Открытие Гальвани и Вольта

Принято думать, что сделавшие эпоху в развитии учения об электричестве открытия Гальвани были плодом случая. Вероятно, такое мнение основано на начальных словах трактата Гальвани: "Я разрезал и препарировал лягушку... и, имея в виду совершенно другое, поместил её на стол, на котором находилась электрическая машина... Один из моих помощников остриём скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки... Другой заметил... что это удаётся тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра... Удивлённый новым явлением, он тотчас же обратил на него моё внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощён своими мыслями".

Однако случайность открытия была очень незначительной, тот же Гальвани или кто-либо другой непременно пришли бы к открытию явления. Не случайно у Гальвани стояла электрическая машина, так же как и не случайным было то,что он задумал какой-то эксперимент с препаратом. Несомненно, что идеи французских материалистов о материальности психических процессов толкали научную мысль на раскрытие в первую очередь физической природы ощущения, а успехи, достигнутые физиологами, микроскопистами и химиками в понимании таких важных жизненных процессов, как кровообращение, пищеварение, дыхание, стимулировали такие поиски. Изучение электрических явлений, уже сведшее с высот на землю гром и молнию, дало материал ля вывода о важной роли электричества в биологии. Сокращение мышц при электрическом разряде ("электрический удар") приближало мысль, что и в поведении электрических скатов, угрей, сомов мы имеем дело также с электрическим ударом. И, действительно, опыты Джона Уолша (Walsh) и Ларошели доказали электрическую природу удара ската, а анатом Гунтер дал точное описание электрического органа этого животного. Исследования Уолша и Гунтера были опубликованы в "Phil. Trans." в 1773 г. Случайное открытие философа Зульцера в 1752 г., что прикосновение к кончику языка двух разнородных металлов вызывает своеобразное кислое вкусовое ощущение, было им описано, ибо автор чувствовал научный интерес этого открытия в эпоху изучения действия физических раздражителей. В числе этих физических раздражителей первое место занимало электричество, и практическая медицина возлагала большие надежды на электрические методы лечения.

О степени интереса к электрическим методам лечения можно судить, например, по письму Марата к Руму де-Сен-Лорен от 9 ноября 1783 г., в котором он сообщает о своих физических исследованиях и об отношении к ним академии. Из письма и приложенных к нему документов, между прочим, видно, что врач и физик Марат, будущий знаменитый "друг народа", с успехом применял физические методы лечения и разработал интересную методику экспериментального исследования природы огня, света и электричества. Опыты Марата привлекали большое внимание, в том числе и таких деятелей, как Франклин. Специально по вопросу об электромедицине Марат говорит в этом письме о своём намерении "заняться электричеством в области медицины, наукой, которая так сильно интересует общество". Критикуя премированную работу аббата Бертелона, который "выдаёт электризацию за универсальное средство от всех болезней", Марат сообщает о своей работе, получившей премию Руанской академии, предложившей конкурсную тему: "Определить степень и условия, при которых можно рассчитывать на электричество в лечении болезней". Как видим, интерес к электромедицине в эпоху Гальвани был значительным.

Письмо Марата, в котором он обвиняет академию в невнимании к его научным заслугам, интересно и в другом отношении. Разработанная Маратом методика наблюдений в тёмной комнате позволила, по его утверждению, видеть материю огня и электричества, наблюдать дифракцию у краёв призмы. Эти идеи Марата - несомненный отзвук увлечения различными "флюидамрг", в том числе и психическими флюидами. Академия, не нашедшая возможным проверить опыты Марата, оказалась вынужденной образовать авторитетную комиссию для проверки опытов заведомого шарлатана Месмера. Месмер, прибывший в Париж в 1771 г., ловко использовал модные научные теории об огненных, электрических, магнитных и других флюидах и утверждал, что им открыт новый вид тонкого агента - "животный магнетизм". "Животный магнетизм,- говорил Месмер,- может скопляться, концентрироваться и переноситься без помощи тел посредствующих; он отражается, как свет...". Само собой разумеется, что "животный магнетизм есть универсальное лекарство и спаситель человеческого рода". Месмер имел большой успех, его поклонники собирали ему огромные суммы денег, преследовали противников месмеризма вплоть до нападения на Бертолле; король предлагал ему пожизненную пенсию в 20 тысяч франков за раскрытие секрета.

