Мы далеко не всегда знаем даты, связанные с великими учеными прошлого. Например, неизвестен день рождения Аристотеля. Тем более трудно говорить о дне рождения науки. Кажется, что она развивается непрерывно и время ее рождения можно определить только, скажем, с точностью до десятилетия, а порой и столетия. Но вот науке электробиологии в этом отношении повезло – ее днем рождения считается 26 сентября 1786 г. В этот день итальянский врач и ученый Луиджи Гальвани сделал важное открытие, Работа, которая привела к этому открытию, началась с одного наблюдения.
Вот как сам Гальвани описывает это в своем «Трактате о силах электричества при мышечном движении», вышедшем в 1791 г.: «Я разрезал и препарировал лягушку… и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина… при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра… Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытого».
Когда читаешь начало этого трактата, то открытие Гальвани выглядит едва ли не чистой случайностью: почему-то человек препарировал лягушку на столе, где зачем-то стояла электрическая машина.
Историческая экспозиция
Итак, 1786 год, конец XVIII века – века Просвещения, который для науки был тем же, чем XV–XVI века – века Возрождения – были для искусства.
В сущности, естественные науки в подлинном смысле этого слова возникли именно в эту эпоху. Изменилось само содержание таких понятий, как наука, ученый; теперь ученым считали не богослова, а исследователя природы. К концу XVIII века в науку прочно вошел экспериментальный метод, который продемонстрировал свою силу; появились такие приборы, как микроскоп и телескоп. Возникла вера в силу и могущество науки, надежда, что развитие науки и распространение знаний изменит облик мира»
В век Просвещения велась широкая пропаганда науки – устная и печатная. Во Франции с 1761 по 1788 гг. издается знаменитая энциклопедия, где были изложены основные достижения науки. Выходит много учебников, научных и научно-популярных книг. Ученые читают публичные лекции, на которые ходят люди самого разного общественного положения.
Живой интерес к науке проявляли представители самых разнообразных слоев общества – Придворные дамы и кавалеры стали уже не только разыгрывать пасторали-балеты и сочинять латинские стихи, но и собирать гербарии; богачи хвастались не только столовым серебром работы Челлини, но и коллекциями редких бабочек или садом с заморскими растениями.
Экспериментальный метод вошел в это время не только в научные исследования, но и в преподавание, и в пропаганду науки. Возник, как сейчас бы сказали, настоящий экспериментальный бум. Опыты демонстрировались не только среди специалистов, в научных кружках, лабораториях любителейг
но и на публичных лекциях и дажев придворных салонах. Иногда даже опыты проходили на глазах у всего народа, Опытам часто придавали интересную форму – опыт должен быть сродни фокусу! с неожиданным эффектом».
Немного о Гальвани
Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 г. Внешне его жизнь была ничем не примечательна. В 1759 г. он окончил Болонский университет и остался в нем работать. Он занимался медициной и анатомией. Его диссертация была посвящена строению костей; кроме того, он изучал строение почек и уха птиц. Гальвани получил ряд новых данных но опубликовать их ему не пришлось, так как чуть раньше большинство этих фактов были описаны итальянским ученым А. Скарна. Эта первая научная неудача не обескуражила Гальвани. В 1762 г. в возрасте 25 лет Гальвани начал преподавать медицину в Болонском университете, через год стал профессором, а в 1775 г. – заведующим кафедрой практической анатомии. Он был прекрасным лектором, и его лекции пользовались большим успехом у студентов. Много работал он и как хирург. Медицинская практика и преподавательская работа отнимали много времени, но Гальвани как истинный сын своей эпохи не бросал и чисто научную работу: и описательную, и особенно экспериментальную, С 1780 г. Гальвани начал работу по физиологии нервов и мышц, которая принесла ему всемирную славу и множество неприятностей.
Итак, понятно, почему врач Гальвани ставил эксперименты и почему у него на столе был препарат лягушки. Но причем тут электрическая машина?
Почему на столе у Гальвани стояла электрическая машина
Посмотрим, что мог знать Гальвани об электричестве и почему оно могло его интересовать. До начала XVIII века науки об электричестве фактически не существовало, и по очень простой причине – нечего было изучать. В самом деле, с античных времен люди знали о любопытных свойствах янтаря, встречались, конечно, и с такими явлениями, как молния, были знакомы даже с «животным электричеством», но никому и в голову не приходило, что между громом небесным, еле слышным потрескиванием янтаря и ударом средиземноморского ската есть что-то общее. Даже самого слова «электричество» не было. Его ввел в науку один из ученых Нового времени – придворный врач английской королевы Елизаветы – Джильберт, который показал, что не только янтарь, но и другие тела, если их потереть, притягивают легкие предметы. Эти тела он назвал электрическими. Металлы ему наэлектризовать не удалось, и он пришел к выводу, что в них электричество не возникает.
Всерьез наука об электричестве начала развиваться именно в XVIII веке. Прежде всего люди научились получать электричество. В самом начале XVIII века английский физик-экспериментатор Ф. Гауксби создает одну из первых электрических машин со стеклянным шаром, который приводился в быстрое вращение с помощью большого колеса и шкива. Усовершенствованные электрические машины служили более надежным источником электричества, чем кусочек янтаря или серы. Они позволяли получать высокие напряжения и искровой разряд, что сделало возможным систематическое изучение электрических явлений.
Уже в первой половине XVIII века были сделаны первые важные открытия в области электричества. В 1729 г., английский физик С. Грей обнаружил, что вещества делятся на проводники и изоляторы. В 1733 г. французский академик Ш. Дюфе открыл существование двух типов зарядов.
В 1745–1746 гг. почти одновременно в двух местах был изобретен первый конденсатор! так называемая лейденская банка. Обычно это открытие описывают так: «В городе Лейдене два физика пытались наэлектризовать воду в стеклянном сосуде, который один из них держал в руках. Когда он коснулся проводника, опущенного в воду, он испытал сильный удар от электрического разряда. Другой физик поставил аналогичный опыт в Померании». Однако употребление слова «физик» в этом рассказе – пример явной модернизации. Один из изобретателей лейденской банки Мушенброк действительно был ученым, но не физиком, а философом и математиком. Вторым был «…некто Кунеус, богатый гражданин города Лейдена». Опыт в Померании ставил соборный декан» *).
