Специализированные органы и системы — органы чувств, пищеварительная система и органы размножения — эволюционировали миллионы лет, позволяя выживать и функционировать все более сложным формам жизни. В результате возникли органы удивительной эффективности и чрезвычайно хитроумно устроенные. Так, глаз лягушки способен заметить и взять на прицел любое насекомое в радиусе, доступном для ее языка. У гусей столь высоко развита система координации глаз и мозга, что они могут точно прокладывать свой курс на огромных расстояниях, пользуясь, судя по всему, определением положения звезд и визированием по ориентирам точно так же, как моряки, оснащенные секстантами и хронометрами.

Не одну сотню лет люди пытаются копировать изобретения природы. Дневники Леонардо да Винчи, например, испещрены набросками летательных аппаратов, смоделированных по принципу строения крыла птиц. А в сентябре 1960 г. на базе американских ВВС Райт-Паттерсон в Дейтоне (штат Огайо) состоялась конференция ученых, занимающихся конструированием механизмов и приборов "по проектам природы". Они собрались, чтобы формально отметить создание новой науки, изучающей природные процессы и технологию подражания им. На этой конференции родилось слово "бионика", полученное от слияния греческого слова "биос" (что значит "жизнь") и суффикса — ик (что значит "подобный"). По определению Джека Стила, психиатра, математика и специалиста по электронике ВВС США, бионика — это "наука о системах, которые функционируют по образу живых систем и таким образом напоминают или копируют живые системы".

В те времена ВВС интересовались живыми существами с целью разработки более эффективных систем обороны. Одни из первых экспериментов были направлены на то, чтобы узнать, каким образом улитки определяют направление, ориентируясь по магнитному полю Земли. Ученые изучали также строение кожи дельфина, пытаясь разработать покрытия судовых корпусов, которые уменьшали бы сопротивление воды и позволяли бы повысить скорость при экономии топлива.

Разумеется, изучение бионики не ограничивается интересами министерства обороны. Бионика занимается и такими всеобъемлющими проблемами, как создание искусственного интеллекта — для применения в компьютерах — и создание запасных частей человеческого организма — для применения в медицине и продления жизни.

Бионика — гибридная наука. Занятые ее проблемами ученые являются специалистами не только в биологии и зоологии, но и в медицине, инженерных науках, математике, физике, химии, электронике, психологии и логике. Эта область исследований пользуется достижениями почти всех других областей, начиная от текстильной промышленности (например, создание легчайших парашютов по образцу крыла птиц) и кончая микрогравировкой по металлу, необходимой для конструирования микроминиатюрных блоков памяти, которые требуются для создания искусственного интеллекта и в других новых областях науки. Медицинская бионика позаимствовала в далеких, на первый взгляд, областях идеи и технологию создания "запчастей" человеческого тела.

Материалы, применяющиеся в бионике, в большинстве своем носят новые для нашего слуха названия: это волшебные волокна, такие, как орлон, дакрон, найлон; пластмассы, такие, как полиуретан, метилметакрилат, полиэтилен; редкие металлы, вроде титана, хромокобальтовые сплавы, соединения кремния, различные типы нержавеющей стали и сплавы тикониума.

Основное достоинство перечисленных материалов заключается в том, что иммунная система организма их не отторгает. Поскольку иммунная система распознает только белки, а эти материалы состоят не из белков, они не подвергаются ее атаке. Более того, новые материалы не только совместимы с тканями нашего тела, но многие из них становятся как бы основой, на которой сам организм наращивает новую ткань. Расширенную, поврежденную аорту (некогда это была распространенная и неизбежная причина смерти) теперь можно легко подремонтировать дакроновым протезом: его подшивают к истонченной артерии, а затем природа, слегка изменяя свой привычный курс, покрывает эту основу здоровой живой тканью.

Заменители могут не только занять место поврежденной конечности или органа — зачастую они даже во многом дублируют функции "оригинала". Выполненные из неорганических в своей основе материалов почки работают, сосуды несут кровь, сердца бьются. Электронные водители ритма сердца (кардиостимуляторы), синтетические мышцы, чувствительные (сенсорные) окончания на кончиках пальцев — все это создается теперь искусственным путем, и новинки технологического прогресса обещают нам, что скоро глухие будут слышать, слепые — видеть, безногие — ходить.

Бионические приспособления бывают четырех видов (некоторые из них прикрепляются снаружи, другие вживляются в организм): протезы, по своему назначению наружные — зубные или протезы конечностей; заменители — например, искусственный плечевой сустав; синтетические — сухожилия, созданные из искусственных волокон, и искусственные — т. е. механизмы, заменяющие собой орган.

Протезы: от Длинного Джона Сильвера до "Человека ценой в шесть миллионов долларов"

Возможно, многие из нас знакомы с протезами благодаря одному из героев романа "Остров сокровищ" — пирату, по прозвищу Длинный Джон Сильвер. Потеряв ногу в сражении, он заменил ее деревяшкой, для которой в настиле палубы возле штурвала было сделано специальное углубление, чтобы ему было удобнее стоять у руля. Помним мы и капитана Хука из пьесы "Питер Пэн": ему крокодил откусил руку, и вместо кисти у него был железный крючок — оружие, достойное пирата, но, разумеется, не подходящее для тонких манипуляций. А ведь именно деревянные ноги и крючки сотни лет служили людям протезами — заменителями недостающих конечностей.

Но есть бионическое приспособление с гораздо более давней — хотя на первый взгляд и менее драматической историей — это искусственные зубы. Зубные протезы существовали в Древнем Египте 3000 лет назад: фараоны заменяли выпавшие зубы зубами из слоновой кости или просто из кости, прикрепленными тонкой золотой проволокой. Римские дантисты также умели весьма хитроумно вырезать и прикреплять фальшивые зубы из костей животных или человека. Если зубы были хорошо выпилены, то и служили они хорошо, но пристроить фальшивые зубы к деформирующейся поверхности чьей-то челюсти — дело мудреное. В XV в. зубные протезы представляли собой зубы, вырезанные из слоновой кости и прикрепленные к деревянной пластинке, прикрывающей челюсти: такой протез был столь неудобен, что пользовались им с чисто косметической целью, во время еды его вынимали. Позднее, в XIX столетии, протезисты позаимствовали у ювелиров технологический прием, называемый "штамповкой", и стали изготовлять зубные протезы, которыми можно было пользоваться и для пережевывания пищи. Применяя свинцовые и цинковые формы, полученные со слепков челюстей конкретного человека, дантисты "штамповали" золото по этому слепку, затем приклеивали к нему плотную резину, а к ней крепили фарфоровые зубы. И только в 30-х годах текущего столетия эти материалы уступили место акриловым пластмассам, которые используются и по сей день.

Однако даже самые сложные зубные протезы кажутся пустяком по сравнению с новыми хитроумными изобретениями в области протезирования.

Бионическое зрение

Если не считать очков, изобретенных китайцами в X в., мы не располагали никакими искусственными приспособлениями, которые могли бы вернуть человеку зрение. Но теперь бионика сделала реальностью восстановление зрения во многих случаях, прежде считавшихся совершенно безнадежными.

Помутнение роговицы обычно происходит в результате механического повреждения или не вполне понятных изменений в химическом составе глаза. Но эти изменения приводят к тому, что наружная прозрачная оболочка глаза, так называемая роговица, которая пропускает видимый глазом свет, становится мутной и постепенно человек слепнет. Это заболевание, чаще всего возникающее в пожилом возрасте, ранее умели лечить только одним способом — пересадкой роговицы от трупа.

Обычно достаточно пересадить лишь часть роговицы, но иногда повреждения так сильны, что приходится заменять ее полностью. Однако из четырех полных пересадок роговицы удается только одна: это объясняется тем, что жидкость внутри глаза находится под давлением, и трансплантат очень трудно удержать на месте в течение месяца — срока, необходимого для его приживления. Кроме того, стоит больному чихнуть или закашляться — и пересаженная роговица может сместиться.