Рис. 186. Месмерические сеансы

После его отъезда из Франции была образована правительственная комиссия в составе четырёх медиков и академиков - Леруа, Бори, Лавуазье и Бальи. Бальи представил доклад комиссии в августе 1784 г. Этот доклад вызвал протесты и возражения со стороны месмеристов, так как комиссия после тщательного анализа фактов пришла к выводу, что постоянного агента не существует и что случаи излечения им нервных трансов имеют своим источником воображение. Вообще говоря, в донесении комиссии не говорится о невозможности животного магнетизма, такая гипотеза не противоречила научным воззрениям того времени, но она не обнаружила неизменного действия в проверенных ею фактах, а потому и констатировала отсутствие физического агента в этих фактах.

Таким образом, ко времени начала опытов Гальвани (1786) не было недостатка в попытках физической трактовки психических и физиологических явлений. Практическая медицина сделала свои выводы из успехов естествознания и из научных воззрений эпохи, почва для возникновения учения о животном электричестве была вполне подготовлена.

Нет ничего удивительного в том, что профессор анатомии и медицины Болонского университета Луиджи Гальвани (родился 19 сентября 1737 г., умер 4 декабря 1798 г.) был необычайно поражён наблюдением, сделанным его сотрудниками, с описания которого начинается его знаменитый трактат "О силах электричества при мышечном движении". Как справделйво указал впоследствии Вольта, в самом факте вздрагивания лапки препарированной лягушки при электрическом разряде с физической точки зрения не было ничего нового: это явление электрической индукции, а именно явление так называемого возвратного удара, разобранного Магоном в 1779 г. Но Гальвани подошёл к факту не как физик, а как физиолог, его заинтересовала способность мёртвого препарата проявлять жизненные сокращения под влиянием электричества.

Он с величайшим терпением и искусством исследовал эту способность, изучая её локализацию в препарате, условия возбудимости, действие различных форм электричества и в частности атмосферного электричества. Классические опыты Гальвани сделали его отцом электрофизиологии, значение которой в наше время трудно переоценить. Но Гальвани во время исследования действия атмосферы на препарат пришёл к замечательному открытию. Тщетно ожидая сокращения мышц в ясную погоду, он, "утомлённый... тщетным ожиданием... начал прижимать медные крючки, воткнутые в спинной мозг, к железной решетке"^* ... "Хотя я,- говорит он далее,- нередко наблюдал сокращения, но ни одно не соответствовало перемене в состоянии атмосферы и электричества... Когда же я перенёс животное в закрытую комнату, поместил на железной пластине и стал прижимать к ней проведённый через спинной мозг крючок, то появились такие же сокращения, такие же движения". Отсюда Гальвани, осуществив ряд экспериментов, приходит к выводу о существовании нового источника и нового вида электричества. Его приводят к такому выводу опыты составления замкнутой цепи из проводящих тел и металлов и лягушечного препарата. Особенно эффектен следующий опыт: "если держать висящую лягушку пальцами за одну лапку так, чтобы крючок, проходящий через спинной мозг, касался бы какой-нибудь серебряной пластинки, а другая лапка свободно могла бы касаться той же пластинки, то как только эта лапка касается указанной пластинки, мышцы начинают немедленно сокращаться. При этом лапка встаёт и поднимается и затем, вновь упав на пластинку, вместе с тем приходит в соприкосновение с последней, снова по той же причине поднимается вверх, и, таким образом, продолжает далее попеременно подниматься и падать, так что эта лапка, к немалому восхищению и радости наблюдающего за ней, начинает, кажется, соперничать с каким-то электрическим маятником".

^* (В первоначальном рассказе Гальвани (см. Розенбергер, П) упоминание о медных крючках отсутствует и появилось позднее в его трактате,откуда и цитируется при ведённая нами выдержка.)

В такой сложной форме был открыт новый источник электричества, создающий в проводящей замкнутой цепи длительный разряд. Естественно, что физиолог Гальвани не мог допустить и мысли, что причина явления кроется в контакте разнородных металлов, и предложил, что мышца является своеобразной батареей лейденских банок, непрерывно возбуждаем эй действием мозга, которое передаётся по нервам.

