Часть III. Биофизика ультразвуковых эффектов и их применение

ГЛАВА 12. Биофизика ультразвуковых эффектов

Г. тер Хаар

Введение

Биофизика ультразвуковых эффектов как научное направление имеет дело с поиском логических и количественных объяснений ряда экспериментов, в которых было найдено, что облучение ультразвуком приводит к специфическим изменениям в живых клетках и тканях. По-видимому, первым, кто сделал такого рода наблюдения, был Ланжевен, который в 1917 г., испытывая разработанные им мощные гидроакустические излучатели, предназначенные для обнаружения подводных лодок, заметил повреждения у рыб, попавших в ультразвуковой пучок. Его наблюдения стимулировали замечательные биофизические исследования Вуда и Лумиса [139], которые, в свою очередь, привели к появлению множества работ большого числа авторов. К сожалению, во многих из этих работ нет серьезных попыток научно объяснить полученные эффекты.

В настоящей главе рассмотрены физические явления, которые действительно или предположительно ответственны за различные виды связей между воздействием ультразвука и биологическими эффектами.

В широком плане такие связи можно разделить на тепловые и нетепловые. В эмпирическом подходе такое разделение могло бы означать наличие или отсутствие преимущественной обусловленности наблюдаемых изменений повышением температуры при поглощении энергии ультразвука. С физически более удовлетворительной точки зрения, однако, именно само поглощение акустической энергии обусловлено взаимодействием ультразвука с биологическими тканями на молекулярном или макромолекулярном уровне. Если молекулы относительно малы и среда текучая, то энергия колебательных или вращательных движений, вызванных взаимодействием

с акустической волной, не приводит к специфическим химическим или биологическим изменениям и быстро превращается в тепло. Такой процесс поглощения может быть охарактеризован как тепловой. В средах менее текучих или содержащих гигантские молекулы, или обладающих и той и другой характеристикой вместе, существует возможность нетепловых специфических эффектов. Количественную оценку этой ситуации можно получить, сравнивая некоторые параметры, характеризующие движение молекул, например их скорость, при акустических и тепловых колебаниях [11].

В плоской бегущей волне в акустическом поле скорость частиц среды определяется из выражения (1.177):

например, для интенсивности в воде это составляет см/с.

Средняя же скорость частиц при тепловых колебаниях определяется из классического выражения как

где Т — абсолютная температура, к — постоянная Больцмана, масса частиц.

Здесь скорость частиц зависит от их массы и для молекул воды и ДНК с молекулярной массой 107 составляет и

52 см/с соответственно при

Возможно, было бы интересно исследовать эту ситуацию, используя более сложный анализ, но и этот упрощенный подход подтверждает, что нетепловые механизмы в изложенном выше контексте если и возникают, то в системах, включающих комплексы больших молекул.

Сказанное выше касалось линейных систем, т. е. таких сред, где предполагается линейная зависимость деформации от приложенного акустического напряжения. Существуют и другие механизмы, для которых определяющим фактором являются нелинейные эффекты, в частности такие, где колебательная акустическая энергия трансформируется («выпрямляется») в энергию неколебательной природы. В строгом смысле генерация тепла вследствие поглощения ультразвука тоже пример подобной ситуации, но есть и другие примеры нетепловой природы. Важнейший из них — кавитация, которая будет детально рассмотрена в этой главе. Будет также показано, что акустическая энергия может трансформироваться в энергию поля сдвиговых напряжений стационарного течения жидкости или в энергию компонентов химических реакций.