Луїджі Гальвані і народження електробіологіі

Луїджі Гальвані народився в Болоньї 9 вересня 1737 г. Зовні його життя було нічим не примітна. У 1759 році він закінчив Болонський університет (один з найстаріших в Європі - він заснований ще в 1119) і залишився в ньому працювати. Він займався медициною і анатомією. Його дисертація була присвячена будові кісток; крім того, він вивчав будову нирок і вуха птахів. Гальвані отримав ряд нових даних але опублікувати їх йому не довелося, тому що трохи раніше більшість цих фактів були описані італійським вченим А. Ськарпа. Ця перша наукова невдача не засмутила Гальвані.

У 1762 р у віці 25 років Гальвані почав викладати медицину в Болонському університеті, через рік став професором, а в 1775 р.- завідуючим кафедрою практичної анатомії. Він був прекрасним лектором, і його лекції користувалися великим успіхом у студентів. Багато працював він і як хірург. Медична практика і викладацька робота забирали багато часу, але Гальвані як справжній син своєї епохи не кидав і чисто наукову роботу: і описову, і особливо експериментальну, З 1780 р Гальвані почав роботу з фізіології нервів і м'язів, яка принесла йому всесвітню славу і безліч неприємностей.

Отже, зрозуміло, чому лікар Гальвані ставив експерименти і чому у нього на столі був препарат жаби. Але до чого тут електрична Луїджі Гальвані машина?

Електрика в цей час розглядали як «електричний флюїд», як особливу електричну рідину. Ця гіпотеза виникла після Тоголо як Грей відкрив, що електрика може «перетікати» від одного тіла до іншого, якщо їх з'єднати металевим дротом або іншими провідниками.

Ця гіпотеза, звичайно, була навіяна уявленнями, які панували тоді в інших розділах фізики. Властивостями невагомою рідини - ефіру - пояснювали хвильове поширення світла; теплоту теж вважали невагомою рідиною. Гіпотеза про сутність електрики була піддана експериментальної перевірки.

Наелектризовані тіла ретельно зважували і не могли виявити збільшення у вазі. Таким чином, уявлення про невагомості електричного заряду було результатом не тільки умоглядних міркувань, але і наслідком недостатньої точності вимірювань.

Коли з'ясувалося, що електричний заряд не можна вимірювати зважуванням, фізики почали винаходити принципово нові прилади. Ці прилади - різного роду електроскопи і електрометрії - з'являються в середині XVIII століття. У 1746 р з'являється електрометрії Еллікота ,. в 1747 р.- електроскоп Нолле, того самого абата, який демонстрував королю в Версалі розряд лейденської банки. Один з перших електрометрів був сконструйований Ріхманом.

Спочатку вважали, що електрична рідина - один із сортів «теплорода», Ця обставина обгрунтовували тим, що при терті тіла і нагріваються, і електризується, а також тим, що електрична іскра може запалювати різні предмети. Нарешті було показано, що провідники електрики добре проводять тепло, а ізолятори - погано. Проте врешті-решт встановилося уявлення, що електрична невагома рідина відрізняється від теплорода.

По-перше, було показано, що тіла, наелектризовані дотиком, не нагріваються.

По-друге, Грей показав, що суцільні і порожнисті тіла електризуються абсолютно однаково, а нагріваються по-різному, і зробив висновок, що «теплород» поширюється по всьому об'єму тіла, а електрична рідина поширюється по поверхні.

Таким чином, уявлення про електрику як про невагомою рідини було експериментально добре обгрунтовано на рівні можливостей фізики XVIII століття і добре вписувалося в загальну ідеологію фізики того часу.

Ми вже говорили, що в цей час найрізноманітніші явища - навіть землетрусу - намагалися пояснити електрикою, не був винятком і «нервовий механізм». У 1743 р німецький вчений Ганзен висунув гіпотезу про те, що сигнал в нервах має електричну природу. У 1749 р »французький лікар Дюфей захистив дисертацію на тему« Чи не є нервова рідина електрикою? ». Цю ж ідею підтримав в 1774 р англійський учений Прістлі, який прославився відкриттям кисню. Ідея явно носилася в повітрі.

У зв'язку з цими ідеями два напрямки експериментальних досліджень - вивчення електрики і вивчення процесів в нервах і м'язах - стикнулися між собою. З'явилася надія встановити, що процеси в нервах - процеси електричної природи. Крім того, електричні розряди широко використовувалися в цей час для роздратування нервів, скелетних м'язів або серця (лейденську банку в цих цілях використовували, напрімерг Д. Бернуллі і той же Ф. Фонтана, про який ми вже говорили).