Дальше мы неоднократно увидим, как одни и те же открытия почти одновременно делались разными людьми в разных местах. И это вовсе не случайно. Накопленные наукой знания при их обдумывании приводят разных людей к выдвижению сходных гипотез, постановке сходных опытов или доказательству сходных теорем.
Лейденская банка, которую стали изнутри и снаружи оклеивать станиолем, позволяла накапливать большой заряд. Искру от батареи лейденских банок можно было видеть на расстоянии в 200 шагов. Разряд лейденской банки был вполне чувствителен для человека.
Все эти открытия на фоне общего интереса к научным экспериментам не могли не обратить на себя внимание не только в научных кругах. Появилась мода на занятия электричеством среди различных слоев общества. Опыт с лейденской банкой был, например, повторен в присутствии французского короля в Версале аббатом Нолле). 180 гвардейцев образовали цепь, взявшись за руки, причем первый держал в руке банку, а последний замыкал цепь, извлекая искру, Удар чувствовался всеми в один и тот же момент, «Было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик, исторгаемый неожиданностью у большей части получающих удар», – пишет очевидец.
Еще больше усилился интерес к электрическим явлениям, когда Б. Франклин открыл атмосферное электричество. До его опытов считали, что гром возникает оттого, что верхняя часть облака ударяется о его нижнюю часть. В 1752 г. Франклин с сыном запустили воздушного змея во время грозы и, когда веревка намокла, извлекли из ее нижнего конца искры, такие же, как из электрической машины, и даже зарядили лейденскую банку. Опыты эти были весьма небезопасны. Русский академик, друг Ломоносова, Г.В. Рихман при аналогичных опытах по изучению атмосферного электричества в 1753 г., был убит молнией),
Первым практическим результатом исследований электричества было изобретение громоотвода, Хотя громоотводы начали применяться, большинство людей не понимало принципа их действия. Haпример,во Франции кавалеры во время грозы вынимали шпаги из ножен и поднимали их вверх, считая что, таким образом защищаются от молнии. В некоторых местах население возражало против установки громоотводов: первый судебный процесс одного из домовладельцев, желавшего установить на своем доме громоотвод, против чего возражали соседи,
был выигран Робеспьером в пользу владельца.
Одновременно с исследованием электрических явлений росли надежды на их практическое использование иногда – особенно, естественно, вначале – самые фантастические. Например, когда обнаружилось, что при разряде лейденской банки через тело убитой лягушки мышцы последней вздрагивали, стали говорить о том,
что с помощью электричества можно будет воскрешать мертвых, Каксто лет до того все явления природы пытались объяснить воздушным давлением, так теперь электричеством: например землетрясение объясняли электрическим разрядом внутри земли и т.д. С помощью электризации «ускоряли» распускание цветов прорастание семян; цыплята из наэлектризованных яиц якобы выводились быстрее чем из обычных).
Врачи электризовали и лекарства, и больных и писали о положительных результатах, Есть свидетельства, что воду в опытах, в результате которых открыли лейденскую банку, электризовали именно для того, чтобы проверить ее лечебное действие, Заметим,
что С. Грей еще за 15 лет до того показал, что заряд распределяется по поверхности тела, а не проникает внутрь его, так что сама вода остается незаряженной» Тем не менее находилось немало людей, которые утверждали, что наэлектризованная вода хорошо лечит. Утверждалось, например, что парализованных больных надо для излечения заряжать положительно, а психически больных – отрицательно.
Появилось множество людей, которые утверждали,
что они обладают особенно сильным электрическим действием и поэтому могут излечивать больных, Подвергать себя электризации стало до того модным, что тот,
кто не мог проникнуть в лаборатории ученых «электризовался» у ярмарочных шарлатанов.
Таким образом, то, что написано выше об интересе к науке, не следует воспринимать как безоблачно радужную картину полного триумфа разума и просвещения. Суеверия, мистика – тени научного знания, к сожалению, часто сопровождающие научные открытия, И эти тени тем гуще, чем ярче свет, т.е. чем необычнее, новее явление. Одним из показателей уровня культуры человека и образованности общества является умение отличать «свет от тени».
Теперь мы можем попытаться объяснить, почему на столе у Гальвани оказалась электрическая машина. В то время это был распространенный прибор для различных научных исследований, а иногда просто для развлечений. Существовали специальные мастерские, где каждый мог заказать себе такую машину f
и ее старался иметь любой уважающий себя ученый. Кроме того, как мы уже говорили, электризацию связывали с лечебным воздействием, и поэтому врач Гальвани мог использовать машину и для медицинских опытов.
Однако каким бы правдоподобным ни казалось это последнее предположение, оно, вероятно,
неверно. Гальвани был серьезным ученым и едва ли держал у себя электрическую машину только ради моды» Она стояла на лабораторном столе, где ставились опыты с лягушками, и нет никаких данных, что Гальвани занимался электризацией людей. Он, как уже говорилось занимался физиологией нервов и мышц. И чтобы правильно ответить на наш вопрос, нам придется продолжить анализ. Посмотрим теперь, в каком состоянии были физиологические знания во времена Гальвани.
Физиология в эпоху Гальвани
В этот период физический подход и физические методы исследования уже показали свою объяснительную силу в ряде областей биологии, связанных с более развитыми разделами физики, и поэтому развитие науки об электричестве тоже способствовало появлению новых надежд. Можно прямо проследить, как целый ряд открытий в области биологии был прямо связан с развитием соответствующих разделов физики.
Так, У. Гарвей, создатель теории кровообращения, смог понять роль сердца, так как насосы были уже изобретены, но догадаться, что делают легкие, не смог: ведь кислород еще не был известен. Поэтому Гарвей продолжал, следуя Аристотелю, считать, что в сердце кровь нагревается, а в легких охлаждается.
Гипотеза Аристотеля о сердечном огне, просуществовавшая почти 20 веков, была опровергнута с помощью физического эксперимента: в 1680 г., ученик Галилея Дж. Борелли измерил температуру, введя термометр в сердце животного; она оказалась примерно равной общей температуре тела. Нам этот опыт кажется простым, даже банальным. А ведь термометр появился всего лет за двадцать до опыта Борелли, значит, был для него такой же и даже большей новинкой, чем сейчас персональный компьютер. Вот и мы чуть было не написали, вслед за многочисленными популярными рассказами, что Борелли установил, будто бы температура в сердце оленя равна 40 С, но вовремя сообразили, что никаких градусов Цельсия на термометре в то время не могло быть, потому что А. Цельсий еще не родился.
