Текст книги "100 великих чудес техники"

Эффектно продемонстрировал возможности распределенных вычислений молодой студент-математик из США Колин Персиваль. За 2,5 года он с помощью 1742 добровольцев из пятидесяти стран мира установил сразу три рекорда в специфическом соревновании, целью которого является определение новых последовательных цифр числа «пи». Ранее ему удалось вычислить пяти– и сорокатриллионный знак после запятой, а в последний раз ему удалось установить, какая цифра стоит на квадриллионной позиции.

МЕДИЦИНА

Люстра Чижевского

Можно ли никогда не болеть? Конечно, это почти невозможно. Но вот болеть редко и легче переносить недуги помогает люстра Чижевского. Александр Леонидович Чижевский – великий русский биофизик, космист, основоположник гелиобиологии и изобретатель, бесспорно, знаменитой теперь электроэффлювиальной люстры.

Сам Чижевский, когда речь заходила о приоритете, вспоминал замок Дуино на Адриатике. На одном из его бастионов с незапамятных времен было закреплено копье. Там всегда на часах стоял солдат и следил за погодой. Если на острие копья появлялось огненное свечение или проскакивали искры, часовой звонил в колокол, предупреждая окрестных жителей и рыбаков о надвигающейся непогоде.

Но важно другое: растительность вокруг этого копья была несравнимо богаче, чем в некотором отдалении. И знала об этом вся округа! Что, собственно, подтверждается подлинным письмом бенедиктинского монаха Императи, датированным аж 1602 годом.

В 1748 году французский аббат Ноллет выращивал рассаду в металлических горшках и регулярно подносил их к заряженным частям электрической машинки. И у него увеличивалась энергия прорастания семян.

В 1780-е годы другой французский аббат Бертолон, большой знаток физики и медицины, ставил необычные опыты в своем саду и огороде. Он поливал растения из леек, соединенных проводом с электростатической машиной, и добился поразительных результатов. Овощи росли быстрее, гиацинты давали больше листьев и стеблей, а фрукты созревали скорее и были на редкость вкусны.

Известный революционер Марат тоже экспериментировал с электричеством. Его увлекла идея дуинского копья. Взяв за основу такие копья, он решил протянуть от них проволочки в квартиры парижан. Отрицательно заряженная материя воздуха, считал «друг народа», укрепит здоровье и дух бойцов революции. Они быстрее наберутся сил во благо великой Франции. Известно, что президент США Бенджамин Франклин придумал громоотвод. Он же первым предложил использовать атмосферное электричество в лечебных целях. В его честь такое лечение назвали франклинизацией. А медицинскую электростатическую машинку с паукообразным электродом, который, как люстру, подвешивали над головой пациента, стали звать Франклином.

Однако Франклин, как и его предшественники, не понял самого главного. Лечит отнюдь не всякое электричество, а только отрицательно заряженное. Положительные заряды, наоборот, крайне вредны и даже опасны для здоровья и жизни.

Впервые это установил русский биофизик Александр Чижевский в 1920-е годы. Чижевский ставил такой эксперимент. Помещал мышей в герметичную камеру и пропускал туда воздух сквозь плотный фильтрующий слой ваты. Через 5-10 дней животные становились вялыми, как при авитаминозе. Постепенно болезненное состояние переходило в коматозное, мыши наотрез отказывались от пищи, наконец, агонизировали и гибли. Это явление Чижевский назвал аэроионным голоданием.

«Итак, химический состав воздуха после фильтрации через вату остался тем же, что и до фильтрации, это бесспорно, – пояснял изумленным коллегам суть явления Александр Леонидович. – Воздух стал даже чище, ибо пыль и микроорганизмы осели на вате. И тем не менее он стал "мертвым". Пропуская воздух через вату, мы лишаем его некоторых свойств, абсолютно необходимых для жизнедеятельности организма. Какие же это свойства? При фильтрации кислород воздуха теряет свое великое «нечто» – свои физические свойства, которые необходимы для поддержания жизни. Проходя слой ваты, воздух оставляет на ней все свои электрические заряды, в том числе отрицательные аэроионы – "витамины воздуха"».

