1780 год - отрезанные лягушачьи лапки

В ноябре 1780 года 43-летний болонский медик Луиджи Гальвани внёс препарат лягушки со двора в дом. Слово «препарат» означает в данном случае, что лягушке сначала ножницами отрезали голову, потом, подобно перчатке, стянули с обезглавленного тела кожу (у лягушек кожа не крепится к подлежащим тканям), ножницами отсекли верхнюю часть туловища и, наконец, для удобства держания вставили медную спицу в спинномозговой канал. С этим препаратом Гальвани весь день провозился во дворе, но, устав, вернулся в дом и бросил препарат в железный тазик. И тут вдруг лапки мёртвой лягушки задёргались. При том, что никакого источника электричества рядом не было. Вообще никакого.

Результаты опытов Гальвани и без того не вписывались в понятия здравого смысла, а такое вот уж совсем ни в какие ворота не лезло. Гальвани к тому моменту уже обнаружил, что лапки лягушки дёргаются рядом с электричеством (но вне контакта с ним!). Теперь же лапки дёргались тогда, когда рядом электричества не было совсем…

В XVIII веке было популярным, даже модным держать дома электрическую машину — ту самую, которую мы все видели в школе, крутящийся круг, на котором в силу трения образуется электрический заряд. Машину изобрели всего 100 лет назад (Otto von Guericke, 1663). Изначально это был вращающийся шарик серы диаметром сантиметров 15, к которому прикладывали ладонь. Кожа тёрлась о серу, и образовывалось электричество — на руке и на шарике. То, что это заряды разных знаков и что вообще бывают заряды разных знаков, узнают лишь спустя 70 лет, в 1733 году, всего за 4 года до рождения Гальвани. Вариантов электрической машины сразу же появилось великое множество, и скоро стала преобладать модель, к которой мы привычны.

Это изобретение стало первым рукотворным генератором в истории человечества. Электричество внезапно оказалось доступным всем и каждому, повсеместно! Естественно, не только в университетах, но и в приличных домах только ленивый не крутил круг и не наблюдал за проскакивающими искрами.

Гальвани крутил, конечно, тоже. Он как-никак был профессором, да ещё и Болонского университета! Пусть и профессором анатомии и гинекологии…

Всё началось с того, что Гальвани в очередной раз собирался экспериментировать с электрической машиной. Пока он готовился к опыту, его жена с той машиной игралась. Так получилось, что жена, раскрутив круг, потеряла к машине интерес и переключилась на лежащий на том же столе препарат лягушки. Она возилась с мёртвой лягушкой, раздвигая мышцы бедра кончиком ножа, и тут вдруг лапка дёрнулась. Жена удивилась и окликнула Гальвани. Движение лапки заметил и помощник Гальвани (скорее всего один из его двух племянников). Помощник уверял, что в момент, когда лапка дёрнулась, между разрядниками ещё не остановившейся электрической машины как раз проскакивали искры. Гальвани повторил действия жены. И всё подтвердилось. Если ножом, никак не связанным с электрической машиной, никак с ней не соединённым, касаться лапки лягушки,  то при проскакивании в машине искры лапка дёргается.

Сокращения мышц очень долго, ещё со времён древних греков, объясняли существованием особого «животного духа» (spiritus animalis). Декарт, например, за век до Гальвани говорил, что потоки некой неощутимой жидкости посылаются по нервам, как по трубкам, от головного мозга к мышцам. Эти потоки заставляют мышцы опухать, что и есть сокращение.

Подобное объяснение в просвещённом XVIII веке уже не работало — почему этот «животный дух» никак не удаётся обнаружить, почему он не оставляет никаких следов, как он столь быстро (мгновенно!) попадает из мозга в мышцу, почему под его воздействием мышца столь быстро (мгновенно!) опухает, почему она потом столь же мгновенно приходит в норму, почему по нерву не пробегает «пульсовая» волна, куда этот «дух» потом исчезает, почему при мышечном сокращении растёт потребление кислорода и выброс углекислого газа (Лавуазье) и т.д.?

За 30 лет до опытов Гальвани к «животному духу» присоединилось электричество. Оказалось, что удар током тоже может приводить к сокращению мышц. Голландский математик и немножко врач Питер Мушенброк (Petrus van Musschenbroek, 1746 г., Гальвани как раз было 9 лет) узнал на весьма болезненном личном опыте, что электричеством можно вызвать сокращение мышц.