Тепер нам не повинно здаватися дивним і випадковим, що на столі у лікаря Гальвані, який був учнем Фонтана і займався експериментальним вивченням роботи м'язів і нервів, виявилася електрична машина. Справа не в тому, що він віддавав данину моді. Машина була потрібна тому, що він, як тепер би сказали, працював не просто на передньому краї науки, а на стику двох наук: фізіології і науки про електрику.

26 вересня 1786 р

Після всього сказаного стає незрозумілим інше: що привернуло увагу помічника Гальвані, чому скорочення м'язи при електричному розряді здалося Гальвані настільки чудовим. Адже те, що електрику діє як подразник на нерви і м'язи, було широко відомим фактом.

Справа в тому, що до спостережень Гальвані це подразнюючу дію спостерігали тільки при безпосередньому контакті зарядженого тіла з м'язом або нервом. Тут же такий контакт був відсутній.

Зіткнувшись з новим незнайомим явищем, Гальвані як справжній син свого століття починає ретельно і всебічно досліджувати це явище. Він ставить найрізноманітніші досліди. Наприклад, показує, що ефект спостерігається і тоді, коли лапка жаби поміщена під дзвін насоса в безповітряний простір, коли замість електричної машини розряджається лейденська банку.

І навіть тоді, коли жаб'яча лапка включається в ланцюг між громовідводом і землею, вона скорочується в той момент, коли проскакує блискавка.

Але як не були цікаві ці досліди, ніяких принципово нових відомостей про електричні явища в живих організмах вони не давали: була виявлена ​​ще одна форма дратівної дії електрики, але ж і фізики знали, що тіла можна електризувати без дотику, на відстані.

У 1786 р Гальвані починає нову серію дослідів, вирішивши вивчити дію на м'язи жаби «спокійного» атмосферної електрики. (До цього часу було показано, що електрика є в атмосфері і під час відсутності грози.) Зрозумівши, що лапка жаби є в деякому сенсі дуже чутливим електрометром, він вирішив спробувати виявити за її допомогою це атмосферну електрику. Повісивши препарат на решітці свого балкона, Гальвані довго чекав результатів, але лапка не скорочувалася ні за якої погоди.

І ось 26 вересня 1786 р лапка, нарешті, скоротилася. Але це сталося не тоді, коли змінилася погода, а при абсолютно інших обставин: лапка жаби була підвішена до залізної решітці балкона за допомогою мідного гачка і звисає кінцем випадково торкнулася решітки, Гальвані перевіряє: виявляється щоразу, як утворюється ланцюг «залізо - мідь - лапка », тут же відбувається скорочення м'язів лапки незалежно від погоди. Гальвані переносить досліди в приміщення, використовує різні пари металів і регулярно спостерігає скорочення м'язів лапки жаби.

Це вже щось соврешенно нове, ніяких джерел електрики поблизу немає (немає ні машини, ні грози), а лапка жаби скорочується.

Гальвані ставить красивий досвід в дусі свого часу, коли ефектні публічні демонстрації були дуже популярні. Лапка підвішується на мідному гачку, з'єднаному з срібною скринькою, що стоїть так, що нижня частина лапки стосується шкатулки. Лапка скорочується і відсмикує від шкатулки, від цього ланцюг розмикається, тоді лапка знову опускається, знову стосується шкатулки, знову піднімається і т. Д. Виникає, як каже Гальвані, щось на зразок електричного маятника. (Насправді ця система абсолютно аналогічна переривач струму в електричному дзвінку, але ні струму, ні дзвінка в той час ще не було.)

Як же пояснити ці спостереження? З часів Джильберта було відомо, що метал не можна наелектризована тертям. Гальвані, як і інші вчені його часу, вважав, що електрика не може виникати в металах, вони можуть грати тільки роль провідників. Звідси Гальвані робить висновок, що джерелом електрики в цих дослідах є самі тканини жаби, а метали тільки замикають ланцюг.

Але навіщо в цьому ланцюзі потрібні два різних металу? Гальвані досліджує це питання і виявляє, що можна обійтися і просто шматочком мідного дроту, При використанні одного металу скорочення виникає не завжди, воно буває слабкіше, але це вже дрібна деталь. Скорочення м'язів спостерігається візуально, сила скорочення не вимірюється. Важливо, що два металу не обов'язкові, а значить і несуттєві, - міркує Гальвані.

Гальвані працював з нервово-м'язових препаратом: задній лапкою жаби з отпрепарованним нервом і збереженим шматочком спинного мозку. У першому ж вдалий досвід, коли лапка висіла на балконі, мідний гачок був пропущений через шматочок хребта, а кінчик лапки торкнувся залізних ґрат, Гальвані вирішує, що це і є найкращі умови, і не намагається інші.