Эта проблема вынудила Уильяма Стоуна, хирурга-офтальмолога Массачусетского приюта для глухих и слепых в Бостоне, заняться созданием бионического заменителя поврежденной роговицы из прозрачного акрила — точно такого, какой идет на изготовление зубных протезов и ветровых стекол в кабинах реактивных истребителей. Пластиковая роговица ввинчивается в гнездо, напоминающее крохотную кнопку, и эта кнопка прикрепляется швами на поверхности глаза прямо напротив зрачка. Ввинчивающаяся пластиковая роговица, которую можно вывинтить или заменить другой по рецепту врача, вживлена уже 400 больным.

Медицинская техника снабдила нас и бионическим хрусталиком. Хрусталик глаза, находящийся непосредственно за радужной оболочкой, часто мутнеет вследствие катаракты. От этого он темнеет и рассеивает или не пропускает падающий на глаз свет. Обычно от катаракты избавляются путем хирургического вмешательства. Хирург делает маленькое отверстие в оболочке глаза (так называемом белке), подводит к нему небольшой высасывающий прибор и извлекает хрусталик из глаза. После такой операции накладывается шов, и свет снова свободно проникает в глаз.

К сожалению, лишенный хрусталика глаз не способен фокусировать лучи света самостоятельно — больной нуждается в толстых очках или в контактных линзах. Пользование очками сопряжено с большими неудобствами, приходится менять очки, если нужно перевести взгляд с близкого объекта на отдаленный; при этом вести машину, например, очень трудно. Некоторый выход из положения сулит использование контактных линз, настроенных на средние расстояния, в сочетании с бифокальными очками, но не все могут спокойно носить контактные линзы.

Д-ру Норману Джаффу из Университета в Майами удалось решить эту проблему: он изобрел искусственный вживляемый хрусталик. Из полиметакрилата — вещества, близкого к акрилу, применяемому для создания искусственной роговицы, — вытачивается крохотный бионический хрусталик с точной, фиксированной фокусировкой: хрусталик помещается в мягкое кольцо из дакроновых волокон. Это кольцо, вшиваемое позади радужной оболочки, служит своеобразным якорем, который удерживает хрусталик против зрачка. Пластиковый хрусталик не способен менять фокус, но в сочетании с очками можно достигнуть почти стопроцентного зрения. Теперь такими искусственными хрусталиками заменяют помутневшие от катаракты хрусталики не менее сотни хирургов в США.

Но повреждение хрусталика или роговицы далеко не единственная причина слепоты. Большинство из 110 000 жителей США, полностью лишенных зрения, потеряли его из-за более серьезных повреждений глаз. Одна из форм слепоты, в настоящее время не поддающаяся лечению, — глаукома, при которой жидкость позади хрусталика, называемая aqueous humorx выделяется в избытке; при этом ее давление возрастает настолько, что разрывает нежные светочувствительные слои сетчатки. Также неизлечимы в настоящее время случаи слепоты от болезней, вызывающих дегенерацию глазного нерва, и врожденных болезней, при которых травмированы сетчатка или нервы, связывающие ее с мозгом. Однако и в этих случаях появилась некоторая надежда, которую сулит нам технология телевидения.

Телевизионная камера работает примерно по такому же принципу, что и глаз: в ней свет, пройдя через фокусирующее устройство, преобразуется в электрические импульсы. Природа и форма импульсов, посылаемых телекамерой, сильно отличаются от импульсов, посылаемых глазом к мозгу, но теоретически возможно применять электрические импульсы от телекамеры, для того чтобы вызвать зрительные ощущения в мозгу.

Офтальмолог Уильям Добелл, директор отделения нейропротезирования Института биомедицинской инженерии при Университете штата Юта, изучив импульсы, которые нормальный глаз посылает в мозг при раздражении светом, изобрел специальный компьютер, который мог бы преобразовывать импульсы от телекамеры в импульсы, подобные испускаемым сетчаткой глаза. Затем Добелл сделал квадратики из тефлона и платины и вживил их двум слепым добровольцам внутрь черепной коробки поблизости от тех участков головного мозга, где получаемая с помощью глаза информация преобразуется и превращается в видимый образ. Маленькие электрические датчики в головах добровольцев были подключены к телекамерере, которая была наведена на несколько предметов самой простой формы. Едва электрические раздражения достигли датчиков, как оба испытуемых заявили, что "видят" вспышки света (так называемые фосфены). По свидетельству Добелла, один из больных, потерявший зрение 28 лет назад, утверждал, что улавливает бесцветные, мерцающие фосфены размером примерно с монету, видимую на расстоянии вытянутой руки.

Ученый продолжал работать над своим изобретением и создал систему искусственного зрения, которая позволила 33-летнему мужчине, лишенному зрения на протяжении 10 лет, подключиться к компьютеру, дающему человеку возможность "видеть" электронные сигналы в своем мозгу. В зрительные участки мозга испытуемого было вживлено 64 электрода, и от каждого электрода через отверстие в черепе шла тоненькая проволочка к графитовому штеккеру, вшитому в кожу. При включении штеккера в компьютер, соединенный с телекамерой, слепой человек получает возможность читать буквы по Брайлю в виде точек света и различать вертикальные и горизонтальные линии. По мнению Добелла, его эксперимент делает реальными долгосрочные имплантации. Как он полагает, со временем в глазницу слепого будет помещаться телекамера, связанная через миниатюрный компьютер с вживленными в мозг электродами. И хотя потребуется еще немало экспериментов, чтобы от простых схематических рисунков перейти к более сложным черно-белым изображениям, Виллем Кольфф, пионер бионических исследований, уверен, что в конце концов искусственное зрение подобного типа позволит слепым видеть изображения, напоминающие "картины на световом табло Хьюстонского космодрома".

Добелл напоминает, что развитие любого искусственного органа происходит постепенно: "Вначале возникает предположение, затем появляется надежда и только потом открываются перспективы. Несомненно, что сенсорные протезы уже перешли от стадии задумок к той стадии, когда появляется надежда". Будем надеяться, что перспективы откроются в ближайшем будущем.

Бионический слух

Некогда единственным приспособлением для тугоухих был слуховой рожок. Похожий на воронку рожок приносил некоторую пользу тем, чей слух пострадал от окостенения, или оссификации, трех основных слуховых косточек среднего уха (молоточка, наковальни и стремечка); с увеличением жесткости косточки все хуже передают звуковые колебания через внутреннее ухо в мозг. Такой вид потери слуха носит скорее механический характер, в отличие от повреждений слухового нерва или внутреннего уха, поэтому приспособления, усиливающие звук, попросту увеличивают амплитуду звуковых колебаний и частично компенсируют потерю слуха, обусловленную окостенением косточек среднего уха. Но слуховой рожок усиливает звук очень незначительно, и нужны были другие усилители.

Когда Сэмюэл Морзе в 1837 г. изобрел телеграф и появилась целая сеть коммерческих телеграфных станций, электричество вошло в быт и стало широко применяться. Александер Грейам Белл, оценив колоссальные возможности, заключавшиеся в передаче сигналов посредством электричества, начал поиски способа преобразования звуковых колебаний в электрические и обратно. Он не ставил себе цель — изобрести телефон, а хотел помочь людям, потерявшим слух. В 1876 г. Белл сумел добиться превращения звуковых сигналов в электрические импульсы и обратно, в результате чего появился телефон, а не слуховой аппарат. Но это в высшей степени полезное изобретение Белла не могло усиливать звук. В 1885 г. был изобретен электрический трансформатор и стало возможным эффективное усиление звука. В 1902 г. Миллер Рис Хатчинсон сконструировал первый электрический слуховой аппарат. Со временем транзисторы и микроминиатюрные схемы позволили сделать аппарат настолько компактным, что он помещается в слуховом проходе или за ухом.