По существу работы Боррелли были первым случаем широкого применения достижений физики к изучению живого*). Так в книге «О движении животных» он рассматривает действие мышц на кости скелета с точки зрения теории рычага, правильно объясняет движение ног и корпуса человека при вставании из положения сидя или лежа необходимостью такого перенесения центра масс, при котором он оказался бы под площадью опоры; верно вычисляет силы, развиваемые мышцами рук и ног, и т.д.
Открытие атмосферного давления дало возможность Борелли верно объяснить механику дыхательного акта: при увеличении объема грудной клетки воздух входит в легкие за счет атмосферного давления. Однако смысл процесса дыхания остается для Борелли столь же неясным, как и для Гарвея, и это неудивительно: только через сто лет после выхода книги Борелли Лавуазье выяснит роль кислорода для дыхания.
Это еще раз подтверждает, что в тех вопросах физиологии, где почва еще не была подготовлена успехами физики и химии, продолжали господствовать взгляды древних авторов и порождаемые ими разнообразные малообоснованные предположения.
Все сказанное полностью относится и к физиологии мышц и нервов – области, которую изучал Гальвани. Роль мышц в движении была известна, но что касается причин их сокращения, то тут было еще очень мало фактов и очень много довольно фантастических представлений.
Почти до середины XVIII века большинство ученых считало, что причиной сокращения мышц и вообще всех движений является душа. Считалось, что сама по себе никакая мышца не обладает способностью сокращаться. 8 та способность возникает только в тот момент, когда в нее втекает «животный дух».
С другой стороны существовали механистические объяснения сокращения мышц. Например, Р, Декарт считал, что по нерву в мышцу поступает нечто вроде легкого газа, который раздувает мышцу, и она сокращается). Борелли думал, что сокращение мышцы похоже на сокращение мокрой веревки; по его мнению, из нерва в мышцу попадает «нервный сок», и она «намокает». Однако все эти теории были сходны в одном: сама мышца пассивна, в нее должно войти из нерва нечто, что и вызовет сокращение.
В середине XVIII века мышечное сокращение стало предметом экспериментального изучения. Швейцарский ученый А. Галлер в ряде опытов показал, что скелетные мышцы, мышцы желудка, сердечная мышца отвечают на прямое механическое, химическое или электрическое раздражение, когда соответствующая мышца находится вне организма и отделена от нервов. Наблюдая за развитием эмбрионов, Галлер показал, что сердце начинает биться в тот период, когда в него еще не вросли никакие нервы.
В 1763 г. один из последователей Галлера Ф. Фонтана) сделал важное открытие. Он показал, что сердце может либо ответить, – либо не ответить на одно и то же раздражение в зависимости от того, через какой промежуток времени после предыдущего сокращения наносится раздражение. Оказывается, после предыдущего сокращения сердечная мышца должна какое-то время отдохнуть, чтобы стать способной к ответу на новое раздражение.
Таким образом, в середине XVIII века складывается представление о возбудимости разных мышц, как о присущем им свойстве отвечать сокращением на непосредственное раздражение. Работы Фонтана показали, что возбудимость мышцы – некоторая переменная величина, которая может меняться во времени и которую хорошо было бы научиться как то измерять.
Что касается нервных волокон, то их роль в принципе была правильно определена еще античными учеными, а именно был сделан вывод о том, что через нервы передаются какие-то влияния – от мозга к мышцам и от органов чувств к мозгу. Однако в XVIII веке этого было уже недостаточно. Хотелось понять, какова же природа сигналов, передающихся по нервам. Сторонники учения о «жизненной силе», естественно, считали, что по нервам передается «животный дух», который и вызывает сокращение мышц. И опять-таки, естественно, в середине XVIII века, в период увлечения электричеством самые разные ученые все чаще предполагали, что по нерву распространяется «электрический флюид».
Тут нам придется на минутку вернуться к истории физики. Выше мы говорили об экспериментальных открытиях века: лейденской банке, природе молнии и т.д.; теперь скажем несколько слов о теоретических представлениях.
Электричество в это время рассматривали как «электрический флюид», как особую электрическую жидкость. Эта гипотеза возникла после того, как Грей открыл, что электричество может «перетекать» от одного тела к другому, если их соединить металлической проволокой или другими проводниками. Эта гипотеза, конечно, была навеяна представлениями, господствовавшими тогда в других разделах физики. Свойствами невесомой жидкости – эфира – объясняли волновое распространение света; теплоту тоже считали невесомой жидкостью. Гипотеза о сущности электричества была подвергнута экспериментальной проверке. Наэлектризованные тела тщательно взвешивали и не могли обнаружить прибавки в весе. Таким образом, представления о невесомости электрического заряда было результатом не только умозрительных рассуждений, но и следствием недостаточной точности измерений.
Когда выяснилось, что электрический заряд нельзя измерять взвешиванием, физики начали изобретать принципиально новые приборы. Эти приборы – разного рода электроскопы и электрометры – появляются в середине XVIII века. В 1746 г. появляется электрометр Элликота. в 1747 г. – электроскоп Нолле, того самого аббата, который демонстрировал королю в Версале разряд лейденской банки. Один из первых электрометров был сконструирован Рихманом,
Сначала считали, что электрическая жидкость – один из сортов «теплорода», Это обстоятельство обосновывали тем, что при трении тела и нагреваются, и электризуются, а также тем, что электрическая искра может зажигать разные предметы. Наконец, было показано, что проводники электричества хорошо проводят тепло, а изоляторы – плохо. Однако в конце концов установилось представление, что электрическая невесомая жидкость отличается от теплорода. Во-первых, было показано, что тела, наэлектризованные прикосновением, не нагреваются. Во-вторых, Грей показал, что сплошные и полые тела электризуются совершенно одинаково, а нагреваются по-разному, и сделал вывод, что «теплород» распространяется по всему объему тела, а электрическая жидкость распространяется по поверхности.