Чтобы доказать это, Чижевский ставил другой опыт. В такую же камеру вводилась игла, на которую подавалось высокое напряжение. На острие иглы образовывались отрицательные аэроионы. Теперь подопытные животные чувствовали себя прекрасно. Благодаря «витаминам воздуха» их жизнестойкость становилась даже выше, чем у животных на воле.

Чижевский был отнюдь не кабинетный ученый, не «голый» экспериментатор, а человек, ориентированный на практику. Он не только раскрыл механизм целебного воздействия отрицательно заряженных частиц воздуха – аэроионов – на все живое, но и создал на этом принципе универсальный прибор для лечения электричеством множества болезней. Соратники ученого назвали этот прибор люстрой Чижевского. Она стала одним из самых ярких достижений XX века. Не зря Чижевского на Первом международном конгрессе по биофизике в Нью-Йорке в сентябре 1939 года за заслуги перед человечеством выдвигали на Нобелевскую премию. Международная общественность присвоила ему ни много ни мало почетное звание «Леонардо да Винчи XX века».

Чижевский опубликовал статьи об электронной медицине, незамедлительно запатентовал свою электроэффлювиальную люстру. Англичане попытались купить у него патент. Не вышло. Чижевский передал его в безвозмездное пользование СССР.

Уверенные в своих силах конструкторы крупнейшего немецкого электротехнического концерна «Сименс» всерьез обратили взоры к электронной медицине. Но обойтись решили и без Чижевского, и без его патента. Оказалось, что сделать это не так-то просто. В 1932 году гигант мировой индустрии «Сименс» наладил выпуск генераторов ионов. И были это не люстры под потолком, а портативные устройства на изящных мраморных столиках.

Но вот беда, приборы «Сименса» давали ионы слишком слабых энергий и должным лечебным эффектом не обладали. К тому же больные жаловались на дурные запахи. Дело в том, что аппараты активно генерировали еще и окислы азота, не только плохо пахнущие, а и очень вредные для организма вещества. Уже в 1934 году «Сименс» свернул это производство.

На Западе перспективное дело, конечно, не бросили. Но приоритет русского ученого затушевать попытались. Чтобы подчеркнуть – дескать, Чижевский не был первым, – стали датировать его выдающиеся работы 1953 годом. Хотя они были опубликованы задолго до этого – в 1935 году.

Нарушая принципы Чижевского, западные инженеры создали множество различных модификаций ионизатора. Но хорошие «витамины воздуха» иностранцы делать так толком и не научились.

Исследования, проведенные в Институте имени Н.В. Склифосовского, в НИИ высшей нервной деятельности, в НИИ медицины труда, Институте педиатрии и других научных центрах, подтвердили, что ионы, получаемые на принципах люстры Чижевского, обладают мощной целебной силой. Прав был Александр Леонидович, утверждая, что одним и тем же прибором можно лечить совершенно разные заболевания. Новая теория общей патологии, разработанная М.С. Мачабели в 1960—1970-е годы, объяснила причины практически всех заболеваний одним общим началом – катастрофической потерей электронов в клетках и тканях организма.

Чтобы защититься от этого, нужно иметь запас электронов на мембранах клеток. Именно их и производит люстра Чижевского, а значит, действие ее универсально.

Целебные аэроионы, проникая в легкие человека, заряжают кровь, делают клетки и ткани организма более стойкими, то есть увеличивают иммунитет. При вдыхании аэроионов легкие как бы расправляются. Приступы у больных бронхиальной астмой становятся реже и легче переносятся. Уже не так мучает одышка.

В 1969 году очень тяжело заболел крупнейший советский физик, академик Игорь Евгеньевич Тамм. Лечили его лучшими лекарствами. Врачи уже вынесли ученому приговор: жить ему оставалось всего дня три-четыре. Поэтому против использования аэроионизатора не возражали, пусть повисит. Люстра Чижевского совершила чудо. Прямо на глазах стал меняться цвет лица больного. Потом он стал нормально дышать, открыл глаза, улыбнулся. Через несколько дней «безнадежный» встал на ноги!

