Образование таких микроскопических разрывов называют кавитацией. Чем больше мощность ультразвука, тем интенсивнее происходит кавитация. Возникший пузырек существует очень недолго, затем захлопывается и исчезает.
При захлопывании кавитационных пузырьков возникают огромные давления, измеряемые тысячами атмосфер, которые, несомненно, оказывают большое влияние на биологические действия ультразвука.
Роль кавитации ясно видна на таком примере: стоило в некоторых случаях повысить внешнее давление и тем прекратить возникновение кавитационных пузырьков, как ультразвук уже не вызывал гибели клеток.
Большой интерес представляет уничтожение различных болезнетворных бактерий под действием мощного ультразвука. Выделенные из больного организма и помещенные в сосуд с питательной средой бактерии при озвучивании быстро погибают; погибают даже такие стойкие бактерии, какими являются туберкулезные палочки. В течение нескольких минут полностью разрушается яд дифтерийных бактерий.
Исследуя озвученные препараты различных бактерий с помощью электронного микроскопа, позволяющего получать увеличение в десятки тысяч раз, удалось выяснить, какие именно изменения вызывают в них ультразвуковые колебания.
На рис. II, а и б воспроизведены фотографии туберкулезных бацилл. На рисунке а мы видим неповрежденную туберкулезную палочку, увеличенную в 30 100 раз. На рисунке б видно разрушение туберкулезных палочек под действием ультразвука. Следует заметить, что достигнуть полного уничтожения всех без исключения туберкулезных палочек даже при длительном озвучивании не удалось.
На рис. II, ж и з приведены фотографии одного из видов бактерий при увеличении в 10 850 раз. Рисунок ж — микроорганизмы до озвучивания, рисунок з — после десятиминутного озвучивания ультразвуком с частотою 700 тысяч колебаний в секунду. Как можно убедиться, в результате озвучивания бактерии потеряли четкие очертания и приобрели как бы «атмосферу» с неправильными и расплывчатыми границами.
Разрушительное действие ультразвуков распространяется также и на различные вирусы.
На рис. II, в и г приведены фотографии вируса кошачьей пневмонии, увеличенные в 13 570 раз, до и после озвучивания.
После озвучивания вирус уже не вызывает заболевания.
На рис. II, д и е показаны изменения, претерпеваемые одним из опаснейших врагов человека — гриппозным вирусом — под действием ультразвуковых колебаний. Хотя здесь изменения не так ярко выражены, все-таки после часового озвучивания активность вируса уменьшается в тысячи раз.
Действуя ультразвуком в течение всего 30 секунд, удалось ослабить вирус сыпного тифа.
Способность ультразвука убивать микроорганизмы вызвала попытки использовать его для стерилизации воды, молока и различных пищевых продуктов.
Возможно, что уничтожением под действием ультразвука микроорганизмов, вызывающих ферментативные процессы в веществе, объясняется своеобразное действие озвучивания на пчелиный мед. Всем известно, что мед при стоянии засахаривается, или, как скажут физики, кристаллизуется. При засахаривании вкусовые качества меда ухудшаются. Было обнаружено, что достаточно подвергнуть мед всего 30-минутному озвучиванию, как он приобретает способность не засахариваться в течение месяца, а вкусовые качества его повышаются.
Но, пожалуй, наиболее интересны попытки применить ультразвуки для выделения из микроорганизмов различных важных биологических веществ: токсинов, ферментов и т. п. В настоящее время с помощью ультразвуков уже удалось приготовить различные сыворотки.
Озвучивая бактерии коклюша, ученые выделили яд, вырабатываемый ими, так называемый эндотоксин. Если выдержать полученный эндотоксин на холоде, то он теряет токсические свойства, делается безвредным, но сохраняет способность сообщать животному иммунитет, то есть невосприимчивость к заболеванию. Преимущества ультразвукового получения токсинов, ферментов и других биологических веществ заключаются в том, что за тот короткий промежуток времени, в который происходит разрушение клетки, содержимое ее не успевает химически измениться и в неизмененном виде поступает в окружающую среду.
Несомненно, что в ближайшем будущем ультразвуки будут широко применяться для приготовления различных биологических препаратов.
Перед нами сосуд с водой, в котором весело плавают маленькие юркие рыбки.
Но вдруг что-то произошло.
Почему движения рыбок потеряли былую уверенность, почему они беспомощно всплывают животами кверху, тщетно пытаясь принять нормальное положение?
