Рождение электробиологии

Рождение электробиологии

Рождение электробиологии

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 даже в 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, Как сто 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.

Страницы: 1, 2