Таким образом, представление об электричестве как о невесомой жидкости было экспериментально хорошо обосновано на уровне возможностей физики XVIII века и хорошо вписывалось в общую идеологию физики того времени.
Мы уже говорили, что в это время самые разные явления – даже землетрясения – пытались объяснить электричеством, не был исключением и «нервный механизм». В 1743 г. немецкий ученый Ганзен выдвинул гипотезу о том, что сигнал в нервах имеет электрическую природу. В 1749 г.» французский врач Дюфей защитил диссертацию на тему «Не является ли нервная жидкость электричеством?». Эту же идею поддержал в 1774 г. английский ученый Пристли, прославившийся открытием кислорода. Идея явно носилась в воздухе.
В связи с этими идеями два направления экспериментальных исследований – изучение электричества и изучение процессов в нервах и мышцах – соприкоснулись между собой. Появилась надежда установить, что процессы в нервах – процессы электрической природы. Кроме того, электрические разряды широко использовались в это время для раздражения нервов, скелетных мышц или сердца. Теперь нам не должно казаться странным и случайным, что на столе у врача Гальвани, который был учеником Фонтана и занимался экспериментальным изучением работы мышц и нервов, оказалась электрическая машина. Дело не в том, что он отдавал дань моде. Машина была нужна потому, что он, как теперь бы сказали, работал не просто на переднем крае науки, а на стыке двух наук: физиологии и науки об электричестве,
26 сентября 1786 г.
После всего сказанного становится непонятным другое: что привлекло внимание помощника Гальвани, почему сокращение мышцы при электрическом разряде показалось Гальвани столь замечательным. Ведь то, что электричество действует как раздражитель на нервы и мышцы, было широко известным фактом.
Дело в том, что до наблюдений Гальвани это раздражающее действие наблюдали только при непосредственном контакте заряженного тела с мышцей или нервом. Здесь же такой контакт отсутствовал.
Столкнувшись с новым незнакомым явлением, Гальвани как истинный сын своего века начинает тщательно и всесторонне исследовать это явление. Он ставит самые разнообразные опыты. Например, показывает, что эффект наблюдается и тогда, когда лапка лягушки помещена под колокол насоса в безвоздушное пространство, когда вместо электрической машины разряжается лейденская банка.
И даже тогда, когда лягушачья лапка включается в цепь между громоотводом и землей, она сокращается в тот момент, когда проскакивает молния.
Но как ни были интересны эти опыты, никаких принципиально новых сведений об электрических явлениях в живых организмах они не давали: была обнаружена еще одна форма раздражающего действия электричества, Но ведь и физики знали, что тела можно электризовать без прикосновения, на расстоянии,
В 1786 г. Гальвани начинает новую серию опытов, решив изучить действие на мышцы лягушки «спокойного» атмосферного электричества. Поняв, что лапка лягушки является в некотором смысле очень чувствительным электрометром, он решил попробовать обнаружить с ее помощью это атмосферное электричество. Повесив препарат на решетке своего балкона, Гальвани долго ждал результатов, но лапка не сокращалась ни при какой погоде.
И вот 26 сентября 1786 г. лапка, наконец, сократилась. Но это произошло не тогда, когда изменилась погода, а при совершенно других обстоятельствах: лапка лягушки была подвешена к железной решетке балкона при помощи медного крючка и свисающим концом случайно коснулась решетки,
Гальвани проверяет: оказывается всякий раз, как образуется цепь «железо – медь – лапка», тут же происходит сокращение мышц лапки независимо от погоды. Гальвани переносит опыты в помещение, использует разные пары металлов и регулярно наблюдает сокращение мышц лапки лягушки,
Это уже что-то современно новое; никаких источников электричества поблизости нет, а лапка лягушки сокращается.
Гальвани ставит красивый опыт в духе своего времени, когда эффектные публичные демонстрации были очень популярны. Лапка подвешивается на медном крючке, соединенном с серебряной шкатулкой, стоящей так, что нижняя часть лапки касается шкатулки. Лапка сокращается и отдергивается от шкатулки, от этого цепь размыкается, тогда лапка вновь опускается, вновь касается шкатулки, вновь поднимается и т.д. Возникает, как говорит Гальвани, нечто вроде электрического маятника.
Как же объяснить эти наблюдения? Со времен Джильберта было известно, что металл нельзя наэлектризовать трением. Гальвани, как и другие ученые его времени, считал, что электричество не может возникать в металлах, они могут играть только роль проводников. Отсюда Гальвани заключает, что источником электричества в этих опытах являются сами ткани лягушки^, а металлы только замыкают цепь.
Но зачем в этой цепи нужны два разных металла? Гальвани исследует этот вопрос и обнаруживает, что можно обойтись и просто кусочком медной проволоки, При использовании одного металла сокращение возникает не всегда, оно бывает слабее, но это уже мелкая деталь. Сокращение мышц наблюдается визуально, сила сокращения не измеряется. Важно, что два металла не обязательны, а значит и несущественны, – рассуждает Гальвани.
Гальвани работал с нервно-мышечным препаратом: задней лапкой лягушки с отпрепарованным нервом и сохраненным кусочком спинного мозга. В первом же удачном опыте, когда лапка висела на балконе, медный крючок был пропущен через кусочек позвоночника, а кончик лапки коснулся железной решетки, Гальвани решает, что это и есть самые лучшие условия, и не пробует другие. Во всех его опытах один конец металлической дуги касается спинного мозга или нерва, а второй – поверхности лапки. Гальвани развивает такую схему: мышца лапки – заряженная лейденская банка; нерв – провод, соединенный с внутренней обкладкой банки; когда металлический проводник касается мышцы и нерва, мышца разряжается через нерв и это вызывает сокращение.
Еще четыре года уходят у Гальвани на всестороннее исследование открытого явления и, наконец, в 1791 г. появляется работа, подводящая итог десятилетнего труда, – упомянутый «Трактат о силах электричества при мышечном движении».
Гальвани считает свое открытие очень важным для человечества. Дело в том, что, как мы уже говорили, в это время возникали самые разнообразные эмпирические попытки использовать электричество для лечения болезней, причем эти попытки не имели никакой теоретической базы. Гальвани был прежде всего врач и хотел лечить людей. Он сам пишет в конце своего трактата, что в дальнейшем все свои усилия направит на разработку нового направления в медицине – электромедицину.
