Когда начнется эксперимент?

-- Вот-вот. Не хочется повторять, что исследователям сейчас материально трудно -- это всем известно. Напрягаемся и потому, что техника очень сложная: фотоном туда и обратно. Проблема ставится впервые -- изучить весь спектр колебаний, весь спектр движений стенки сосудов. Тогда мы сможем понять тонкие зависимости -- влияет ли это и каким образом на содержимое сосудов.

-- Вы общаетесь с биологами, биохимиками, математиками. Что они говорят по поводу этой работы?

-- У некоторых реакция неадекватная, а у физиков -- даже на открытие Захарова. Мы еще не опубликовали наши результаты по гидродинамике закрученных потоков. Механизм в принципе не раскрыт. В гидродинамической системе еще надо найти оптимум. А в сердечно-сосудистой системе оптимум как бы автоматически получается. Природа так сотворила. Если оптимума нет -- это уже патология.

-- В здоровом организме благодаря винтовому потоку крови ее частицы не слипаются. Во вращательном компоненте имеется запас энергии, она постепенно преобразуется в поступательную. Когда поток доходит до капиллярного русла, вращательный компонент угасает. Кстати, когда человеку измеряют артериальное давление, то показатель нижнего, диастолического давления, допустим, 80, связан с вращательным компонентом движения крови. Если бы не было вращения, то тогда бы сердце качнуло кровь, клапаны захлопнулись бы и давление упало бы до нуля. Иногда это и происходит при пороках аортального клапана, хотя движение крови в аорте и ее ветвях сохраняется.

-- И здесь мы открыли нечто новое, -- вторит Орлов Захарову. -- По сути кровоток в закрытой системе, его оптимум подсказал нам, как надо рассматривать гидродинамику потока. Случай, когда существует масса воронок, когда есть явное расширение и сужение сосудов. И что происходит? Вращательный компонент поддавливает, поток, его энергия в два раза больше поступательного. Вращательное движение создает нижнее давление -- диастолическое, как мы условились -- 80 миллиметров ртутного столба. Это двойка. Поступательное, следовательно, -- 40. Верхний показатель -- систолическое давление, -- следовательно, -- 120. Когда мы передавливаем сосуд манжеткой, он как раз и дает давление 80+40.

-- И это нам стало известно впервые. Мы столкнулись с простыми, но неизвестными вещами.

-- В случае, когда манжетку открываем, поток пошел свободно, мы не регистрируем поступательный компонент динамического давления, кровь на стенки не давит, а вращательный создает давление, составляющее 80 миллиметров ртутного столба. Раньше диастолическое давление объясняли тонусом сосудов и давлением прямолинейно движущейся крови на стеки сосуда.

-- Вы доводите свои исследования до числа. Что это означает?

-- Довести до числа -- значит понять, доказать и объяснить структурно-функциональные связи. Вспомним Менделеева -- где начинается число, там начинается наука.

...В наших долгих разговорах мы вспоминали и о Чижевском, "Леонардо да Винчи двадцатого века". Александр Леонидович, в частности, изучал физические свойства крови в кровяном русле, используя математические методы. Его потрясающее откровение -- "Я перестал бояться звезд" -- это великое стихотворение о полете мысли, свободе творчества.

Вот-вот в лаборатории прикладной лазерной интерферометрии зажгут лазер. Заработает "лазерный микроскоп". Монтирует лазерную установку для исследований микроциркуляций системы кровообращения Юрий Николаевич Фомин, ведущий инженер Института ядерной физики. Начнется реализация интеграционного проекта "Исследование физических механизмов транспортной функции сердечно-сосудистой системы методом фазочувствительной лазерной спектроскопии". Экспериментаторы жесткой рукой написали свою программу действий: "В ИЛФ СО РАН создана уникальная установка для проведения исследований физических механизмов транспортной функции сердечно-сосудистой системы на уровне микроциркуляторного русла. В новой методике используется фазочувствительная лазерная спектроскопия. На наш взгляд, эти исследования станут фундаментом для создания новой диагностической и лечебной аппаратуры, предназначенной для применения в экстремальных ситуациях организма -- различных видов шоковых состояний (травматический шок, кардиогенный шок при инфаркте миокарда, анафилактические состояния, сердечо-сосудистая недостаточность при пороках сердца, ишемическая болезнь сердца). Поскольку многие заболевания связаны в конечном итоге с нарушениями транспортной функции сердечно-сосудистой системы, предполагается найти способы восстановления нарушенных функций. Мы считаем, что проводимые исследования, наряду с получением новых знаний о функционировании живых систем, имеют практический выход не только в медицине, но и в технике (добыча нефти и газа, транспорт углеводородного сырья, коммунальное тепловодоснабжение). В лаборатории продолжаются работы по созданию новых устройств, предназначенных для жизнеобеспечения человека".

Творческий коллектив под руководством академика С.Багаева подготовил заявку на второе открытие: "Универсальное явление образования закрученного движения сред в транспортных каналах организма".

Галина ШПАК