Причиной этого являются ультразвуковые колебания, возникшие в воде. Достаточно выключить источник ультразвука, и рыбки снова будут весело плавать, как будто с ними ничего не приключилось. Но стоит усилить мощность ультразвука, и рыбки будут убиты.
Сходно действует ультразвук и на головастиков. Правда, в отличие от рыбок, которые при озвучивании все же пытаются принять естественное положение, головастики совершенно теряют способность к движению.
Наряду с разрушением живых организмов ультразвуки могут в некоторых случаях стимулировать жизненные процессы. Так, например, озвучивание семян гороха приводит к бурному их прорастанию. Очень интересные результаты наблюдались при озвучивании семян сахарной свеклы. Семена замачивались в воде, после чего некоторая часть их оставлялась для контроля, а остальные озвучивались. Контрольные и озвученные семена одновременно высаживались в почву типа глинистого чернозема. Как показало наблюдение, озвученные семена росли быстрее контрольных. Урожай от озвученных семян значительно превосходил одновременно снятый урожай от контрольных семян. Прирост урожая зависел от времени озвучивания и мощности ультразвука. Особенно благоприятные результаты получились в этой работе при 4-минутном озвучивании, когда прирост урожая по сравнению с контрольным достиг 50 процентов. Сходные результаты наблюдались при озвучивании зерен ячменя. Растения из озвученных семян развиваются более быстро и превосходят контрольные по содержанию сухого вещества и золы. Способность к ускоренному прорастанию сохраняется семенами в течение нескольких месяцев после озвучивания. Механизм действия ультразвука, стимулирующего рост растения, еще точно не выяснен. Предполагают, что ускорение роста связано с вызываемым ультразвуком изменением проницаемости оболочки семян, а также с изменением химических веществ, входящих в их состав. Ультразвуковым воздействием, однако, надо пользоваться осторожно: в тех же самых опытах удлинение озвучивания до 12 минут привело к гибели всех семян.
Озвучивание мощным ультразвуком оказывает очень сильное воздействие и на сложные организмы животных и людей. Работники, имеющие дело с мощными звуковыми сиренами, отмечали, что когда их руки попадали в звуковой луч, через несколько секунд нагрев пальцев делался непереносимым. Объясняется это, вероятно, тем, что тепло при озвучивании возникает непосредственно в тканях организма, а не распространяется в результате теплопередачи, как при обычном нагреве.
Когда на пути звукового луча мощной сирены всего на несколько мгновений случайно оказывался работник, то несмотря на то, что на его уши были надеты специальные поглотители, которые не допускали проникновения звука, он ощущал дурноту и терял способность сохранять равновесие.
Иначе ведут себя ультразвуки не столь большой мощности. Их действие на человеческий организм может быть и благотворным. В этом отношении ультразвук можно сравнить с солнечным светом, который при неумеренном пользовании вызывает ожог, при правильном же применении восстанавливает здоровье человека.
В последние годы ученые разработали различные способы лечения ультразвуком. В одном из них источник ультразвука плотно прижимается к тому участку человеческого тела, который нужно подвергнуть действию высокочастотных колебаний. В другом из них излучатель скользит по поверхности кожи, подвергающейся озвучиванию. Для лучшей передачи звуковых колебаний кожа предварительно смазывается вазелиновым маслом.
Одним из основных затруднений при применении ультразвуковых колебаний в медицине является недостаточная еще разработанность способов их дозировки.
На рис. 25 изображен один из применяемых в наше время в медицине приборов, определяющих мощность ультразвукового луча. Излучатель ультразвука прижимается к отверстию в верхней части камеры, внутри которой установлены легкие весы, напоминающие ультразвуковой радиометр. Давление ультразвука заставляет чашку весов опуститься. При этом специальная передача приводит в движение стрелку прибора, положение которой и указывает мощность ультразвука.
Ученые настойчиво изучают процессы, которые протекают в живом организме под действием ультразвука.
Несомненно, что наряду с кавитацией, вызывающей разрыв клеток, необходимо считаться с химическим действием ультразвука на сложные органические вещества, присутствующие в живых клетках.
Под действием мощных ультразвуковых колебаний большие молекулы белковых веществ разламываются, образуя частицы меньших размеров.
Ультразвуки способны изменять химические и биохимические свойства молекул и не таких сложных и непрочных, как белковая молекула.
Существует химическое соединение, называемое бензопиреном, которое обладает способностью вызывать у животных возникновение злокачественной опухоли. После озвучивания бензопирен это свойство теряет.
Изучение химических действий ультразвука будет способствовать дальнейшему использованию неслышимых звуков в биологии и медицине.