Теория животного электричества подводила базу под практическую электромедицину, и открытие Гальвани произвело сенсацию. В числе ревностных адептов новой теории оказался и знаменитый Вольта, не замедливший приступить к проверке и к тщательному количественному исследованию явления. Это исследование он предпринял во всеоружии современной ему электрометрической техники. В первых своих статьях ("О животном электричестве", письмо доктору Баронио отЗ апреля 1792 г., и двух статьях "О животном электричестве", напечатанных в "Физико-медицинском журнале" Брунвелли) Вольта разделяет точку зрения Гальвани. Однако уже здесь намечается будущий отход, от этой теории, выдвигаются на первый план физические моменты эффекта. Прежде всего Вольта устанавливает, что соответствующим образом "препарированная лягушка представляет, если можно так выразиться, животный электрометр, несравненно более чувствительный, чем всякий другой самый чувствительный электрометр".

Затем Вольта устанавливает важность контакта разнородных металлов. "Такое различие металлов безусловно необходимо; если же обе обкладки из одного и того же металла, то следует, чтобы они отличались, по крайней мере, по способу их приложения..." (т. е. по состоянию контактной поверхности). Далее Вольта показывает, что ток электрического флюида обусловлен контактом разнородных металлов и может производить не только мышечные сокращения, но и другие раздражения нервов. В частности Вольта повторяет опыт Зульцера (не зная пока, что этот опыт был уже осуществлён) и обращает внимание, "что этот вкус продолжает ощущаться и даже усиливается в продолжение всего времени, пока эти два металла, олово и серебро, остаются приложенными один к кончику языка, другой к другим частям последнего и пока они соприкасаются друг с другом, составляя некоторую проводящую дугу. Это доказывает, что переход электрического флюида с одного места на другое совершается постоянно и беспрерывно". Наконец, Вольта устанавливает полярность эффекта: перемена обкладок местами вызывает изменение вкуса с кислого на щелочной. В свете этих фактов теория мышечной лейденской банки Вольта представляется несостоятельной.

Вольта

В последующих статьях: "Описание открытий Гальвани" (два письма к члену Королевского общества - Кавалло), "Третья статья о животном электричестве" (письмо к проф. Альдини - племяннику Гальвани) и "Новая статья о животном электричестве" (три письма к Вассали - профессору Туринского университета), Вольта полностью порывает с теорией животного электричества и даёт физическую трактовку эффекта. Во втором письме к Кавалло Вольта пишет: "... я открыл новый весьма замечательный закон, который относится собственно не к животному электричеству, а к обычному электричеству, так как этот переход электрического флюида, переход, который не является моментальным, каким был бы разряд, но постоянным и продолжающимся всё время, пока сохраняется сообщение между обеими обкладками,имеет место независимо от того,наложена ли эта обкладка на живое или мёртвое животное вещество, или на другие не металлические, но достаточно хорошие проводники, как, например, на воду или на смоченные ею тела". А первое письмо к Вассали (от 10 февраля 1794 г.) Вольта прямо начинает вопросом: "Что вы думаете о так называемом животном электричестве? Что касается меня, то я давно убеждён, что всё действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-нибудь влажному телу или самой воде".

Физиологические раздражения нервов являются результатом проходящего тока, и эти раздражения "тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга применённые два металла в том ряду, в каком они поставлены нами здесь: цинк, оловянная фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит". Этот знаменитый ряд напряжений Вольта и открытый им закон напряжений составляют ядро всего эффекта. Животные органы, по Вольта, "являются чисто пассивными, простыми, очень чувствительными электрометрами, и активны не они, а металлы, т. е. что от соприкосновения последних и происходит первоначальный толчок электрического флюида, одним словом, что такие металлы не простые проводники или передатчики тока, но настоящие двигатели электричества...". В одном из примечаний к этой статье Вольта вновь подчёркивает, что к идее о контактном напряжении он пришёл уже более трёх лет тому назад и уже в 1793 г. дал свой ряд металлов.

Таким образом, суть эффекта заключается, по мнению Вольта, в свойстве проводников "вызывать и приводить в движение электрический флюид там, где несколько таких проводников разного класса и сорта встречаются и соприкасаются между собою".