Как показала практика, в ожоговых центрах благодаря аэроионам выживают больные с обширнейшими – до семидесяти процентов – ожогами кожи. Лежачие пациенты перестают болеть пневмонией. Раны начинают затягиваться быстрее.

В Институте педиатрии Российской академии медицинских наук отмечено быстрое улучшение самочувствия у детей, страдающих респираторной и кожной аллергией, выявлено положительное воздействие ионизированного воздуха на новорожденных. Дети легче адаптируются к изменяющимся условиям внешней среды. У них снижается уровень тревоги, раздражительности.

Молодые российские конструкторы решили изготовить современный вариант люстры. Они отыскали архивы Чижевского и изумились. Ученые предполагали понизить высокое напряжение в пятьдесят тысяч вольт, используемое в аппарате Чижевского, с целью безопасности. Но оказалось, высокое напряжение ни в коем случае нельзя было снижать, ведь именно оно дает высочайшее качество аэроионов. На этом в свое время и «прокололись» американцы. Проблема электробезопасности решилась проще: человека-то убивает вовсе не напряжение, а ток. Его силу и снизили.

Сегодня поправить здоровье при помощи «люстры Чижевского» может любой, купивший ее в магазине.

Способ применения «люстры Чижевского» чрезвычайно прост. Хорошо проветрив помещение, надо включить люстру и на 10–15 минут выйти в другую комнату. За это время происходит ионизация и оседание пыли, воздух помещения очищается. Первое пребывание под люстрой рекомендуется ограничить 30 минутами. Затем, увеличивая дозировку на полчаса в день, довести ее до 3–4 часов в сутки. Во время аэроионопрофилактики надо избегать сквозняков, поскольку аэроионы легко уносятся потоком воздуха.

Искусственные органы человека

Современная медицинская техника позволяет заменять полностью или частично больные органы человека. Электронный водитель ритма сердца, усилитель звука для людей, страдающих глухотой, хрусталик из специальной пластмассы – вот только некоторые примеры использования техники в медицине. Все большее распространение получают также биопротезы, приводимые в движение миниатюрными блоками питания, которые реагируют на биотоки в организме человека.

Во время сложнейших операций, проводимых на сердце, легких или почках, неоценимую помощь медикам оказывают «Аппарат искусственного кровообращения», «Искусственное легкое», «Искусственное сердце», «Искусственная почка», которые принимают на себя функции оперируемых органов, позволяют на время приостановить их работу.

«Искусственное легкое» представляет собой пульсирующий насос, который подает воздух порциями с частотой 40–50 раз в минуту. Обычный поршень для этого не подходит: в ток воздуха могут попасть частички материала его трущихся частей или уплотнителя. Здесь и в других подобных устройствах используют мехи из гофрированного металла или пластика – сильфоны. Очищенный и доведенный до требуемой температуры воздух подается непосредственно в бронхи.

«Аппарат искусственного кровообращения» устроен аналогично. Его шланги подключаются к кровеносным сосудам хирургическим путем.

Первая попытка замещения функции сердца механическим аналогом была сделана еще в 1812 году. Однако до сих пор среди множества изготовленных аппаратов нет полностью удовлетворяющего врачей.

Отечественные ученые и конструкторы разработали ряд моделей под общим названием «Поиск». Это четырехкамерный протез сердца с желудочками мешотчатого типа, предназначенный для имплантации в ортотопическую позицию.

В модели различают левую и правую половины, каждая из которых состоит из искусственного желудочка и искусственного предсердия.

Составными элементами искусственного желудочка являются: корпус, рабочая камера, входной и выходной клапаны. Корпус желудочка изготавливается из силиконовой резины методом наслоения. Матрица погружается в жидкий полимер, вынимается и высушивается – и так раз за разом, пока на поверхности матрицы не создается многослойная плоть сердца.