Это открытие произошло одновременно с изобретением конденсатора (или, как говорили в те времена, «лейденской банки»). Мушенброк, держа в правой руке стеклянную банку, заполненную водой, погрузил в воду провод, идущий от одного из разрядников электрической машины, и попытался левой рукой извлечь искру. Искры не получалось, но Мушенброк попыток не оставлял. И тут вдруг его правая рука «была поражена ударом такой силы, что всё тело содрогнулось, как от удара молнии». Мушенброку в тот момент показалось, что ему «пришёл конец». Это был «ужасный опыт, который никому не посоветуешь повторять».

С появлением лейденской банки и без того повальное увлечение электричеством получило новый толчок. Все били током всё.

Член Парижской академии наук аббат Нолле, например, предлагал развлекать толпы зрителей, разряжая лейденскую банку через цепь, скажем, из 300 гвардейцев. Или можно было бы выстроить в цепь длиной километр монахов. Они все подпрыгнут от боли одновременно, и толпа убедится, что скорость распространения электричества весьма высока. Про товарища Нолле по переписке натуралиста Лемонье злые языки говорили, что он таки претворил идеи аббата в жизнь и пригласил короля Людовика XV посмотреть, как он разряжает лейденскую банку через 140 выстроившихся цепочкой в круг придворных. Правда это или нет за давностью времён уже не установишь, но доподлинно известно, что проволока длинной 1,8 км действительно существовала, через неё Лемонье действительно разрядил лейденскую банку и что именно Лемонье первым получил доказательства того, что электричество распространяется на большие расстояния «мгновенно».

Основываясь на сходстве ощущений Мушенброка с теми, что испытывает человек, подвергшийся нападению электрического ската, Джон Уолш (John Walsh, 1772 г.) доказал электрическую природу ударов электрических рыб. Раньше эти удары считали механическими. Уолш же сумел добыть из ската самую настоящую электрическую искру.

Появился термин «медицинское электричество». В те времена в каждой приличной больнице стояли и электрическая машина, и лейденская банка. Газеты пестрели объявлениями кудесников, которые обещали вылечить током то и это. Лечение электричеством практиковал, например, Марат, будущий революционер и «Друг народа». Бенджамин Франклин всерьёз рассуждал в своих статьях, можно ли верить обещаниям «электрических целителей».

Учёные тут и там прикладывали провода к разным органам животных. Довольно быстро выделился главный объект для экспериментирования — лягушка. Она дешева,  повсеместно доступна, легка для препарирования. Да ещё и мышцы лягушки оказались чувствительными даже к слабым разрядам тока.

Главным специалистом по действию электричества на органы животных и одновременно главным мучеником новой науки считался Кальдани (Leopoldo Marc-Antonio Caldani). В 1755 гг. он начал изучение действие разрядов на сокращения сердца и мышц — как при прямом воздействии, так и через нервы. Вслед за Халлером (Albrecht von Haller) он утверждал, что распространение электричества в органах не похоже на движение жидкости, пусть даже и особенной. Из-за электричества Кальдани как раз и рассорился с коллегами и вынужден был в 1760 г. оставить Болонский университет и уехать в Венецию, а потом и в Падую. Вот уж кто-кто, а Кальдани насмотрелся на дёргания лапок лягушек под действием электричества больше, чем кто-либо ещё в мире, — но всегда при прикладывании к лапкам провода с электрическим зарядом!

Однажды, правда, Кальдани стал свидетелям дёргания лапки в момент проскакивания искры без непосредственного контакта с проводом. Он это где-то записал, но никакого значения не придал. Наверное, посчитал случайностью.

Гальвани об этом не знал. И хорошо, иначе явление оставалось бы неисследованным ещё очень долго.

Спустя 20 лет после Кальдани лапка лягушки дёргалась уже на столе Гальвани — без какого-либо контакта с работающей электрической машиной.

Неужели «электрическая жидкость» может течь по воздуху?

Кстати, самая первая теория электричества, сформулированная ещё в 1747 году Бенджамином Франклином, гласила, что «электричество — это нематериальная жидкость», что бы это ни значило. «Электрическая жидкость» «течёт» по проводам, как по трубкам. Её движение есть «течение», «ток» электричества.

Гальвани с Франклином не спорил, он лишь хотел понять, как вообще могло оказаться возможным то, что раз за разом происходило на его столе.

После многих опытов выяснилось, что если держать нож строго за костяную ручку, ничего не происходит. Для дёргания лапки нужно, чтобы палец исследователя касался одного из железных гвоздиков, которыми крепили ручку к лезвию.