Но он был не только врач, но и ученый. Он понимал, что для разработки такого направления очень важно было показать, что электрические явления не есть что-то чуждое живым организмам, что электричество тесно связано с жизнедеятельностью, что «животное электричество» по своей природе ничем не отличается от электричества, вырабатываемого электрической машиной. Не случайно Гальвани после опытов на лягушках ставит опыты на теплокровных, показывая, что те же явления можно получить и на нервно-мышечных препаратах птиц и млекопитающих. Следовательно, электрические явления присущи всем животным, а значит и человеку! Гальвани даже позволяет себе высказать соображение о причине некоторых болезней и о возможном лечебном применении электричества.
Выдвигая свое утверждение о существовании «животного электричества», Гальвани опирался также на изучение электрических рыб: в этом случае их способность вырабатывать электричество была доказана. Электрический скат был известен с далекой древности, а электрический угорь был описан в XVII веке после открытия Америки. Но этих рыб тогда, естественно, не называли электрическими, так как не знали, что их действие на человека и животных как-то связано с электричеством.
Однако после открытия лейденской банки, разряд которой вызывал тот же эффект, что и прикосновение к электрическому скату, французский ботаник М. Адансон выдвинул предположение, что разряд электрических рыб и разряд лейденской банки имеют одну и ту же природу. Проверни эту гипотезу, английский ученый Дж. Уолш показал, что разряд электрического ската передается через проводники, но не передается через изоляторы и осуществляет разряд рыбы через цепь из нескольких лиц, т.е. получил доводы в пользу электрической природы этого разряда. Накцнец, Уолш наблюдал разряд ската через наклеенную на стекло полоску фольги с тонким разрезом; при каждом разряде в месте разреза проскакивала искра. В 1776 г. Г. Кавендиш, прикрепив проводники к спине и брюху ската, с помощью бузинного электроскопа измерил создаваемый им заряд. С электрическими скатами работал и Гальвани, один из видов этих рыб даже носит его имя: Торпедо Гальвани.
Если скаты могут вырабатывать электричество, то почему же его не могут вырабатывать любые мышцы? И Гальвани подчеркивает в своем «Трактате…» сходство электричества, возникающего при трении, атмосферного электричества, электричества скатов и открытого им «животного электричества»).
Вольта проверяет открытие Гальвани и «закрывает» его
Появление «Трактата» вызвало огромный интерес в самых разных странах. Уже в следующем году выходит его второе издание. Гальвани на короткое время становится знаменит. Многие крупные ученые занялись повторением его опытов и проверкой результатов. Среди них был и итальянский физик Алессандро Вольта, в юности заочный ученик аббата Нолле,
В это время Вольта был уже известным физиком, профессором университета в Павии, членом Лондонского Королевского общества. К этому времени он изобрел новый чувствительный электроскоп, электрический конденсатор и ряд других приборов. Его научные интересы всю жизнь были в основном связаны с электричеством, и работа Гальвани произвела на него огромное впечатление. В первые же 10 дней после получения «Трактата…» он ставит массу новых опытов, полностью подтверждает результаты Гальвани и задается целью внести меру в эту новую область науки, т.е. провести количественное изучение «животного электричества», измерить электрометрами его величину и величину заряда, необходимого для вызова сокращения мышцы, В первых же опытах он обнаруживаем что препарат лягушки крайне чувствителен к электрическому разряду и сокращение возникает при столь слабых зарядах лейденской банки, которые не обнаруживаются самыми лучшими электрометрами.
Гальвани во всех своих опытах прикладывал один конец металлического проводника к нерву, а другой – к мышце. Это было связано с его идеей о том, что мышца – лейденская банка, которая разряжается через нерв.
Вольта разнообразит условия опытов, делает разные препараты, прикладывает проводник различными способами. Его интересует количественная сторона дела, поэтому он ищет такие условия, при которых минимальный заряд вызывает сокращение мышц. При этом он выясняет, что лучше всего сокращение возникает тогда, когда внешним проводником замыкаются два разных участка хорошо отпрепарованного нерва. Отсюда он делает вывод, что вовсе не мышца разряжается через провод и нерв, а, напротив, нерв, который более чувствителен к раздражению, возбуждается и что-то передает в мышцу.
Итак, вера Вольта в теоретические взгляды Гальвани уже сильно поколеблена. Если Гальвани мог ошибиться, считая именно мышцу источником «животного электричества», то он мог сделать и другие ошибки. И вот у Вольта возникает сомнение в самой основе работы Гальвани – в существовании «животного электричества». Он ставит вопрос, почему между двумя близкими точками одного и того же нерва^ которые во всем похожи, происходит разряд, когда их замыкают проводником? Это противоречит принципу причинности. А почему замыкающий проводник для успеха опыта должен состоять из двух разных металлов? Ведь роль этого проводника, согласно взглядам Гальвани, лишь в том, чтобы замкнуть цепь. Но для замыкания цепи достаточно одного вида металла. Вольта начинает детально изучать этот вопрос. Он пробует сочетания разных пар металлов. Если эти металлы играют роль простого проводника, то их природа не должна иметь значения. Но если эти металлы почему-то сами являются источником электричества, то сила источника может зависеть от сочетания металлов. И Вольта находит такую зависимость. Действие двух различных веществ на препарат лягушки тем сильнее, чем дальше отстоят они друг от друга в следующем ряду: цинк, олово, свинец, железо,) латунь, бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит, уголь. Из этого перечисления, приведенного в работе 1794 г., видно, как активно экспериментирует Вольта, У него все более крепнет уверенность, что источником электричества в опытах Гальвани была не мышца лягушки, а те два металла, которыми Гальвани к ней прикасался.
Но ведь Гальвани наблюдал сокращения мышц и при использовании всего одного металла! Вольта подробно изучает и этот случай и показывает, что два куска меди могут содержать разные примеси, что достаточно загрязнить один конец проволоки, чтобы она действовала как два разных металла, достаточно небольшой разницы температур на противоположных краях одного и того же куска металла, чтобы он играл роль раздражителя и т, д.