Но хотя множество случаев тугоухости может быть облегчено при помощи слуховых аппаратов, по подсчетам, 300 000 американцев страдают более серьезными формами глухоты, которые требуют совершенно иного подхода. Зачастую задача решается простой имплантацией бионического эквивалента поврежденных слуховых косточек. Такая операция разработана в 1952 г. д-ром Сэмюэлем Розеном в Нью-Йорке. Тефлоновый заменитель, напоминающий короткий штифтик с круглой головкой, вводится а среднее ухо через крохотное отверстие в барабанной перепонке, а поврежденные слуховые косточки удаляются. Один конец имплантированного "штифта" касается "окошечка" улитки, находящейся во внутреннем ухе, а другой — барабанной перепонки. Достигая барабанной перепонки, звуковые колебания преобразуются в механические и передаются к отверстию ("окошечку") внутреннего уха через новую искусственную деталь. Жидкость, находящаяся внутри улитки, передает колебания дальше, и они раздражают мельчайшие нервные окончания, которые преобразуют механические звуковые колебания а электрические импульсы, посылаемые в мозг. Во многих случаях имплантат Розена восстанавливает слух почти до нормального. В одних только США ежегодно проводится около 5000 таких операций.

Но во многих случаях глухота появляется из-за неспособности нерва воспринимать звуковые колебания из внутреннего уха и превращать их в электрические импульсы. Тефлоновый имплантат в таких случаях не поможет — нужно искать другие способы восстановления слуха. Группа исследователей под руководством д-ра Уильяма Хауза из Института исследования слуха в Лос-Анджелесе проводит эксперименты с бионическим электронным имплантатом, который преобразует звук в электрические колебания, непосредственно поступающие в слуховые участки коры головного мозга.

Электронное "ухо" состоит из миниатюрного микрофона и усилителя, который превращает звук в очень слабый электрический ток. Это электронное устройство вживляется прямо в ухо, заменяя собой и барабанную перепонку, и косточки среднего уха. Слуховые нервы передают информацию в мозг посредством сложного процесса преобразования химической энергии в электрическую. Бионический имплантат, выполняющий функции искусственной барабанной перепонки, среднего уха и слухового нерва, располагается во внутреннем ухе возле поврежденного слухового нерва и путем электрического раздражения заставляет его нести звуковую информацию в мозг. В предварительных экспериментах изобретение Хауза позволило совершенно глухим людям различать звуки телефонного или квартирного звонка. Пока исследователям не удалось добиться того, чтобы глухие различали звуки обычной речи, но надо надеяться, что по мере совершенствования аппаратов результаты будут улучшаться.

Все недостатки обычных слуховых аппаратов — невысокая точность воспроизведения звука, плохая обратная связь, необходимость точной пригонки по форме уха и видимый снаружи прибор — будут устранены при создании полностью вживляемого устройства. Уже сейчас такой слуховой аппарат вполне осуществим, не хватает только миниатюрного перезаряжающегося аккумулятора в качестве источника питания этого "внутреннего уха". Современные батарейки требуемого размера недостаточно долговечны и "садятся" через несколько недель, а заменять батарейку хирургическим путем каждые две недели нецелесообразно.

Но совсем недавно была создана батарейка для искусственного кардиостимулятора, которую можно заряжать, не извлекая из тела больного. И хотя она слишком громоздка для вживления в ухо, д-р Ричард Гуд из Станфордского медицинского центра, изобретатель слухового имплантируемого аппарата, надеется, что скоро удастся сконструировать батарейки размером с небольшую монету или даже меньше. В 1976 г. Гуд заявил, что появления в продаже готовой к употреблению модели вживляемого слухового аппарата следует ожидать в ближайшие пять лет.

Бионические конечности

За последнюю четверть века деревянная нога Длинного Джона Сильвера превратилась в нечто более близкое к бионическим конечностям Стива Остина, героя "Человека стоимостью в шесть миллионов долларов". Большинство усовершенствований бионических рук обязано своим появлением исследованиям Комиссии по атомной энергии (КАЭ), начатым в 50-х годах.

С развитием ядерной техники приходилось изобретать способы, которые позволяли бы технику на расстоянии достаточно точно и эффективно манипулировать с радиоактивными веществами. Например, для формирования капсул с плутонием заданного веса требуется высокая точность, а для того, чтобы поднимать свинцовый контейнер, нужна огромная сила. Первое бионическое приспособление для этой цели представляло собой металлическую "перчатку", точно пригнанную по руке техника, который находился в экранированном помещении и следил за результатами своих действий через толстенные стекла. Перчатка была связана сложными электронными устройствами с мощными гидравлическими манипуляторами во внутреннем помещении. Чувствительные датчики в перчатке измеряли каждое движение техника и посылали электрические импульсы к гидравлическим насосам, двигавшим манипуляторы.

Манипуляторы могли вращаться, захватывать, наливать жидкость и повторять почти любое движение человеческой руки. Необходимо было, чтобы они очень точно чувствовали давление, иначе легкое движение руки техника могло раздавить какой-нибудь ценный ядерный компонент. Для таких тонких работ были созданы чувствительные к давлению сенсоры из пьезоэлектрических кристаллов — тех самых, которые давно используются в звукоснимателях проигрывателей для преобразования вибраций иглы в электрические сигналы.

Примерно в то же время в Англии производились исследования в области миоэлектричества ("миос" по-гречески "мышца"), т. е. электрических токов, возникающих на поверхности мышцы, когда она получает через нерв импульс, вызывающий сокращение. Это привело к созданию электрических сенсоров, которые точно измеряли электрический заряд, возникающий на поверхности мышцы во время сокращения, и усиливали его до величины, достаточной, чтобы двигать искусственную бионическую конечность.

Появление пьезоэлектрических сенсоров для измерения давления и миоэлектрических сенсоров, способных ощущать сокращения мышц, в сочетании с электронными схемами, позволяющими превратить движения руки в движения манипуляторов, дало возможность сконструировать бионическую руку, способную чувствовать давление на "пальцах" и точно реагировать на электрические импульсы, возникающие в культе человека. Такую руку вполне можно было бы сконструировать, если бы электронное оборудование манипуляторов в 50-х годах не занимало несколько комнат, а движения не производились бы за счет мощных гидравлических насосов весом в несколько тонн.

В 1952 г. восьмилетняя Карен Мак-Киббен заболела очень тяжелой формой полиомиелита, после чего у нее были парализованы руки и ноги. Ее отец, Джозеф Мак-Киббен, физик-ядерщик, работавший на государственной службе в Лос-Анджелесе, решил попробовать некоторые методы, разработанные КАЭ, пытаясь вернуть дочери способность двигать руками. В сотрудничестве с д-ром Верноном Никкелем, хирургом-ортопедом из Протезного института Ранчо де Лос Амигос в Лос-Анджелесе, где велась большая работа по созданию искусственных конечностей, Мак-Киббен сконструировал пневматическую мышцу. Она представляла собой трубку, сплетенную из лески наподобие китайской объемной головоломки, что позволяло ей сжиматься и растягиваться, как настоящей мышце. В трубку Мак-Киббен поместил узкий, не пропускающий воздуха баллон. Когда баллон наполнялся углекислым газом, трубка становилась толще и короче, совсем как сократившаяся мышца.

Это чрезвычайно простое и легко изготовляемое приспособление легло в основу двигателя бионических конечностей в 50-х годах. Баллоны, заключенные в сетку из тонкой проволоки, наполнялись углекислым газом, хранившимся в небольшом цилиндре. Когда требовалось сократить мышцу, газ быстро заполнял баллон; для ее расслабления открывался специальный клапан, и газ выходил наружу. К сожалению, это был слишком шумный и громоздкий протез, к тому же годился он только для тех, кто не мог двигать руками, а не для тех, у кого руки были ампутированы.

Но с тех пор появились новые достижения. Исследования космоса потребовали такой миниатюризации электронных приборов, что все электронное оборудование, во время первых опытов КАЭ занимавшее несколько комнат, теперь легко размещалось внутри легкой пластиковой бионической руки. Появились и крохотные электромоторы, развивающие значительную мощность при потреблении очень малых количеств электроэнергии. Все эти приборы в сочетании с электрическими и пьезоэлектрическими сенсорами позволили ученым сконструировать настоящую бионическую руку.