Рис. 187. Вольтов столб

"Отсюда и получается, что если из них три и больше, и притом различные, составляют вместе проводящую цепь, если, например, между двумя металлами - серебром и железом, свинцом и латунью, серебром и цинком и т. д.- ввести один или более проводников, именно из того класса, который назван классом влажных проводников, так как они представляют жидкую массу или содержат некоторую влагу (к ним причисляются животные тела и все их свежие и сочные части), если, говорю я, проводник этого второго класса находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов, то вследствие этого возникает постоянный электрический ток того или иного направления, смотря по тому, с какой из сторон действие на него оказывается сильнее в результате такого соприкосновения".

Так ясно и чётко Вольта сформулировал условия возникновения постоянного тока: наличие замкнутой цепи из различных проводников, причём по крайней мере один должен быть проводником второго класса и соприкасаться с различными проводниками первого класса. Когда гальванисты возражали опытами, в которых мышечные движения возбуждались дугой из однородного проводника и даже, как в опытах Валли, соприкосновениями различных препаратов без металлического проводника, то Вольта указывал, что и в этих опытах имеется неоднородность. Концы одной проводящей дуги различны, осуществить их полную однородность почти невозможно, контактная разность может возникнуть и при соприкосновении различных проводников второго класса. "... Неметаллические проводники, проводники жидкие или содержащие в себе в той или иной мере влагу, те, которые мы называем проводниками второго класса, и они одни, сочетаясь друг с другом, будут являться возбудителями, как металлы, или проводники первого класса в сочетании с проводниками второго класса...".

В дальнейшем Вольта в целях устранения всяких сомнений в не физиологической, а чисто физической сути дела исключает животные препараты, служившие до тех пор индикаторами тока. Он разрабатывает методику измерений контактных разностей потенциалов своим конденсаторным электрометром. Об этих классических опытах Вольта сообщает в письме к Грену 1795 г. и Альдини в 1798 г.

20 марта 1800 г. Вольта написал свое знаменитое письмо Бенксу с описанием своего столба,- изобретения, произведшего подлинную революцию в науке об электричестве. В письме к Барту от 29 августа 1801 г. Вольта сообщает о найденном им законе напряжения для проводников первого класса [A/B + B/С = А\С]. 7 и 21 ноября 1801 г. в Париже он прочитал две лекции о своем столбе и законе напряжений. Первое сообщение об этих лекциях было опубликовано Пфаффом в IX томе гильбертовских "Анналов" за 1801 г., второе - Био в X томе тех же "Анналов". Так завершилась история выдающегося открытия и вместе с тем история научной деятельности Гальвани и Вольта^*.

^* (Александр Вольта родился в Комо 19 февраля 1745 г. Уже с 18 лет ведёт переписку с Нолле по вопросам физики, на девятнадцатом году написал латинскую поэму о современных физико-химических открытиях. Первая работа 1764 г. посвящена лейденской банке, следующая работа 1771 г.- "Эмпирические исследования способов возбуждения электричества и улучшение конструкции машины". С 1774 г.- преподаватель физики в Комо. В 1777 г. изобретает электрофор, затем конденсатор и электрофор с конденсатором. Занимаясь исследованием горючего газа, изобретает электрический пистолет, водородную лампу, эвдиометр. С 1777 г.- профессор физики в Павии. В 1793 г. занимается опытами по расширению газов. В восьмидесятых годах изобретает пламенный зонд. За изобретение столба получил награду от Наполеона, был избран членом Института. После своего знаменитого изобретения отошёл от научной работы и только в 1817 г. опубликовал два исследования о граде и о периодичности гроз. В 1819 г. оставил профессорскую кафедру. Умер 5 марта 1827 г. в один день с Лапласом.)

Природа открытого эффекта была очень сложна, и при тогдашнем уровне физико-химических наук и физиологии раскрыть картину явления было невозможно. В споре о природе явления по существу оказались правы обе стороны. Гальвани стал основоположником электрофизиологии, а Вольта - основоположником учения об электричестве. В лабиринте противоречивых опытов и наблюдений Вольта нащупал правильный путь, нашёл опытный физический закон напряжений, дал правильное описание цепи электрического тока. Впереди ещё предстояли большие споры по вопросу о причине и природе контактной разности потенциалов, но в её существовании уже сомнений не оставалось, а в вольтовом столбе наука получила мощное орудие исследования, которым она и не замедлила воспользоваться.