Рабочая камера по форме аналогична корпусу. Ее изготавливали из латексной резины, а потом из силикона. Конструктивной особенностью рабочей камеры является различная толщина стенок, в которых различают активные и пассивные участки. Конструкция рассчитана таким образом, что даже при полном напряжении активных участков противоположные стенки рабочей поверхности камеры не соприкасаются между собой, чем устраняется травма форменных элементов крови.

Российский конструктор Александр Дробышев, несмотря на все трудности, продолжает создавать новые современные конструкции «Поиска», которые будут значительно дешевле зарубежных образцов.

Одна из лучших на сегодня зарубежных систем «Искусственное сердце» «Новакор» стоит 400 тысяч долларов. С ней можно целый год дома ждать операции.

В кейсе-чемоданчике «Новакора» находятся два пластмассовых желудочка. На отдельной тележке – наружный сервис: компьютер управления, монитор контроля, который остается в клинике на глазах у врачей. Дома с больным – блок питания, аккумуляторные батареи, которые сменяются и подзаряжаются от сети. Задача больного – следить за зеленым индикатором ламп, показывающих заряд аккумуляторов.

Аппараты «Искусственная почка» работают уже довольно давно и успешно применяются медиками.

Еще в 1837 году, изучая процессы движения растворов через полупроницаемые мембраны, Т. Грехен впервые применил и ввел в употребление термин «диализ» (от греческого dialisis – отделение). Но лишь в 1912 году на основе этого метода в США был сконструирован аппарат, с помощью которого его авторы проводили в эксперименте удаление салицилатов из крови животных. В аппарате, названном ими «искусственная почка», в качестве полупроницаемой мембраны были использованы трубочки из коллодия, по которым текла кровь животного, а снаружи они омывались изотоническим раствором хлорида натрия. Впрочем, коллодий, примененный Дж. Абелем, оказался довольно хрупким материалом и в дальнейшем другие авторы для диализа пробовали иные материалы, такие как кишечник птиц, плавательный пузырь рыб, брюшину телят, тростник, бумагу.

Для предотвращения свертывания крови использовали гирудин – полипептид, содержащийся в секрете слюнных желез медицинской пиявки. Эти два открытия и явились прототипом всех последующих разработок в области внепочечного очищения.

Каковы бы ни были усовершенствования в этой области, принцип пока остается одним и тем же. В любом варианте «искусственная почка» включает в себя следующие элементы: полупроницаемая мембрана, с одной стороны которой течет кровь, а с другой стороны – солевой раствор. Для предотвращения свертывания крови используют антикоагулянты – лекарственные вещества, уменьшающие свертываемость крови. В этом случае происходит выравнивание концентраций низкомолекулярных соединений ионов, мочевины, креатинина, глюкозы, других веществ с малой молекулярной массой. При увеличении пористости мембраны возникает перемещение веществ с большей молекулярной массой. Если же к этому процессу добавить избыточное гидростатическое давление со стороны крови или отрицательное давление со стороны омывающего раствора, то процесс переноса будет сопровождаться и перемещением воды – конвекционный массообмен. Для переноса воды можно воспользоваться и осмотическим давлением, добавляя в диализат осмотически активные вещества. Чаще всего с этой целью использовали глюкозу, реже фруктозу и другие сахара и еще реже продукты иного химического происхождения. При этом, вводя глюкозу в больших количествах, можно получить действительно выраженный дегидратационный эффект, однако повышение концентрации глюкозы в диализате выше некоторых значений не рекомендуется из-за возможности развития осложнений.

Наконец, можно вообще отказаться от омывающего мембрану раствора (диализата) и получить выход через мембрану жидкой части крови: вода и вещества с молекулярной массой широкого диапазона.

В 1925 году Дж. Хаас провел первый диализ у человека, а в 1928 году он же использовал гепарин, поскольку длительное применение гирудина было связано с токсическими эффектами, да и само его воздействие на свертывание крови было нестабильным. Впервые же гепарин был применен для диализа в 1926 году в эксперименте Х. Нехельсом и Р. Лимом.