Рейд Хилтон, 24-летний мастер каратэ из Санта-Ана (Калифорния), потерял правую руку ниже локтя в автомобильной катастрофе. На его счастье, группа ученых в госпитале Ранчо де Лос Амигос, возглавляемая Вертом Муни, только что закончила конструировать образец бионической руки весом в 3,2 кг, которая приводилась в движение перезаряжаемым электрическим аккумулятором и крохотными моторами, помещенными внутри руки. Рука, которую Хилтону прикрепили в 1975 г., показывала на динамометре силу захвата 16 кг при средней цифре для мужчин 10 кг. Связанная электрическими контактами с мышцами предплечья, эта рука действует почти как настоящая, выполняя практически все движения, вплоть до таких тонких, как собирание мелких предметов с пола или завязывание шнурков на ботинках, — не говоря уже о более широких движениях, принятых в каратэ. В кончиках пальцев имеются пульсирующие сенсоры, которые посылают сигналы обратной связи, предотвращая слишком сильное давление на предметы. В 1976 г. Муни сказал, что в ближайшие пять лет может быть налажено промышленное производство таких рук для всех, кто в них нуждается.

Запасные и синтетические части: лучше природных

Нововведения в области бионических протезов поразительны, но в чисто количественном отношении они не идут ни в какое сравнение с тем каталогом искусственных "запчастей", которые могут быть использованы при ремонте поврежденных "деталей" человеческого организма. От сустава большого пальца на ноге до черепной крышки — таков список деталей, которыми можно заменить кости, суставы, мышцы и т. п. Причем в некоторых случаях они функционируют лучше природных.

Бионические суставы и кости

В артропластике — пластической хирургии суставов — бионические заменители нашли широкое применение. Повреждения суставов и костей очень часто возникают в результате переломов, артрита, бурсита и целого ряда других деформирующих заболеваний.

Первые эксперименты с бионическими суставами в начале 50-х годов сводились к следующему: на верхнем конце бедренной кости, обработанном в форме шара, крепилась искусственная головка из нержавеющей стали, которая должна была входить в углубление тазобедренного сустава. Но добиться точного соответствия стального шара и углубления очень трудно, поэтому такие операции не всегда удавались. В тех же случаях, когда в тазовых костях также имелись изменения, этот метод помочь не мог. Зачастую стальная головка отламывалась от бедренной кости в результате износа.

Но в 1954 г. англичанину Джону Чарнли из Райтингтонского госпиталя в Уигане пришла в голову мысль изготовить цельный сустав из тефлона и стали, который позволил бы хирургу заменить всю систему сустава. Чарнли надеялся, что такой сустав придет на помощь не только тем больным, у кого сломана головка бедра, но и тем, у кого разрушена вертлюжная впадина. При полной замене тазобедренного сустава искусственным отпадает проблема точной подгонки: бионический сустав предназначен для замены обеих частей тазобедренного сустава, и его можно будет отлично подогнать перед вживлением в отсутствие больного.

Тазобедренный сустав Чарнли очень точно копировал природную модель, разве что головка, сделанная из нержавеющей стали, и впадина, изготовленная из тефлона, делались меньших размеров во избежание трения. Сустав приклеивался к костям акриловым клеем. Чарнли надеялся, что его детище прослужит не меньше десяти лет — эта цифра объяснялась тем, что больным, нуждающимся в искусственном суставе, обычно около 60 лет, они нуждаются в протезах, которые выдержали бы до конца их жизни, не требуя дополнительной операции. Однако стендовые испытания на прочность показали, что тефлон сможет выдержать от силы два-три года.

В 1962 г. один из техников Чарнли случайно обнаружил, что полиэтилен, из которого делают все на свете — от детских игрушек до корпусов автомобилей, — за три недели изнашивается меньше, чем тефлон за один день. В том же году Чарнли начал заменять тазобедренные суставы искусственными, сделанными из головок нержавеющей стали и полиэтиленовых вертлюжных впадин. С тех пор он осуществил свыше 5000 операций и настолько отшлифовал свою технику, что теперь может сделать в день шесть операций по замене сустава, причем каждая операция занимает около часа.

Бионические запасные части были разработаны и для других суставов. Для суставов рук, пальцев, большого пальца на ноге используется в основном силастик — силиконовый пластик. Для искусственных запястий, коленных чашечек, локтевых суставов, плеч и лодыжек применяются разные материалы: силастик, нержавеющая сталь, кобальт, хром, полиэтилен и другие сплавы и пластики.

Суставы часто трудно воспроизвести, потому что они несут разнообразные нагрузки. Голеностопный сустав, например, состоит из шести косточек, рассчитанных на то, чтобы сустав сгибался и растягивался одновременно в нескольких направлениях, давая нам возможность не только ходить и бегать по ровному месту, но и карабкаться в гору. Кроме того, голеностопный сустав призван уравновешивать положение ступни. Когда вы поднимаетесь по лестнице, он испытывает иные нагрузки, чем во время танцев или ходьбы по песку.

Приступая к изготовлению искусственного голеностопного сустава, Теодор Во, хирург-ортопед из Калифорнийского университета в Ирвайне, решил точно скопировать природную модель. Из сплава хрома и кобальта он сделал Т-образный штырь, который можно вмонтировать в главную из двух костей голени (tibia). Затем прикрепил поверх талуса (самой крупной кости голеностопного сустава) куполообразную пластину из этого же сплава таким образом, чтобы головка "Т" опиралась в перевернутом положении на купол и могла свободно сгибаться и двигаться в точном соответствии с движениями настоящего голеностопного сустава. Жидкость в теле служила естественной смазкой искусственного сустава.

Этот сустав весит всего 140 г, но он крепче природной лодыжки. Из 15 прооперированных Во больных большинство в первые же пять дней уже ходило на костылях, а примерно через месяц — без всякой опоры. Как говорит сам изобретатель, достоинство этой операции в том, что с ней может справиться любой опытный ортопед, и, таким образом, она может принести облегчение тысячам искалеченных людей.

Ученые не только разработали заменители почти всех суставов человека, но работают и над изготовлением искусственных костей. Первые имплантаты, сделанные из прочного и легкого металла титана, по-видимому, скоро уступят место стеклу и другим заменителям костной ткани. Ларри Хенч, директор Отделения биомедицинской инженерии Университета штата Флорида, назвал изготовленные им стеклянные кости "биостеклом" ("биоглас"). В основе этого материала лежит стекло, очень похожее на обычное оконное стекло, но приготовленное из чистого кварцевого песка. К стеклу добавляют окись натрия, кальций и фосфор, которые "обманывают" организм, как будто в него пересадили настоящую кость. А так как эти химические вещества постепенно выводятся из организма, естественная кость постепенно сливается с биостеклом. Как полагают, новый материал будет гораздо лучше титана, ибо он образует "каркас", на котором может расти нормальная кость. Этот каркас, как скелет внутри скелета, окажется заключенным в заново выросшую кость, и таким образом появятся новые тазобедренные суставы, руки, бедра и даже зубы, которые по силе и прочности будут намного превосходить природные.

Бионические сухожилия, связки и мышцы

Связки соединяют кости друг с другом, а сухожилия — длинные тяжи из прочных белковых волокон — соединяют мышцы и кости. И те и другие обладают слабой регенерационной способностью и не всегда заживают после разрыва или сильного растяжения. Когда рвется сухожилие, мышцы, соединенные с ним, могут сократиться и "втянуть" конец сухожилия, так что он теряется среди мышц ноги или руки и его приходится выуживать хирургическим путем.

В прошлом порванные сухожилия сшивали, но никогда нельзя было предвидеть, насколько удачно пройдет такая операция. Позднее была разработана методика, которая заключалась в том, что с сустава снималась связка, затем с ее помощью соединяли мышцы и кость, так что она занимала место сухожилия. Обычно операции по замене сухожилия связкой давали хорошие результаты, но их недостатком оказывалось ослабление сустава, с которого брали связку.

Уильям Харрисон младший, из госпиталя Маймонидеса в Нью-Йорке, сделал своего рода "опору" из дакрона, инертного синтетического материала, который в виде трубки надевается на разорванные концы связки или сухожилия и затем пришивается. При иммобилизации конечности дакроновая опора позволяет нарастать новому сегменту сухожилия или связки. По словам Харрисона, его метод в нескольких случаях дал отличные результаты. В самом деле, бионически укрепленное сухожилие или связка оказываются даже прочнее природных, так как в их ткань вживлен дакроновый каркас.