У всіх його дослідах один кінець металевої дуги стосується спинного мозку або нерва, а другий - поверхні лапки. Гальвані розвиває таку схему: м'яз лапки - заряджена лейденська банку; нерв - провід, з'єднаний з внутрішньої обкладкою банки; коли металевий провідник стосується м'язи (зовнішньої обкладки) і нерва (внутрішньої), м'яз розряджається через нерв і це викликає скорочення.

Ще чотири роки йдуть у Гальвані на всебічне дослідження відкритого явища і, нарешті, в 1791 р з'являється робота, що підводить підсумок десятирічної праці, - згаданий «Трактат про сили електрики при м'язовому русі».

Гальвані вважає своє відкриття дуже важливим для людства. Справа в тому, що, як ми вже говорили, в цей час виникали найрізноманітніші емпіричні спроби використовувати електрику для лікування хвороб, причому ці спроби не мали ніякої теоретичної бази. Гальвані був перш за все лікар і хотів лікувати людей. Він сам пише в кінці свого трактату, що в подальшому всі свої зусилля спрямує на розробку нового напряму в медицині - електромедіціну.

Але він був не тільки лікар, а й вчений. Він розумів, що для розробки такого напряму дуже важливо було показати, що електричні явища не є щось чуже живим організмам, що електрику тісно пов'язане з життєдіяльністю, що «тварина електрику» за своєю природою нічим не відрізняється від електрики, що виробляється електричної машиною. Не випадково Гальвані після дослідів на жабах ставить досліди на теплокровних, показуючи, що ті ж явища можна отримати і на нервово-м'язових препаратах птахів і ссавців.

Отже, електричні явища притаманні всім тваринам, а значить і людині! Гальвані навіть дозволяє собі висловити міркування про причини деяких хвороб (наприклад, він висловлює гіпотезу, що параліч може бути пов'язаний з порушенням ізоляції нервів, і дійсно, зараз відомі хвороби, викликані цією причиною; або що епілепсія може бути пов'язана з сильним електричним розрядом в мозку , що теж виявилося в принципі вірним) і про можливе лікуванні та застосуванні електрики.

Висуваючи своє твердження про існування «тваринної електрики», Гальвані спирався також на вивчення електричних риб: в цьому випадку їх здатність виробляти електрику була доведена. Електричний скат був відомий з сивої давнини, а електричний вугор був описаний в XVII столітті після відкриття Америки. Але цих риб тоді, природно, не називали електричними, так як не знали, що їх дія на людину і тварин як-то пов'язано з електрикою.

Однак після відкриття лейденськоїбанки, розряд якої викликав той же ефект, що і дотик до електричного ската, французький ботанік М. Адансон висунув припущення, що розряд електричних риб і розряд лейденської банки мають одну і ту ж природу.

Проверни цю гіпотезу, англійський учений Дж. Уолш показав, що розряд електричного ската передається через провідники, але не передається через ізолятори і здійснює розряд риби через ланцюг з декількох осіб (згадайте досвід абата Нолле!), Т. Е. Отримав докази на користь електричної природи цього розряду. Накцнец, Уолш спостерігав розряд ската через наліплену на скло смужку фольги з тонким розрізом; при кожному розряді в місці розрізу проскакувала іскра. У 1776 р Г. Кавендіш, прикріпивши провідники до спини і черева ската, за допомогою бузини електроскопа виміряв створюваний ним заряд.

З електричними скатами працював і Гальвані, один з видів цих риб навіть носить його ім'я: Торпедо Гальвані. Якщо скати можуть виробляти електрику, то чому ж його не можуть виробляти будь-які м'язи? І Гальвані підкреслює в своєму «Трактаті ...» схожість електрики, що виникає при терті, атмосферної електрики, електрики скатів і відкритого їм «тваринної електрики».

Дуже цікаво, що, незважаючи на досить переконливі дані про те, що дія ската пов'язано з електричним розрядом, знаходилося багато людей, які вважали, що «тварина електрику» має відрізнятися від звичайного електрики, повинно мати якісь ознаки свого особливого походження.

На такій точці зору стояв, зокрема, Дж. Прістлі, а більш ніж через півстоліття - Г, Деві. Ця обставина спонукала М. Фарадея зробити в 1837-1839 рр. серію спеціальних робіт, в яких він показав, що електрику від тертя, електрику від гальванічних елементів, в цей час уже відомих, і електрику риб нічим не відрізняються один від одного. Величезний авторитет Фарадея сприяв загальним визнанням тотожності «тваринного» і звичайного електрики.

Беркінбліт М. Б., Глаголєва Е. Г. "Електрика в живих організмах"