Наконец, Вольта делает окончательный вывод: контакт двух разных металлов является новым источником электричества, на которое реагирует «живой» электроскоп. Именно этим объясняются опыты Гальвани!
Этот вывод Вольта подкрепляет еще целым рядом разнообразных экспериментов. Например, Вольта берет проволочки из серебра и олова, одни концы этих проволочек соединяет между собой, а другими концами касается языка: одним металлом самого кончика, а другим чуть дальше. Он обнаруживает, что если к кончику языка приложено серебро, то чувствуется щелочной вкус, а если олово-то кислый. Если бы источником Электричества была сама мышца языка, то вкус не должен был бы меняться от изменения замыкающего металла, – рассуждает Вольта» Но если роль источника электричества играют два разнородных металла, тогда ясно, что, меняя их местами, мы меняем положение «плюса» и «минуса». В одних случаях электрический флюид входит в нервы кончика языка, а в другом – выходит из них. Это и вызывает разный вкус. Может быть,
работа всех органов чувств связана с электричеством? – спрашивает Вольта,
Вы помните, что в описываемую нами эпоху было модно ставить эффектные опыты. Такой опыт придумал Гальвани – «электрический нервный маятник», – когда лапка лягушки, подвешенная на медном крючке, касалась серебряной шкатулки. И Вольта тоже придумал эффектный опыт.
Четыре человека «…образуют друг с другом цепь, причем один прикасается пальцем к кончику языка соседа, другой таким же образом к поверхности глазного яблока своего другого соседа, а двое остальных держат мокрыми пальцами один за лапку, а другой за спину свежепрепарованную… лягушку. Наконец, первый в ряду держит также в мокрой руке цинковую пластинку, а последний держит серебряную пластинку, и затем они приводят эти пластинки во взаимное соприкосновение. В тот же момент на верхушке языка, к которой прикасается человек, держащий в руке цинк, появится ощущение кислого вкуса; в глазу, к которому прикасается палец соседа, появится ощущение вспышки света; и в то же время лапки лягушки, находящиеся в двух руках, начнут сильно сокращаться». Все нервы, оказавшиеся на пути электрического флюида – нервы языка, нервы глаза, нервы лягушки, – являются просто очень чувствительными электрометрами, а металлы, от соприкосновения которых и возникает эффект, не простые проводники, а «двигатели» электричества. «Таким образом, вместо того, чтобы говорить о животном электричестве, можно было бы с большим правом говорить о металлическом электричестве». Ведь если люди в той цепи из четырех человек не будут держать серебро и цинк, а просто коснутся руками друг друга, то ничего не произойдет. По Гальвани, разряд «живой лейденской банки», которая находится в лягушке, должен произойти еще успешнее, ведь замыкающая цепь стала короче^ из нее убрали участок, ничего не прибавив; но эффекта нет. Значит, причина не в лягушке, а в металлах – в контакте серебра и цинка.
Уже из приведенных примеров ясно, что Вольта был прав. В знаменитом трактате Гальвани нет никаких доказательств существования «животного электричества». Наблюдение, сделанное Гальвани 26 сентября 1786 г., в день рождения электробиологии, имело причиной чисто физическое явление, на основе которого Вольта изобрел источник постоянного тока: гальванический элемент, или вольтов столб. Это изобретение приведет к интенсивному развитию учения об электричестве и электротехнике и сделает XIX век веком не только пара, но и электричества.
Но причем же тут электробиология?
Лирическое отступление о путях науки. Давайте теперь на минуту остановимся и задумаемся о том, что же мы узнали не только об истории открытия «животного электричества», но и о науке вообще. Одна из главных целей, поставленных на прочитанных вами страницах, – показать достаточно типичную картину развития науки.
Первый урок, который можно извлечь из рассказанного, состоит в том, что наука – это некоторая единая система взаимодействующих областей, что учение о теплоте влияет на учение об электричестве, что открытия в области физики влияют на развитие биологии, а решение биологической проблемы приводит Вольта к чисто физическому открытию. В школе можно раздельно преподавать разные предметы, да иначе, по-видимому, и нельзя, в университетах создают разные факультеты, научно-исследовательские институты тоже заняты каждый своей более или менее узкой проблемой. Но в природе явления тесно связаны, переплетены и часто совершенно не согласны лечь на полочку того или иного научного ведомства.
Во-вторых, всякое новое открытие, новая теория, новые эксперименты являются следствием предыдущих экспериментов и теорий – в этом одно из проявлений непрерывности развития культуры. Ньютон говорил: «Если я видел больше других, то это только потому, что я стоял на плечах гигантов».
Бросается в глаза также международный характер науки: проводники открывают в Англии, лейденскую банку – в Германии; Франклин работает в Америке, Рихман – в России, Гальвани и Вольта – в Италии.
Мы видели, что и в XVIII веке новые открытия очень быстро пытаются использовать для практики; мнение, нередко высказываемое в литературе, что в старину от открытия до его применения проходили многие десятилетия, скорее легенда, чем факт. Открытие применяли настолько быстро, что к этому процессу зачастую примазывались шарлатаны.
Особенно мы хотели бы остановиться на роли Эксперимента в науке и роли личности ученого в открытии. Наивные описания: «Для решения проблемы ученый поставил опыт и выяснил» очень редко соответствуют действительности. Один и тот же эксперимент может истолковываться совершенно по-разному разными людьми. Гальвани поставил опыт с замыканием цепи двумя разными металлами, но он не сконцентрировал свое внимание на этой детали, считая ее несущественной. В этом отразилась направленность его личных интересов: он был врач и хотел использовать электричество для лечения, поэтому ему было важно установить, что электричество не чуждо живому, а, наоборот, внутренне присуще и мышцам, и нервам. В работе сказалось также его знакомство с электрическими скатами, которые точно могли вырабатывать электричество; Гальвани искал совершенно определенное явление и считал, что нашел его. Мы видим, что важен предыдущий опыт ученого, его эмоциональный настрой, цели, которые он перед собой ставит.
Вольта дал другое истолкование тому же опыту: дело не в «животном», а в металлическом электричестве. Но чтобы доказать это истолкование, Вольта должен был не просто повторить опыт Гальвани, а придумать десятки новых, некоторые из которых мы описали.