Проводились также эксперименты с искусственными скелетными мышцами, которые помогают нам удерживать вертикальное положение. Дж. Д. Хелмер, биоинженер из Лаборатории Бэттел Колумбус в штате Огайо, изобрел синтетическую мышцу из силиконовой резины (инертной, очень прочной резины) и дакрона. Эта конструкция напоминает "мышцу" в более ранней пневматически действующей бионической руке. Дакроновая оболочка, сплетенная как китайская головоломка, надевается на резиновую трубку и крепится к сухожилию. Когда сухожилие натягивается и действует на оболочку, последняя сдавливает резиновую трубку; когда оболочка натянута, резина за счет упругости отвечает давлением. Это действие сходно с действием мышцы: противодействие давлению, равное по силе и противоположное по направлению. Хелмер с сотрудниками вживлял такие мышцы овцам, и через четыре недели после операции животные уже ходили почти нормальным шагом.

Бионическое кровообращение: искусственные сердечные клапаны и кровезаменители

Нарушения системы кровообращения, включающей в себя сердце и многие километры артерий, вен и капилляров, по численности до сих пор занимают первое место среди причин смерти в США. Инфаркты, склероз артерий, инсульты, тромбы, закупоривающие сосуды, гипертония — наряду с другими болезнями системы кровообращения, причиной которых являются механические повреждения, стресс или болезни, — сокращают наш потенциальный срок жизни примерно на 20 лет. В этой области проводятся особенно интенсивные исследования, и некоторые достигнутые результаты обнадеживают.

В то время, когда большинство американцев носило орлон на себе — например, в виде свитеров, — один человек начал носить орлон в себе — в виде восстановленных артерий. Это произошло в 1953 г., когда д-р Чарльз Хафнагель из Джорджтаунского университета заменил порванную пулей бедренную артерию американского солдата — главную артерию, снабжающую кровью ногу, — орлоновым каркасом, вставив его в кровеносный сосуд. Позднее он вставил орлоновую трубочку и в изношенную аорту больного. Оба этих кровеносных сосуда подвергаются постоянному сжатию, давлению, скручиванию, и до появления орлона в распоряжении медиков не было материалов, которые делали бы эту операцию возможной.

Но использованный Хафнагелем орлон обладал существенным недостатком — он очень легко терял форму. Имплантат из мягкой орлоновой ткани в сосуде, несущем кровь к легким, может давать изломы, как садовый шланг, что приводит к быстрой и болезненной смерти. В 1955 г. Стерлингу Эдвардсу из Алабамского медицинского колледжа удалось придумать гофрированные синтетические артерии наподобие противогазных трубок. Эти гофрированные артерии, сейчас изготовляемые из дакрона и тефлона, одновременно сохраняют гибкость и не образуют изломов. Кроме того, артерии, выполненные из синтетических материалов, полностью инертны, так что отпадает угроза иммунной реакции.

Вживление синтетических гофрированных артерий из дакрона и тефлона теперь стало признанным методом лечения аневризмы аорты — неравномерного расширения этого крупнейшего кровеносного сосуда в результате ослабления мускулатуры его стенок. Аневризму можно исправить путем замены бионической артерией, причем с очень высокой вероятностью успеха. По свидетельству знаменитого кардиолога Майкла Ди Бейки из Бэйлорского медицинского колледжа в Хьюстоне, лично выполнившего свыше 2000 подобных операций, примерно 80 % его больных, перенесших операцию по поводу аневризмы аорты, по меньшей мере пять лет не знают осложнений.

Другие артерии, поврежденные в результате аневризмы или суженные в результате склеротических процессов, также могут быть заменены искусственными артериями из дакрона или тефлона. Ди Бейки, например, уже вставил более 5200 искусственных артерий. И процент удачных операций при замене бедренной артерии даже выше, чем при замене аорты. В наше время в распоряжении хирургов имеются бионические заменители почти для любой артерии или вены человека.

С появлением новых материалов стала реальностью и замена сердечных клапанов. Эти клапаны открываются и закрываются 100 000 раз в сутки и приходится только удивляться, как долго они выдерживают эту непрерывную пульсацию. Однако из-за ревматических поражений или вследствие возрастных изменений клапаны перестают достаточно плотно смыкаться, и сердце перекачивает кровь, все меньше насыщенную кислородом, что нарушает все остальные функции организма.

Рис. 4. Шариковый сердечный клапан Старра-Эдвардса . Стрелками показано направление тока крови. Кровь, устремляющаяся в противоположном направлении, закрывает клапан

Еще два десятилетия назад корректирующая хирургия сердца казалась фантастикой. В 1883 г. знаменитый американский хирург Биллрот якобы говорил: "Пусть ни один из вас, если он надеется сохранить уважение своих коллег-врачей, не дерзнет оперировать на сердце человека". С тех пор проведены сотни тысяч операций на сердечных клапанах. Достаточно сказать, что только два хьюстонских врача, Дентон Кули и Майкл Ди Бейки, вживили в общей сложности 7500 бионических клапанов.

Первый искусственный сердечный клапан, разработанный Альбертом Старром, хирургом-кардиологом из Медицинской школы Университета штата Орегон в Портленде, и Лоуэллом Эдвардсом, конструктором космических ракет, состоял из трех частей: основания, чашки и шарика (рис. 4). Основание представляло собой небольшую сетку в виде корзинки, выполненную из титана. Эта корзиночка, закругленная с одной стороны и открытая с другой, напоминала по форме шляпу-котелок и была сплетена из трехжильной титановой проволоки. Внутри этого похожего на шляпу основания находился маленький шарик из тефлона. Отверстие корзинки делалось с таким расчетом, чтобы шарик мог свободно двигаться, но не проходил в него полностью. Соприкасаясь с покрытым дакроном краем титановой сеточки, шарик плотно прилегал к нему и функционировал точна так же, как природный клапан.

10 марта 1960 г. группа хирургов из Медицинской школы Гарвардского университета впервые произвела замену сердечного клапана клапаном Старра — Эдвардса. Удалив поврежденный клапан больного, они заменили его новым и закрепили на сердце дакроновыми швами. Работа бионического клапана не отличалась от работы настоящего. Когда сердце наполнялось кровью, клапан закрывал отверстие в основании сеточки. Когда же сердце сокращалось, давление в обратном направлении отбрасывало шарик к закругленному краю, и кровь свободно вытекала.

В наши дни эта операция стала более или менее привычной. Хафнагель разработал клапан другого типа, где вместо шарика используется пластиковый диск.

Одно из самых поразительных и далеко идущих открытий, относящихся к системе кровообращения и всему организму в целом, — это создание синтетической крови, в которой остро нуждается медицина, так как сегодня природную кровь не всегда удается получить по первому требованию. Между тем в тяжелых случаях требуется переливание очень больших количеств крови. Возникают трудности с кровью редких групп, которую невозможно раздобыть в нужных количествах, и, кроме того, всегда имеется вероятность, что какая-нибудь необнаруженная болезнь донора перейдет к больному вместе с кровью. Консервированная кровь хранится не более трех недель, и в больницах нередко приходится выливать кровь, которая потеряла годность.

В 1966 г. д-р Лиленд Кларк младший из Медицинского колледжа Университета штата Цинциннати сообщил о получении им искусственной крови на основе фторуглеродных эмульсий, тех самых которые используются при изготовлении аэрозолей. Фторуглероды химически инертны; в нормальных условиях они не вступают в реакцию с другими химическими веществами, а так как они не содержат белка, то не вызывают иммунной реакции в организме. К тому же они могут служить растворителем для любых веществ, никак не влияя на их свойства. В серии опытов на собаках, кошках и мышах Кларк произвел замену крови животных фторуглеродами и отметил, что искусственная кровь лучше удерживает молекулы кислорода, чем природная. Для того чтобы бионическая кровь более походила на настоящую, в нее можно ввести взятые из настоящей крови или синтезированные частицы (клетки), факторы свертывания крови и специфические белки.