Поскольку перечисленные выше материалы оказывались малопригодными в качестве основы для создания полупроницаемых мембран, продолжался поиск других материалов, и в 1938 году впервые для гемодиализа был применен целлофан, который в последующие годы длительное время оставался основным сырьем для производства полупроницаемых мембран.

Первый же аппарат «искусственная почка», пригодный для широкого клинического применения, был создан в 1943 году В. Колффом и Х. Берком. Затем эти аппараты усовершенствовались. При этом развитие технической мысли в этой области вначале касалось в большей степени именно модификации диализаторов и лишь в последние годы стало затрагивать в значительной мере собственно аппараты.

В результате появилось два основных типа диализатора, так называемых катушечных, где использовали трубки из целлофана, и плоскопараллельных, в которых применялись плоские мембраны.

В 1960 году Ф. Киил сконструировал весьма удачный вариант плоскопараллельного диализатора с пластинами из полипропилена, и в течение ряда лет этот тип диализатора и его модификации распространились по всему миру, заняв ведущее место среди всех других видов диализаторов.

Затем процесс создания более эффективных гемодиализаторов и упрощения техники гемодиализа развивался в двух основных направлениях: конструирование самого диализатора, причем доминирующее положение со временем заняли диализаторы однократного применения, и использование в качестве полупроницаемой мембраны новых материалов.

Диализатор – сердце «искусственной почки», и поэтому основные усилия химиков и инженеров были всегда направлены на совершенствование именно этого звена в сложной системе аппарата в целом. Однако техническая мысль не оставляла без внимания и аппарат как таковой.

В 1960-х годах возникла идея применения так называемых центральных систем, то есть аппаратов «искусственная почка», в которых диализат готовили из концентрата – смеси солей, концентрация которых в 30–34 раза превышала концентрацию их в крови больного.

Комбинация диализа «на слив» и техники рециркуляции была использована в ряде аппаратов «искусственная почка», например американской фирмой «Travenol». В этом случае около 8 литров диализата с большой скоростью циркулировало в отдельной емкости, в которую был помещен диализатор и в которую каждую минуту добавляли по 250 миллилитров свежего раствора и столько же выбрасывали в канализацию.

На первых порах для гемодиализа использовали простую водопроводную воду, потом из-за ее загрязненности, в частности микроорганизмами, пробовали применять дистиллированную воду, но это оказалось очень дорогим и малопроизводительным делом. Радикально вопрос был решен после создания специальных систем по подготовке водопроводной воды, куда входят фильтры для ее очистки от механических загрязнений, железа и его окислов, кремния и других элементов, ионообменные смолы для устранения жесткости воды и установки так называемого «обратного» осмоса.

Много усилий было затрачено на совершенствование мониторных систем аппаратов «искусственная почка». Так, кроме постоянного слежения за температурой диализата, стали постоянно наблюдать с помощью специальных датчиков и за химическим составом диализата, ориентируясь на общую электропроводность диализата, которая меняется при снижении концентрации солей и повышается при увеличении таковой.

После этого в аппаратах «искусственная почка» стали применять ионо-селективные проточные датчики, которые постоянно следили бы за ионной концентрацией. Компьютер же позволил управлять процессом, вводя из дополнительных емкостей недостающие элементы, или менять их соотношение, используя принцип обратной связи.

Величина ультрафильтрации в ходе диализа зависит не только от качества мембраны, во всех случаях решающим фактором является трансмембранное давление, поэтому в мониторах стали широко применять датчики давления: степень разрежения по диализату, величина давления на входе и выходе диализатора. Современная техника, использующая компьютеры, позволяет программировать процесс ультрафильтрации.