Значит, человек в этом опыте играет важную роль? Не как экспериментатор, а как составная часть прибора? Это как?

Гальвани попытался заменить человека чем-нибудь ещё. Получилось! Вместо исследователя к ножу мог прикасаться длинный железный провод. Именно длинный, с коротким лапка не дёргалась.

Означало ли всё это, что «электрическая жидкость» не может «перетекать» по воздуху непосредственно в лапку лягушки? Ей нужен массивный проводник, вроде человека или длинного провода?

Ответа не было.

В наше время снисходительно говорят, что ведь уже целый год было описано явление возвратного удара молнии (1779 г.). Это когда навстречу молнии, бьющей с неба в землю, от земли в небо бьёт другая молния. Мол, возвратный удар молнии и дёргание лапки лягушки в момент проскакивания искры в электрической машине — это явления одного рода. Но каким, чёрт побери, чудом эти два явления могли связаться в голове Гальвани?

Как бы то ни было, Гальвани продолжал свои эксперименты.

А что, если создать «электрической жидкости» препятствия?

Гальвани унёс лапку в другую комнату.

Гальвани закрыл лапку в стеклянной банке.

Гальвани отсосал из банки весь воздух.

И всё равно лапка каждый раз дёргалась — при условии, что длинный провод какой-то своей частью находился рядом с электрической машиной и соответственно тянулся без разрывов в ту комнату, где находился препарат лягушки.

Значит, электричеству важен именно массивный проводник, но совсем не важен воздух?

Может, всё дело в том, что в опыте использовалось «рукотворное» электричество? Может, «природное», «естественное» электричество ведёт себя иначе?

Волна интереса к электричеству привела к созданию большого количества новых теорий. Одна из них, например, пыталась объяснить, почему искры, проскакивающие между разрядниками электрической машины, так похожи на молнию. Может, молния — это тоже электричество? Аналогия получалась заманчивой: ветер движет воздух с находящимся в нём водяным паром-облаками, и таким образом воздух «трётся» о землю — всё как в электрической машине. От этого трения вполне может возникать заряд. Когда этот заряд, так сказать, разряжается, мы видим молнию.

Чтобы проверить это, Бенджамин Франклин почти сразу после изобретения лейденской банки, в июне 1752 года, запустил в грозовое небо воздушный змей на смоченном в воде шнуре. Шнур был привязан к металлической ручке. Из этой ручки к тыльной части кисти Франклина стали проскакивать искры. На вид — такие же, как в электрической машине. И ощущения от этих искр были такие же, как от ударов лейденской банки. В общем, молнию стали считать электричеством.

Чтобы проверить действие «естественного» электричества, Гальвани вынес свои опыты во двор.

Во время грозы лягушачья лапка послушно дёргалась — в момент вспышки молнии, одновременно с ней, задолго до грома.

Но удивительно, она иногда дёргалась и без молний.

А это как объяснить?

Может, электричество есть в воздухе всегда? Когда его очень много, сверкают молнии. А когда меньше, молний нет, но электричество-то ведь всё равно в воздухе есть? Атмосфера с её паром-облаками трётся о землю не только тогда, когда сверкают молнии! Если так, то и гроза не так уж важна. Электричество должно быть в воздухе и при ясной погоде, только совсем мало.

Гальвани принялся развешивать препараты лягушек на железной ограде своего двора в ясную погоду. Лапки не дёргались.

Гальвани решил, что препаратам лягушек нужно дать время «накопить» электричество. Ведь даже лейденской банке нужно время, чтобы накопить электричество!

Гальвани часами сидел рядом с оградой, но ничего не происходило. Говорят, однажды он так продежурил три дня подряд.

В один прекрасный момент ему, однако, надоело. В сердцах он прижал спицу, торчащую из препарата, к ограде. И лапка немедленно задёргалась.

А это как понимать? Атмосферному электричеству нужна помощь ограды?..

Прошло несколько месяцев. И лягушачья лапка преподнесла совсем уж немыслимый сюрприз — она дёргалась в тазике, а рядом не было ничего, вообще ничего, связанного с электричеством. И на атмосферное электричество не получалось списать, ведь всё происходило в доме.

Сказать, что Гальвани был поражён — ничего не сказать. Он был ошеломлён. Как такое возможно, что лапки дёргаются при искрах в не подсоединённой электрической машине и при молниях во время грозы, дёргаются без искр и молний под грозовыми тучами, дёргаются в ясную погоду при прижимании спицы к ограде, а теперь ещё они дёргаются вообще в доме, и рядом нет ни электрической машины, ни лейденской банки, ни даже проводов?