Для больных, страдающих такими болезнями, как апластическая анемия или лейкоз, и нуждающихся в частых и обильных переливаниях крови, фторуглеродная кровь может оказаться незаменимой. По словам Кларка, "можно не опасаться гепатита или других инфекций, так как фторуглеродная кровь стерильна и к тому же не вызывает аллергических реакций". Кроме того, "хранить ее можно бесконечно долго, по крайней мере по сравнению с настоящей кровью, которая со временем теряет способность связывать кислород".

Бионическая эрекция

Инженеры-биомедики применили свою изобретательность и в тех областях, которые не относятся к продолжительности жизни в прямом смысле. Импотенция, например, будучи в большинстве случаев связанной с психосоматическими причинами, может проистекать и из органических дисфункций или повреждений.

Нормальная эрекция происходит, когда пещеристые тела (corpus cavernosum) — полости внутри полового члена — заполняются кровью. Сложная система клапанов в этих пещеристых телах позволяет крови проникнуть в полости, но препятствует ее оттоку. В результате член увеличивается в объеме за счет возрастающего давления крови внутри цилиндрических полостей. После того как эрекция достигнута, клапаны регулируют кровообращение таким образом, что она сохраняется на определенное время. Повреждение клапанов, полостей или уменьшение кровоснабжения этой области приводит к тому, что эрекция не возникает.

Уролог Брентли Скотт из Бэйлорского медицинского колледжа в Хьюстоне в сотрудничестве с неврологом Уильямом Брэдли и инженером-биомедиком Джеральдом Тиммом из клиники Университета штата Миннесота попытались разрешить эту проблему, сконструировав полностью вживляемое бионическое устройство, осуществляющее эрекцию. Это устройство, вживленное уже 46 мужчинам, работает вполне успешно. Как объясняет Брэдли, "это не просто подобие настоящей эрекции — это настоящая эрекцияз увеличение в объеме, расширение… Изумительный результат".

Устройство, сделанное из силиконовой резины(представляет собой два надувных цилиндрика, которые хирургическим путем помещаются внутрь пещеристых тел вдоль полового члена. К цилиндрикам подведен тоненький шланг, соединяющий их с не" большим шарообразным насосом, помещаемым в мошонку. Рядом с насосом находится резервуар со стерильной жидкостью. Эрекция достигается при сжатии насоса, который гонит жидкость из резервуара в цилиндрики внутри полового члена. Бионическая эрекция поддерживается давлением жидкости внутри цилиндров. Внутреннее давление сохраняется при помощи клапана до тех пор, пока не снимается легким повторным сжатием насоса. Устройство позволяет удерживать эрекцию неограниченное время, но при этом сохраняется полная чувствительность и нормальное извержение семени.

Возможно также, что с помощью бионики врачи смогут восстанавливать нормальные функции после вазэктомии. Эрих Брюшке и другие ученые из Института технологических исследований штата Иллинойс в Чикаго сумели использовать силиконовую резину для соединения разъединенных концов семявыводящих протоков и восстановили половую функцию у собак после вазэктомии. Через 26 месяцев после операции у собак происходило нормальное семяизвержение.

Можно было бы назвать еще несколько видов бионических заменителей и синтетических устройств, и этот список растет с каждым годом. Нескольким больным вставлена искусственная трахея из силастика. Шимпанзе произведено вживление межпозвоночных дисков из дакрона и силикона. Проведена успешная пересадка искусственной кожи у морских свинок. Существуют заменители черепных костей, искусственные челюсти и евстахиевы трубы, изготовленные из пластика и латексной резины гортани и даже сфинктер мочеиспускательного канала из силиконовой резины. Но, пожалуй, самым удивительным достижением бионики являются бионические устройства, заменяющие органы человека.

Искусственные органы: человек, собранный из механизмов

В наши дни машины больше не воют и не лязгают — они негромко гудят или работают бесшумно. К таким машинам относятся и бионические устройства, заменяющие почки, поджелудочную железу, печень и сердце.

Бионические почки

Кровь в организме нуждается в постоянной фильтрации, иначе она не сможет поддерживать жизненные процессы. Токсины и шлаки, образующиеся в процессе обмена веществ и постоянного превращения пищевых продуктов в энергию, отравили бы нас в считанные дни, если бы не почечные фильтры. Вот почему нарушение работы почек стоит на одном из первых мест среди болезней-убийц. Почки устроены таким образом, что токсические вещества и шлаки удаляются из организма прежде всего путем фильтрации крови в многокилометровых разветвлениях капилляров, где она проходит через мембраны, отделяющие низкомолекулярные продукты распада от белков крови и других жизненно важных молекул.

Виллем Кольфф, молодой голландский врач, во время второй мировой войны начал исследования с целью создания искусственной почки, которая могла бы заменить больные почки. Работая по ночам, чтобы не попасть в руки фашистских оккупантов (ибо он приступил к исследованиям в надежде помочь раненым голландским партизанам), Кольфф начал экспериментировать с разнообразными конструкциями искусственных почек. Пользуясь только тем оборудованием, которое нацисты считали необходимым для практикующего врача, он сконструировал аппарат, напоминающий барабан, где кровь могла циркулировать над искусственной мембраной большой площади. У Кольффа не было под рукой современных высококачественных пластических и фильтрующих материалов для такой мембраны, и он пользовался в качестве фильтров целлофановой оберткой для колбас. И хотя его аппарат (напоминающий маленькую стиральную машину, где барабаны вращались в растворе глюкозы, чтобы токсины "вымывались" из крови) был очень примитивен, он действовал.

Громоздкая конструкция Кольффа для диализа (по-гречески "диализ" значит "растворение") в наши дни превратилась в аппаратик не больше обычного телефона. "Сахарный раствор", извлекающий токсины из крови, усовершенствован — это жидкость, по своему составу близкая к крови. Современные портативные искусственные почки можно использовать в домашних условиях. Подсчитано, что не менее 100 000 человек во всем мире пользовались заменяющим почки аппаратом.

Кольфф, работающий ныне в Институте биомедицинской инженерии при Университете штата Юта, полагает, что путем микроминиатюризации в организм человека может быть имплантировано устройство для электродиализа. Собственно говоря, он уже создал искусственную почку весом чуть больше 1 кг, которую можно носить как рюкзачок. Этот прибор способен отфильтровать все ядовитые вещества и шлаки из крови при пользовании им всего в течение двух часов в сутки.

Бионическая поджелудочная железа

Инсулин регулирует энергетические процессы внутри клеток. Поджелудочная железа среди прочего снабжает организм инсулином, и это позволяет накапливать сахар в виде жира для того, чтобы впоследствии он мог быть переработан с выделением энергии. Если этот механизм нарушается, весь процесс обмена веществ разлаживается. Клетки выделяют сахар в кровь, расщепляют собственные белки в ядовитые продукты распада и отравляют организм избытком токсичных веществ. При нехватке в организме инсулина накопление токсинов в крови приводит к разрушению клеток глаза, мозга, кровеносных сосудов. Недостаток инсулина вызывает нарушение водно-солевого баланса в организме, что может стать причиной угрожающе низкого кровяного давления, препятствующего кровоснабжению органов и повреждающего мозг.

Диабет, развивающийся вследствие недостатка инсулина в крови, входит в число десяти главных причин смертности населения США. Без специального лечения больной диабетом может прожить не более 20 лет. Ежедневно получая инсулин — перорально или в виде инъекций, — он может прожить 50 лет. Но инсулинотерапия не в состоянии изменять количество инсулина в соответствии с сиюминутными потребностями организма: зачастую его оказывается либо слишком много, либо слишком мало. Из-за этого у больного диабетом, даже получающего инсулин, всегда нарушен обмен веществ, и его организм постоянно подвергается опасности.