Придумать опыт и поставить его – это только часть дела. Как правило, опыт допускает много разных истолкований, для выбора правильного истолкования обычно необходимы новые опыты. Кроме того, на интерпретацию эксперимента существенно влияет уровень знаний данной эпохи. Вспомните, как подвела Гальвани вера в теоретический вывод Джильберта.
Бывает, что существует несколько альтернативных возможностей в интерпретации опыта и удается придумать новый опыт, который позволяет сделать выбор из этих альтернатив. Такой опыт называют критическим. Однако нередко потом выясняется, что какая-то из возможных интерпретаций была упущена при постановке такого опыта.
Опыт – это шаг на пути науки, шаг, который, как правило, ведет к развилке новых дорог. Наука – непрерывный процесс работы мысли и перед опытом, и во время него, и особенно после него.
Спор сторонников Гальвани и сторонников Вольта
Вернемся теперь к Гальвани. Как же он отреагировал на критику Вольта? Ведь доводы Вольта разрушали его надежды на создание нового направления в медицине. И Гальвани направляет все усилия па то, чтобы доказать свою правоту, С 1794 по 1797 гг. он предпринимает попытки отстоять свое открытие. Он ставит новые опыты, в которых вообще не используются никакие металлы. Расскажем о трех таких опытах.
Опыт 1. Бралась мышца с отходящим от нее нервом. Отдаленный конец нерва перерезался и приводился в соприкосновение с мышцей при помощи стеклянной палочки. В момент прикосновения нерва мышца сокращалась. Для удачного воспроизведения опыта нужен был свежеперерезанный нерв. Гальвани отмечает, что место перерозки по-видимому, играет какую-то важную роль. Здесь он опять проявляет замечательную наблюдательность, как и в случае с двумя разными металлами.
Опыт 2. В этом опыте использовались две мышцы с отходящими от них нервами. Один нерв укладывался в виде дуги, а второй располагался так, чтобы одна его точка лежала на неповрежденном участке первого нерва, а вторая – возможно ближе к месту его перерезки; мышца, связанная со вторым нервом, сокращалась. Этот опыт показывает, что между нормальным и поврежденным участками нерва течет электрический флюид,
Опыт 3. Вновь брались две мышцы с отходящими от них нервами. Нерв второй мышцы помещался на первую мышцу, Раздражался первый нерв, отчего сокращалась первая мышца. Неизменно вслед за этим возникало сокращение и второй мышцы. В этом опыте разрез нерва не играл никакой роли. Сокращающаяся мышца как-то действовала на лежащий на ней нерв.
К сожалению, эти свои опыты Гальвани не смог опубликовать – они были описаны только в его частных письмах. Но у него был ряд сторонников и последователей, которые опубликовали описания многих новых обстоятельств, подтверждающих взгляды Гальвани.
Вольта и его сторонники приводили против таких опытов три основных возражения.
Во-первых, Вольта высказал предположение, что «двигателем» электрического флюида может быть не только контакт металлов, но и контакт разных жидкостей. Но во всех опытах Гальвани обязательно были разные жидкости: нельзя высушить препарат лягушки, тогда он погибнет. Значит, в принципе нельзя показать, что электричество создается живым организмом, а не соприкосновением разных растворов, а нервы с мышцей играют роль только «живого электроскопа».
Во-вторых, во всех опытах Гальвани присутствует механическое движение либо двигают нерв, либо сокращается мышца. Может быть, причиной сокращения мышцы в этих опытах является механическое раздражение, – предполагал Вольта.
Наконец, пусть даже сокращающаяся мышца может возбудить нерв. Но откуда следует, что она это делает с помощью электричества? Известно, что нерв можно возбудить давлением, нагреванием, химическими воздействиями и т.д. Где доказательства, что в опытах Гальвани раздражителем является именно электрический ток?
Несмотря на помощь друзей и последователей, поддержку таких крупных естествоиспытателей, как А. Гумбольдт, Гальвани проиграл спор с Вольта. Аргументы Вольта казались вполне убедительными. В 1797 г. наступает окончательный крах: по политическим мотивам Гальвани выгнали из университета. Он лишился возможности работать и через год умер.
Однако на этот раз Вольта ошибся. Во всех трех описанных выше опытах Гальвани действительно имел дело с «животным электричеством», которое ему наконец-то удалось открыть.
После изобретения источника постоянного тока Вольта становится знаменит и всеми признан, В 1801 г., Наполеон приглашает его в Париж, где в Академии наук он демонстрирует свой знаменитый вольтов столб, Умер Вольта в 1827 г., в возрасте 82 лет, овеянный славой.
Личные судьбы Гальвани и Вольта сложились очень по-разному. Но если отвлечься от человеческих судеб и посмотреть на судьбу основных научных открытий, сделанных Гальвани и Вольта то мы увидим удивительную аналогию.
Когда Вольта изобрел гальванический элемент, перед ним встал вопрос: в чем причина возникновения электрического тока – в соприкосновении двух металлов или же в соприкосновении металлов с жидкостями? Вольта попробовал вообще убрать жидкости и поставил такой опыт. На чувствительный электроскоп помещался медный диск, покрытый сверху тонким слоем изолятора. На него клали такой же цинковый диск с изолирующей ручкой и эти два диска на мгновение соединяли медной проволокой. Затем проволоку убирали и снимали верхний диск. Электроскоп показывал наличие заряда. Вольта объяснял этот опыт так. Когда два разнородных металла привели в соприкосновение, они получили разноименные заряды. Но эти заряды, притягивая друг друга, оставались по разные стороны изолятора. Когда верхний заряженный диск убрали, заряды с нижнего диска попали на лепестки электроскопа. И никакой жидкости при этом не было. Следовательно, все дело просто в соприкосновении двух металлов! Но с самими металлами при этом совершенно ничего не происходило, кроме возникновения заряда. Значит, как утверждал Вольта, ему удалось открыть источник электрического тока, который может работать только от соприкосновения металлов, не меняя и не расходуя их.
Была только одна «маленькая деталь»: к сожалению, цинковый электрод в гальванических элементах почему-то все время окислялся и окись цинка прерывала ток. Электроды приходилось чистить. Вольта все время пытался сделать гальванические элементы лучшей конструкции, но никак не мог избавиться от появления окиси. Тем не менее, он был уверен, что в принципе задача разрешима и он осуществил мечту – создал вечный двигатель!