Гальвани вынул лягушку из тазика. Дёргания прекратились. Положил обратно. Тоже ничего. Вспомнил, что когда он бросил препарат в тазик, спица коснулась стенки тазика. Прижал спицу к стенке, и лапка задёргалась. Совсем как там, во дворе, когда он прижал спицу к ограде. Значит, важно было не атмосферное электричество, а именно прижимание спицы к ограде? А здесь, дома, — к стенке тазика?

Гальвани стал повторять этот опыт снова и снова. Быстро выяснилось, что прижимать спицу нужно именно к проводящему материалу. И сама спица должна быть из проводящего материала.

Потом выяснилось, что важно, чтобы спица и тазик были сделаны из разных металлов. Ну, как было в самом начале — спица медная, а тазик железный.

И важно, чтобы препарат, включая спицу, был мокрым.

Всё это требовало объяснений, а объяснений не было. Никаких.

Гальвани ставил свои опыты 11 лет. Первый протокол экспериментов у него датируется ноябрём 1780 года, а статья с результатами изысканий была опубликована лишь в 1791 году. Как раз в этой статье Гальвани и дал объяснение, которое ему казалось единственно разумным — всё дело в том, что лягушка сама является источником электричества. Это электричество в ней есть, и когда спица прижимается к стенке тазика, оно разряжается. Ну а когда «внутреннее» электричество разряжается, происходит сокращение мышц. Что касается влияния проскакивающих в электрической машине искр и проскакивающих в грозовом небе молний, то они лишь «возбуждают» и без того существующее внутреннее электричество.

«Животный дух» был окончательно похоронен. Его место заняло «животное электричество».

Головной и спинной мозг оказались электрическими машинами, а мышцы — лейденскими банками.

Именно тогда и появилось представление, которое в какой-то степени всё ещё живёт в умах троечников и в наши дни: мозг вырабатывает разряд электрического тока, который бежит по «проводам»-нервам к мышцам, и те под ударом этого тока сокращаются.

Теория и подкрепляющие её эксперименты вызвали фурор. Сенсацию. Это был настоящий триумф Гальвани.

Но и проблемы с этой теорией обнаружились почти сразу же.

Почему спица и тазик (спица и ограда) должны быть из разных металлов? Почему они должны быть мокрыми? Зачем для «возбуждения» и так существующего «внутреннего» электричества нужен именно массивный проводник? Почему после одного разряда лягушачья лапка может дёргаться снова и снова, причём с той же силой, ведь существовавшее в теле электричество уже разрядилось, а новое выработать невозможно — лягушка-то ведь мёртвая! А как же чувствительность — там ведь заряд должен идти в обратном направлении к мозгу от обычной кожи? Или вот такой вопрос — почему молнии не ввергают эпилептиков в приступы неконтролируемых конвульсий?

Один из главных энтузиастов новой теории 46-летний профессор университета Павии Алессандро Вольта очень быстро превратился в её главного критика. Он проделал весьма дерзкий эксперимент — вообще убрал из цепи лягушку. И выяснилось, что дело не в ней! Во всех экспериментах Гальвани она играла роль не более чем электролита. Фактически, медицинская профессия Гальвани сыграла с ним злую шутку. Он пытался объяснить свои эксперименты как биолог, а должен был смотреть на них как физик (кем он не являлся ни по образованию, ни по опыту, ни по складу мышления).

Как объясняется действие на лягушку проскочившей неподалёку электрической искры? Это электрическая индукция, явление наведения собственного электрического поля при действии на тело внешнего электрического поля.

Как объясняется действие на лягушку соприкосновения двух разных металлов? В месте соприкосновения металлы продуцируют электрический ток.

А как же «животное электричество»? Если коротко, его не существует. Во всяком случае, в том виде, как его описал Гальвани.

Так что же, блестящие эксперименты завершились просто созданием псевдонаучной теории?

Гальвани открыл новый источник электричества — как раз то самое место соприкосновения двух разных металлов в присутствии электролита. Гальвани не понял этого. Вольта понял. И Вольта сложил «вольтов столб», первую электрическую батарею. А почему мы до сих пор называем химическую батарейку «гальваническим элементом»? Потому что Вольта настоял на увековечивании имении Гальвани. Все батарейки и аккумуляторы, которыми мы пользуемся, — это последствия опытов Гальвани.

Работа Гальвани дала начало новому разделу науки — электрофизиологии. И нейрофизиологии. То, что он сделал, те результаты, которые он получил, вдохновили на нескончаемые опыты с электричеством, нервами, мышцами, клетками множество учёных.