В настоящее время несколько групп исследователей работают над созданием бионической поджелудочной железы, которая могла бы выделять инсулин только в нужное время и в требуемых количествах. Уильям Чик из Джослинского диабетического фонда в Бостоне работает над экспериментальной моделью вживляемой поджелудочной железы, в которой используются ткани здоровой поджелудочной железы человека или животного. Помещая ткань в сеть искусственных капилляров, исследователь заставляет кровь циркулировать через них. Капилляры сконструированы таким образом, что через их стенки могут проникать только инсулин и другие небольшие молекулы, но для молекул белков и клеток крови они непроницаемы. А так как это надежно изолирует ткань поджелудочной железы от кровотока в организме, то исключается и опасность реакции отторжения, поэтому в качестве источника инсулина могут быть использованы ткани поджелудочной железы крыс или других животных. Инсулин, вырабатываемый в организме человека и многих животных, в том числе коров, чей инсулин используется при лечении диабета, сходен по составу и действует одинаково как у людей, так и у животных. Однако, прежде чем испытать изобретение Чика на людях, необходимо найти материал для капилляров, который не разрушал бы кровь больного.

Поджелудочная железа Чика не совсем искусственная, т. е. она не является механизмом в строгом смысле, поскольку в ней используются ткани настоящей поджелудочной железы, а непосредственно механизм используется лишь для определения потребности организма в инсулине и выделения соответствующего его количества из резервуара. Первый же искусственный механизм был сконструирован в 1962 г. Арнольдом Кадишем из Фонда динамики метаболизма в Лос-Анджелесе. Кадиш преобразовал аппарат, которым определяют уровень сахара в пробах крови, в прибор, способный производить эти измерения и выделять в кровь инсулин или сахар в зависимости от потребностей организма. Этот аппарат, несмотря на свою громоздкость и замедленную реакцию, доказал возможность создания полностью искусственной поджелудочной железы.

Одна из наиболее современных и усовершенствованных моделей бионической поджелудочной железы была сконструирована Дж. Стюартом Селднером из Джослина, Ку Вейчаном и Солом Айзенбергом из Уиттекеровского корпоративного центра космических исследований. Она состоит из чувствительного к глюкозе диска, вживленного в тело, и датчика, показывающего больному содержание сахара в крови, т. е. соответственно необходимое количество инсулина. (Между уровнем сахара и уровнем инсулина в крови существует обратная зависимость.) Измеритель глюкозы величиной с небольшую монету многократно испытывался на кроликах и обезьянах в течение длительных сроков — до 117 дней; его способность точно измерять динамику концентрации сахара в крови уже доказана.

Другой измеритель размером с мелкую монетку, сконструированный Сэмюэлем Бессменом из Медицинской школы Университета Южной Калифорнии, прошел испытания на людях. Когда его удастся скомбинировать с микронасосом, регулирующим количество инсулина, который также спроектирован Бессменом, мы получим полностью искусственную поджелудочную железу. Как полагает сам Бессмен, сейчас нет никаких технических трудностей, которые помешали бы созданию искусственной поджелудочной железы, необходимы лишь испытания на животных, прежде чем использовать ее для людей.

Бионическая печень

Более 25 больных в Англии, страдавших острой недостаточностью печени, испробовали на себе прибор, напоминающий прибор для гемодиализа, который сконструировал д-р Ричард Уиллсон из Медицинской школы Вашингтонского университета. По мнению Уиллсона, прибор может быть изготовлен в портативном варианте. Другие ученые разрабатывают имплантируемую искусственную печень.

Бионические легкие

Большая часть легких состоит из мембран, так что возникает максимальная поверхность, на которой происходит газообмен. Омывая мембраны, кровь теряет углекислый газ и другие газообразные продукты обмена, одновременно насыщаясь кислородом. В 1963 г. Джон Гиббон из Джефферсонского медицинского колледжа штата Виргиния изобрел машину сердце — легкие, которая одновременно прогоняет кровь через сосуды тела и обогащает ее кислородом; это позволяет хирургам на время операций на сердце освободить от крови кровеносные сосуды, соединяющие сердце и легкие. С появлением этого аппарата началась новая эра операций на открытом сердце. До этого единственный способ, позволяющий оперировать на сердце, заключался в том, что врачи охлаждали тело больного, пропуская кровь через змеевик, до 24 °C — прерывание тока крови на короткое время не приносило особого вреда больному. Но в этом случае на саму операцию оставалось не более получаса, так как возникала опасность повреждения мозга от переохлаждения или недостатка кислорода.

Вместе с тем разрабатывались бионические легкие как таковые. В ходе экспериментов выяснилось, что "переносной мембранный оксигенатор", изобретенный Конверсом Пирсом (госпиталь для ветеранов в Бронксе, Нью-Йорк) и успешно испытанный на собаках, можно облегчить до 4–5 кг, и его можно будет носить как рюкзак. Льюис Хэд и его коллеги из Северо-Западного мемориального госпиталя в Чикаго создали искусственное легкое из силастиковых трубочек, помещенных в мягкий пластиковый контейнер; его имплантировали собакам и овцам.

Широкое испытание искусственных легких, начатое в апреле 1975 г., финансируется Национальным институтом сердца и легких. Опыты осуществляются в девяти госпиталях и университетских исследовательских центрах США. До сих пор лечению подверглось свыше 150 человек с острой респираторной недостаточностью. Некоторые из них были подключены к искусственному легкому на срок до трех недель. В апреле 1975 г. журнал "Сайнтифик америкэн" писал: "Искусственное легкое скоро может пополнить список надежных искусственных… заменителей для тех органов человека, которые плохо работают".

Бионическое сердце

Когда с возрастом или в результате болезни сокращения сердца делаются аритмичными или замедленными по сравнению с нормой (около 70 ударов в минуту), происходит недостаточное снабжение кровью всего организма. В прошлом это состояние пытались корректировать введением гормональных стимуляторов непосредственно в сердце, но лечение часто запаздывало, и больной, страдавший сердечной аритмией, умирал, не дождавшись помощи.

Замысел прибора, который посылал бы электрические импульсы в область предсердия и таким образом регулировал ритм сокращений, впервые зародился у д-ра А. С. Химена, директора Уиткинского фонда по профилактике сердечных болезней, еще в 1928 г. Однако прошел 31 год, прежде чем было произведено первое вживление водителя сердечного ритма (кардиостимулятора). Такой разрыв во времени объяснялся несовершенством технологии. Многие материалы, использованные в кардиостимуляторе — эпоксидные смолы, силастик, нержавеющая сталь, титан, — стали доступными только в 50-х годах, когда начались работы по программе космических исследований. Сказанное относится и к созданию ртутной батарейки, которая способна давать ток по крайней мере в течение трех лет. Электронный таймер, необходимый для посылки электрических импульсов к сердцу, появился только в начале 50-х годов, после того как изобретенный в 1948 г. транзистор позволил его миниатюризовать. Первый кардиостимулятор, весивший всего 140 г, был имплантирован больному в 1959 г. д-ром Сэмюэлем Хантером из Медицинской школы Миннесотского университета.

Регуляторы ритма сердечных сокращений имеют свои недостатки. Их работе, например, мешают микроволновые печи. Случалось, что некоторые новейшие модели, активирующие сердце посредством направленных в имплантированный приемник радиоволн, даже заставляли срабатывать электронную защиту от воров, которой оборудованы склады. Известны случаи, когда батарейки садились, — к счастью, почти всегда без трагического исхода.

Недавно был изобретен аккумулятор, который можно подзаряжать непосредственно в теле больного. Это избавляет его от необходимости операции для замены использованной батарейки. Новейшие достижения в области атомной энергии позволили хирургам вживлять в грудную полость больного стимулятор, работающий на радиоактивном плутонии. Плутоний, заключенный в покрытую инертным пластиком свинцовую оболочку, может давать энергию в течение десяти и более лет.

Рис. 5. Искусственное сердце Кольффа . На рисунке показаны основные принципы конструкции большинства моделей искусственного сердца, предназначенных для обеспечения кровообращения в организме. Предложенный Кольффом вариант работает на сжатом воздухе, который проходит по трубкам, выходящим из полости тела, к компрессорам или воздушным насосам. Другие разновидности искусственного сердца приводятся в действие электрическим током или маленьким ядерным реактором

Но, несмотря на огромные успехи хирургии и бионики, от инфарктов все еще погибает свыше 500 000 американцев в год. Совершенно ясно, что необходимо создать бионическое сердце, которое полностью взяло бы на себя функции больного органа. Не удивительно, что в разных медицинских центрах США ученые наперебой стараются изобрести такой аппарат. Группы ученых, такие, как возглавляемая Ди Бейки в Бэйлорском медицинском колледже, Кольффом в Университете штата Юта, Кули в Техасском институте сердца в Хьюстоне и Тецузо Акуцу в Университете штата Миссисипи, ежегодно публикуют тома новых разработок.