После открытия закона сохранения энергии физики и электрохимики подвергают взгляды Вольта резкой критике. Не может идти электрический ток и выделяться тепло без всяких затрат энергии! Не могут возникать электрические явления только от касания двух металлов; в воздухе всегда есть пары, которые оседают на металлы и окисляют их. Вольта открыл вовсе не «металлическое» электричество, а «химическое» электричество, так как в его элементах химическая энергия переходит в электрическую, потому-то и окисляется цинк!
Посмотрите, с какой замечательной точностью повторяется вся история с Гальвани. Гальвани открыл на самом деле «металлическое» электричество, а думал, что открыл «животное электричество», – говорил Вольта. В основе ошибки Гальвани лежало то, что он не обратил внимания на важнейший факт, который противоречил его теории, – на необходимость наличия двух разных металлов. Вольта открыл «химическое» электричество, а думал, что открыл «металлическое» электричество, – пишет В. Оствальд в своей «Истории электрохимии». Вольта не обратил внимание на важнейший факт, который противоречил его теории вечного двигателя, – окисление электродов, точнее, не придал ему должного значения.
Но самое интересное состояло в том, что прав был и Гальвани, и его критик Вольта, точно так же, как прав был и Вольта, и его критик Оствальд. На самом деле Гальвани открыл два разных явления – и «животное электричество», и металлическое. Но сам он считал, что открыл только первое из них, а Вольта считал, что существует только второе. Точно так же и Вольта открыл два разных явления – контактную разность потенциалов, возникающую при соприкосновении двух металлов, и химические источники тока. Но сам Вольта считал, что открыл только первое явление, в то время как его критик Оствальд признавал только второе. Только дальнейший ход развития науки показал, в чем были правы и в чем ошибались Гальвани Вольта и Оствальд.
Реабилитация Гальвани
Итак, Гальвани умер побежденным и непризнанным, а сторонники Вольта торжествовали. Но пути науки неисповедимы.
После того, как Вольта изобрел гальванический элемент и физики получили источник постоянного тока, началось быстрое развитие электродинамики, стимулируемое целым рядом практических применений электрического тока. Это, в конце концов, и позволило выяснить правоту Гальвани.
Уже в 1800 г. было открыто тепловое действие тока, В 1803 г. вышла книга Петрова о вольтовой дуге. В 1820 г. Эрстед открыл действие электрического тока на магнитную стрелку, связав разделы науки об электричестве и магнетизме, которые до этого развивались отдельно. И в течение года следуют замечательные разработки этого открытия; Ампер выдвигает идею электромагнитного телеграфа, Барлоу и Фарадей изготовляют первые примитивные модели электромоторов, а Штейгер изобретает гальванометр – прибор для измерения постоянного тока. Наконец-то появился объективный способ измерить малые токи, которые до этого регистрировались только с помощью лягушачьей лапки.
Гальванометр Штейгера был основан на действии катушки с током на магнитную стрелку, но он был чувствителен и к магнитному полю Земли, что очень мешало точным измерениям. В 1821 г. Ампер предложил укреплять на одной оси две магнитные стрелки так, что их противоположные полюса были расположены один над другим; это позволило избавиться от влияния магнитного поля Земли. Штейгер вначале изолировал провода воском или сургучом, но через несколько лет в связи с созданием телеграфа появились провода с шелковой изоляцией. В руках физиков оказался достаточно надежный и чувствительный измерительный прибор.
В 1826–1827 гг. немецкий физик Г. Ом открыл закон, который носит его имя. Для электробиологии особенно важно было то, что Ом ввел понятия «сила тока», «сопротивление», которых так не хватало Гальвани и Вольта.
В 1825 г. флорентийский физик Л. Нобили создал высокочувствительный гальванометр, и в 1827 г. с помощью этого прибора ему впервые удалось зарегистрировать разность потенциалов между разными точками тела лягушки. Но, как мы уже говорили, просто поставить опыт еще недостаточно, надо еще его правильно понять. Нобили был последователем Вольта, и поэтому объяснял возникновение зарегистрированных потенциалов тем, что одни участки тканей теплее, чем другие, так как скорость испарения жидкости с разных точек не может быть строго одинаковой. Так Нобили проходит мимо важного открытия.
Авторитет Вольта помешал ему не меньше, чем авторитет Джильберта помешал Гальвани.
Начиная с 1837 г. другой итальянский ученый, К. Маттеучи использует гальванометр для объективной проверки опытов Гальвани и его последователей.
Прежде всего, Маттеучи обнаружил, что между интактным и поврежденным участками мышцы есть разность потенциалов; при этом разрез мышцы всегда играет роль отрицательного полюса. Ток, текущий к поврежденному месту, назвали током повреждения. Этот результат Маттеучи давал объяснение двум первым опытам Гальвани; ведь и Гальвани предполагал, что между интактным и поврежденным участками мышцы течет электрический флюид. Правда, Маттеучи смог зарегистрировать только ток повреждения мышцы, а не нерва. Но если считать аналогичной ситуацию и для поврежденного нерва, то ясно, что место разреза нерва служило источником тока, который в первом опыте возбуждал мышцу лягушки, а во втором – ее нерв.
Маттеучи обнаружил, что во время возбуждения поврежденной мышцы ток повреждения почему-то убывал. Это очень удивило экспериментатора. Казалось бы, что при возбуждении все должно усиливаться, а не убывать!
Наконец, Маттеучи сделал широко известным третий опыт Гальвани. Маттеучи непосредственно показалt
что при возбуждении неповрежденной мышцы между ее частями идет электрический ток, который может возбудить лежащий на ней нерв.
Работы Маттеучи носили принципиальный характер: до них, пока единственным измерительным прибором служила сама лапка лягушки, не было уверенности в том, что процессы возбуждения связаны с электрическими явлениями. После работ Маттеучи это можно было считать доказанным.
Напомним, что все это происходило в 1837 г. Это был год столетия со дня рождения Гальвани и год его посмертного торжества. Была доказана правильность объяснения им своих последних опытов. Уже в 1841 г. появляется полное собрание сочинений Гальвани. Гальвани вновь становится знаменит и теперь уже навсегда.
|