Дюбуа-Реймон (Du Bois-Reymond) в 1843 раскрыл тайну биологического электричества. Оказалось, что оно, в отличие от металлов, никакого отношения к электронам не имеет. Это разница потенциала (разница электрического заряда) между скопившимися по разные стороны от биологической мембраны «заряженными молекулами» (теперь мы их называем ионами — Ca2+, Na+, K+, Cl- и т.д.).

В 1849 г. Гельмгольц (Hermann von Helmholtz) сумел измерить скорость, с которой эта разница потенциала распространяется по нервному волокну. Выяснилось, что эта скорость весьма далека от скорости распространения электрического тока в металлах (скорости света) и составляет, согласно измерениям Гельмгольца, 25-39 м/с.

Имели опыты Гальвани и совсем уж неожиданные последствия. Один из его племянников Альдини (Giovanni Aldini) устраивал публичные «электрические пляски» с телами казнённых преступников. На самой нашумевшей презентации, 18 января 1803 г. в Лондоне, он прикладывал провода с подведённым к ним напряжением в 120 вольт ко рту и уху повешенного убийцы. Лицо мертвеца корчилось, губы шевелились, левый глаз открылся, рука приподнялась. Понятно, что об этом вечере говорил не только весь Лондон, но и вся Англия, вся Европа. Естественно, что Альдини считают прототипом доктора Франкенштейна (1818).



Интересные факты:

• Уже 200 лет живёт ничем не подтверждённая легенда, что дёргание лапки лягушки Гальвани открыл не во время подготовки к очередному эксперименту, а когда варил для больной жены укрепляющий бульон из лягушиных лапок. Отсюда, мол, и возникла необходимость содрать с лягушек кожу и рассечь их поперёк. Эту легенду дополняет ещё одна, менее распространённая, — что в ходе приготовления бульона Гальвани зачем-то вывесил на перилах балкона тушки, их раскачивал ветер и, когда спицы соприкасались с перилами, лапки лягушек дёргались.

• Гальвани лишился профессорской должности, а вместе с ней и большей части возможностей для экспериментирования, сравнительно рано, в возрасте 60 лет. В 1797 году он отказался присягнуть только что созданной Наполеоном Цизальпийской республике. В эту республику вошёл и родной город Гальвани Болонья, и всех профессоров Болонского университета заставили принести присягу. Гальвани отказался, и был отправлен в отставку. Что касается Вольта, то у того с Наполеоном сложились самые тёплые отношения. Вольта получил от Наполеона титул графа и звание сенатора.

• Вольта был лишь на 8 лет моложе Гальвани, но он продолжал научную деятельность ещё 30 лет после ранней отставки Гальвани, и потому они оказались людьми разных эпох. Гальвани, например, всегда изображают в камзоле и усыпанном пудрой парике, а Вольта — с более-менее современной стрижкой и во вполне разночинном сюртуке.

• За 30 лет до Гальвани гальванический элемент имел шанс создать немец Зульцер (Johann Georg Sulzer, 1752 г.), который положил одну монету на язык, а другую, из другого металла, — под язык. Едва монеты соприкоснулись краями, во рту появился кислый вкус. Начался гидролиз слюны, а на ионы водорода Н+ сосочки языка реагируют кислым вкусом. Зульцер однако, вдаваться в детали, а тем более исследовать это явление не стал.

• До опытов Гальвани человечество знало 5 источников электричества, все — непрактичные: 1) трение янтаря или той же серы, 2) электрические рыбы, 3) молнии, 4) пироэлектрический источник (нагреванием, например, турмалина, 1756 г.) и 5) электретический источник (при застывании в мощном электростатическом поле некоторых расплавленных веществ, например, воска — Вильке, 1758 г).


____________________________________
Использованные источники: Blondel C., Wolff B. Galvani and "animal electricity", 2007; Blondel C., Wolff B. L';nigme de la bouteille de Leyde, 2006; Chau Wu Electric Fish and the Discovery…, 1984; Le Monnier, L.-G. Recherches sur la Communication de…, 1746; Piccolino M. Animal electricity and the birth…, 1998; Азерников В. Неслучайные случайности, 1972; Википедия; Коржуев М.А. Формальный анализ опытов Гальвани…, 2009; Плачкова С.Г. Энергетика…, 2012; Повный А. Первая электрическая машина, 2015; Харламова Т.Е. История науки и техники…, 2006; Юлин П. Электрические процессы в…, 2015.