К настоящему времени ученые во всем мире с тем или иным успехом испытали более полусотни разных прототипов бионического сердца. Создатели аппарата сталкиваются с двумя основными трудностями.

Во-первых, нужен насос, который при вживлении обеспечил бы бесперебойное кровообращение во всем теле без ущерба для крови. Во-вторых, необходим миниатюрный источник энергии. Конечно, с тех пор как в 1957 г. Акуцу и Кольфф пересадили первое искусственное сердце собаке, достигнуты значительные успехи. Одним из показателей прогресса является время выживания животных с вживленным искусственным сердцем: если первая собака прожила всего полтора часа, то уже в 1974 г. теленок жил 28 дней.

Теленку вживили сконструированное Кольффом и его сотрудниками искусственное сердце, которое получало энергию от радиоактивного плутония-238. В этой модели, весившей около 1,5 кг, плутоний вырабатывал электроэнергию, которая снабжала поршневой двигатель Стирлинга. Двигатель работал по замкнутому циклу, поэтому отходов в виде шлака не было. К нему были подсоединены гибкие передачи; последние в свою очередь приводили в движение насос. Все устройство было покрыто силиконовой резиной, а радиоактивный источник заэкранирован свинцом. После гибели теленка через 28 дней с момента операции выяснилось, что причиной смерти послужил блокировавший насос тромб, который, по-видимому, образовался из-за повреждения форменных элементов крови.

Несмотря на сложность конструкции сердца на основе ядерного реактора, д-р Ли Смит из группы Кольффа в 1975 г. заявил, что, по его прогнозам, такой аппарат будет через два-три года вживляться людям, причем операция будет настолько простой, что больной сможет встать через день-другой, а энергии для обеспечения нормальной работы сердца хватит на десять лет.

Другая группа исследователей, возглавляемая Ди Бейки, разработала конструкцию, состоящую из двух дакроновых мешков, помещенных один в другой. Внутренний мешок снабжен клапанами Старра — Эдвардса, после его заполнения кровью наружный мешок заполняется воздухом. Давление воздуха на внутренний мешок выжимает кровь из "сердца" в кровеносные сосуды. Теоретически такой тип насоса-груши не должен разрушительно влиять на кровь, вот почему этот принцип конструкции в высшей степени желателен. Однако группа Ди Бейки до сих пор не нашла вживляемого источника энергии для бионического сердца: все предварительные опыты на животных проходили с применением сложной системы наружных воздушных насосов, соединенных с сердцем посредством трубок. Помимо прочих неудобств, такая конструкция значительно увеличивает опасность проникновения инфекций по трубкам, соединяющим насос с телом.

Третий аппарат, сулящий успех, — так называемое "небьющееся" сердце, разрабатываемое группой исследователей фирмы "Био-Медик" в Миннетонке (штат Миннесота). Этот аппарат не проталкивает кровь толчками, а гонит ее непрерывным потоком и тем самым причиняет меньший вред крови, чем другие типы искусственных сердец. Но пройдет много времени, прежде чем его начнут испытывать на людях — до сих пор его не испытывали даже на экспериментальных животных.

Никто не сможет с уверенностью сказать, сколько времени понадобится на создание имплантируемого сердца, неизвестно даже, будет ли это когда-либо возможно. Кардиостимулятор появился на свет через 31 год после того, как возникла сама идея его создания, а машина сердце — легкие — через 20 лет. Бионическое сердце намного сложнее обоих этих аппаратов, но все же менее чем за два десятилетия после появления первой модели достигнуты значительные успехи. Как говорил Дж. С. Нормен из Техасского кардиологического института в 1974 г., "с каждым годом мы медленно, но верно продвигаемся вперед, и я хочу подчеркнуть, что область мы избрали самую трудную, решив создать полностью имплантируемое сердце. Однако, невзирая на трудности, нас ожидает светлое будущее".

Создание искусственных заменителей поврежденных органов — одна из самых быстрорастущих областей современной медицины. Ученые всего мира усиленно изыскивают способы миниатюризации отдельных компонентов, позволяющие сконструировать полностью вживляемые органы. Кроме тех, о которых мы уже рассказали, есть еще "искусственные кишки", позволяющие вводить питательные вещества людям, из-за болезни или операции потерявшим способность к кишечному пищеварению; вживляемые насосы и капсулы для тех, кто нуждается в непрерывном введении лекарства, и множество разновидностей кардиологических вспомогательных приборов, которых мы не касались. Мы не хотим вводить читателя в заблуждение, утверждая, что уже созданы запасные части для любого органа или части тела; во многих областях предстоит еще немало исследований. Но работа двигается вперед, и можно представить себе, что когда-нибудь удастся создать организм, почти полностью состоящий из бионических органов. Но уж, конечно, скажете вы, это не относится к мозгу.

Бионический мозг

Неприятные, трудные и опасные виды работ будут сопровождать человека всегда: работа с радиоактивными веществами, в подводных шахтах, в космическом пространстве и т. п. А что, если для этих целей мы сумеем управлять целым бионическим организмом — собственно говоря, роботом — на расстоянии, посылая ему "мысленные приказы", родившиеся в нашем мозгу?

Эта, казалось бы, фантастическая идея не так уж и фантастична. С 1973 г. агентство новейших исследований, работающее по заданию военных, ассигновало 1 млн. долларов на программу, изучающую возможность подключения компьютера к электроэнцефалографическим сигналам человека, иными словами, к его мозгу. Задачей этих читающих мысли машин является улавливание усталости, рассеянности, неуверенности. Разумеется, при этом военные преследовали прежде всего свои цели: предупредить пилота, что он отвлекается, дать возможность стрелку целиться и стрелять рефлекторно, не пользуясь моторной системой организма, позволить расшифровщикам аэрофотографий, сделанных с целью разведки, установить, когда их "фотографическая память" (которой теоретически обладает каждый из нас) находится в состоянии наиболее полной мобилизации.

Программа осуществляется целым рядом ученых. Главной базой является Университет штата Иллинойс, но исследования проводят также Массачусетский технологический институт, Южнокалифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Рочестерский университет, Станфордский университет и Станфордский научно-исследовательский институт. Так, нейрофизиолог и электроинженер Лоуренс Пиннео из Станфордского научно-исследовательского института сконструировал "шлем для чтения мыслей", который улавливает электроэнцефалографические сигналы, соответствующие определенной мысли, и через компьютер анализирует возникающие при этом токи, в том числе и то, как человек воспринимает цвет и форму и насколько он внимателен. На головах людей, участвовавших в опытах Пиннео, крепились электроды, и люди могли двигать из стороны в сторону точки на телевизионном экране, подключенном к компьютеру; им даже удавалось мысленно провести точку через лабиринт. Впрочем, электроды нужны не всегда. Ученые Массачусетского технологического института исследуют магнитные излучения мозга, которые могут быть зафиксированы так же, как электро-энцефалографические сигналы. Возможно, что такие магнитные волны будет улавливать прибор, помещенный около головы.

Сейчас производятся обширные исследования мозга. Ученые, в частности, изучают его с целью создания более совершенных компьютеров, копирующих функции мозга. Трудно предсказать, к чему приведут все эти пути науки. Как утверждает один ученый, "каждое технологическое пророчество оказывалось ложным. Кто знает, что принесет новый век?" Добавим, что то же можно сказать о ближайших десяти годах.

Что, если перед лицом неминуемой смерти мы могли бы передать все наши мысли, чувства и знания компьютеру — перенести всю нашу личность на бионический мозг, который сохранит ее до тех пор, пока ее не смогут передать другому человеческому телу? Как мы увидим из следующей главы, может оказаться, что это будет наше собственное тело.