Реферат: Рождение электробиологии
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.