Выходя из диализатора, кровь попадает в вену больного через воздушную ловушку, что позволяет судить на глаз о приблизительной величине кровотока, склонности крови к свертыванию. Для предупреждения воздушной эмболии эти ловушки снабжают воздуховодами, с помощью которых регулируют в них уровень крови. В настоящее время во многих аппаратах на воздушные ловушки надевают ультразвуковые или фотоэлектрические детекторы, которые автоматически перекрывают венозную магистраль при падении в ловушке уровня крови ниже заданного.

Недавно ученые создали приборы, помогающие людям, потерявшим зрение – полностью или частично.

Чудо-очки, например, разработаны в научно-внедренческой производственной фирме «Реабилитация» на основе технологий, использовавшихся ранее лишь в военном деле. Подобно ночному прицелу, прибор действует по принципу инфракрасной локации. Черно-матовые стекла очков на самом деле представляют собой пластины из оргстекла, между которыми заключено миниатюрное локационное устройство. Весь локатор вместе с очковой оправой весит порядка 50 граммов – примерно столько же, сколько и обыкновенные очки. И подбирают их, как и очки для зрячих, строго индивидуально, чтобы было и удобно, и красиво. «Линзы» не только выполняют свои прямые функции, но и прикрывают дефекты глаз. Из двух десятков вариантов каждый может выбрать для себя наиболее подходящий.

Пользоваться очками совсем не трудно: надо надеть их и включить питание. Источником энергии для них служит плоский аккумулятор размерами с сигаретную пачку. Здесь же, в блоке, помещается и генератор.

Излучаемые им сигналы, натолкнувшись на преграду, возвращаются назад и улавливаются «линзами-приемниками». Принятые импульсы усиливаются, сравниваются с пороговым сигналом, и, если есть преграда, тотчас звучит зуммер – тем громче, чем ближе подошел к ней человек. Дальность действия прибора можно регулировать, используя один из двух диапазонов.

Работы по созданию электронной сетчатки успешно ведутся американскими специалистами НАСА и Главного центра при университете Джона Гопкинса.

На первых порах они постарались помочь людям, у которых еще сохранились кое-какие остатки зрения. «Для них созданы телеочки, – пишут в журнале «Юный техник» С. Григорьев и Е. Рогов, – где вместо линз установлены миниатюрные телеэкраны. Столь же миниатюрные видеокамеры, расположенные на оправе, пересылают в изображение все, что попадает в поле зрения обычного человека. Однако для слабовидящего картина еще и дешифруется с помощью встроенного компьютера. Такой прибор особых чудес не создает и слепых зрячими не делает, считают специалисты, но позволит максимально использовать еще оставшиеся у человека зрительные способности, облегчит ориентацию.

Например, если у человека осталась хотя бы часть сетчатки, компьютер «расщепит» изображение таким образом, чтобы человек мог видеть окружающее хотя бы с помощью сохранившихся периферийных участков.

По оценкам разработчиков, подобные системы помогут примерно 2,5 миллионов людей, страдающих дефектами зрения. Ну а как быть с теми, у кого сетчатка практически полностью утрачена? Для них ученые глазного центра, работающего при университете Дюка (штат Северная Каролина), осваивают операции по вживлению электронной сетчатки. Под кожу имплантируются специальные электроды, которые, будучи соединены с нервами, передают изображение в мозг. Слепой видит картину, состоящую из отдельных светящихся точек, очень похожую на демонстрационное табло, что устанавливают на стадионах, вокзалах и в аэропортах. Изображение на «табло» опять-таки создают миниатюрные телекамеры, укрепленные на очковой оправе».

И, наконец, последнее слово науки на сегодняшний день – попытка методами современной микротехнологии создать новые чувствительные центры на поврежденной сетчатке. Такими операциями занимаются сейчас в Северной Каролине профессор Рост Пропет и его коллеги. Совместно со специалистами НАСА они создали первые образцы субэлектронной сетчатки, которая непосредственно имплантируется в глаз.

«Наши пациенты, конечно, никогда не смогут любоваться полотнами Рембрандта, – комментирует профессор. – Однако различать, где дверь, а где окно, дорожные знаки и вывески они все-таки будут…»