Искра жизни. Электричество в теле человека

Хотя Гальвани и признал возражение Вольта, оно не разубедило его в существовании животного электричества. Он неопровержимо доказал, что даже контакта нерва с мышцей достаточно, чтобы вызвать сокращение – никакого металла для этого не требовалось. Сейчас мы знаем, что эксперимент давал такой результат, поскольку поврежденная ткань генерирует электрический ток, достаточный для сокращения мышцы. Гальвани не подозревал об этом. К сожалению, он опубликовал результаты эксперимента анонимно, и это в определенной мере снизило убедительность его аргумента.

Энергия для людей

Тот факт, что контакта нерва и мышцы было достаточно для инициирования сокращения, означал триумф гальванизма и поражение Вольта. Однако тот не сдался и продолжил развивать идею о том, что все дело в контакте разнородных металлов. В уверенности, что у электричества было неживотное происхождение, он решил полностью отказаться от лягушек. Вольта составил столб из чередующихся серебряных и цинковых дисков, разделенных намоченными в соленой воде картонными прокладками, и доказал, что при замыкании цепи, соединяющей верх и низ столба, в ней начинает течь электрический ток. Это была первая электрическая батарея. На деле его ударило током, когда он прикоснулся одной рукой к вершине столба, а другой – к его нижней части. Вольта также обратил внимание на удивительное сходство его изобретения с электрическими органами электрических угрей и скатов, рыб, способность которых поражать людей током была хорошо известна. Их электрические органы состояли из рядов клеток, разделенных электропроводной жидкостью, аналогично столбу Вольта из серебряных и цинковых дисков.

Удар тока от первой батареи Вольта был слабее, чем удар тока при разряде лейденской банки, однако батарея обладала одним исключительным достоинством: ток постоянно генерировался в ней самой, и ее не нужно было предварительно заряжать от электростатического генератора. Более сильный ток, а значит, и более сильный удар, можно было получить, увеличивая высоту столба дисков. Вольта описал свое изобретение в письме Королевскому обществу в Лондоне в 1800 г., озаглавленном «Об электричестве, возбуждаемом простым соприкосновением различных проводящих веществ». Письмо, написанное по-французски итальянским ученым и направленное в английское научное общество, наглядно показывает, что уже в 1800 г. наука была международной деятельностью. Позднее Вольта преподнес Королевской ассоциации в Лондоне в дар один из своих «вольтовых столбов», который по сей день хранится там.

Схватка титанов

Разногласия между Гальвани и Вольта в вопросе интерпретации экспериментов с лягушками иногда изображают как непримиримую научную схватку, которую Гальвани проиграл, а изобретение батареи представляют как триумф Вольта и победу физики над биологией. Однако говорить, что Гальвани был совершенно неправ, нельзя, поскольку идея генерирования живыми организмами электрических сигналов в нервах и волокнах мышечной ткани оказалась правильной. Как ни печально, но из-за того, что идеи Вольта взяли верх, развитие науки о животном электричестве остановилось на некоторое время.

Хотя этот вопрос расколол научное сообщество и последователи одной и второй идеи всерьез бились друг с другом, спор между самими Вольта и Гальвани не был ожесточенным. Вольта писал, что работа Гальвани содержит «одни из самых прекрасных и удивительных открытий» и что именно с его именем связан термин «гальванизм». Вольта даже информировал Королевское общество в Лондоне о работах Гальвани, представив «отчет о некоторых открытиях, осуществленных г-ном Гальвани из Болоньи; с экспериментами и их описанием». Любопытно, что в первом предложении он обозначает тему своего письма как описание открытий и исследований по «животному электричеству», хотя далее следует вывод, что оно не существует.

Идеи Гальвани отошли на задний план, возможно, отчасти из-за того, что он продвигал их не так активно, как его соперник. Гальвани по характеру был скромным человеком. Он опубликовал свою работу только в 1791 г., по меньшей мере десятилетие спустя после начала экспериментов, и сделал это (на латыни) в трудах Болонского научного института, которые не имели широкой известности. Дело осложнялось и тем, что Гальвани не любил дальних поездок, был плохим партнером по переписке, не публиковал никакой информации о некоторых экспериментах и вообще сообщал о своих открытиях только ближайшему окружению. Негативно сказывались на работе Гальвани и политические проблемы. В 1794 г. Болонью завоевал Наполеон, и через два года Гальвани пришлось оставить профессорскую должность, поскольку требование университета присягнуть Французской цизальпинской республике противоречило его политическим и религиозным принципам. Он укрылся в доме своего брата Джакомо и находился в отчаянии. Друзья добились для него освобождения от присяги ввиду значительности его научных достижений, но Гальвани скончался, так и не успев воспользоваться им. Ему шел всего 61 год.

Вольта обладал совершенно другим характером и вел иной образ жизни. Он был харизматичным и динамичным оратором и плодовитым (порою самонадеянным) автором, который публиковался на нескольких языках, широко распространял свои работы и с готовность принял новый режим. Вольта приобрел очень широкую известность, и его с почестями принимали по всей Европе. В 1801 г. он получил приглашение в Париж, где был удостоен золотой медали и прочитал три лекции с демонстрацией опытов. На всех трех лекциях присутствовал Наполеон. Вольта получил много других призов и знаков отличия, в 1805 г. Наполеон вручил ему орден Почетного легиона, а впоследствии он стал итальянским сенатором и графом. В его честь единица электрического потенциала была названа вольтом. Намного более дальновидный политически, чем Гальвани, Вольта продолжал пользоваться успехом даже после падения Наполеона и перемещения центра власти в Австрию.

«Безумные» ученые

Эксперименты Гальвани вызвали ажиотаж. По всей Европе ученые и просто любители пытались воспроизвести его эксперименты не только на препарированных лягушках, но и на других мертвых живых существах. Джованни Альдини, племянник Гальвани, представлял эффекты электричества вниманию публики особенно неординарным способом. Жутковатые публичные демонстрации экспериментов этого ученого и одновременно организатора представлений, возможно, были навеяны романом Мэри Шелли «Франкенштейн». Воздействия электрическим разрядом на лягушачьи лапки показалось Альдини мало, и он стал использовать тела недавно казненных преступников. Как ни парадоксально с учетом его яростного неприятия идей Вольта, ему все же приходилось применять вольтов столб для генерирования электричества.

В записях Альдини отмечено, что в 1802 г. «первые обезглавленные преступники были доставлены в помещение неподалеку от места казни. Сначала голова подвергалась воздействию тока от столба из сотни серебряных и цинковых пластин. Металлическая проволока вводилась в ухо, увлажненное соленой водой. Другой конец проволоки присоединялся к верхней либо к нижней части вольтова столба. Сначала наблюдались сильные сокращения всех мышц лица, которое искажалось непредсказуемым образом, изображая самые ужасные гримасы. Особенно поражали движения век, хотя на человеческой голове они были не такими четко выраженными, как на голове быка».

Иллюстрация из тракта Альдини о его экспериментах на обезглавленных телах преступников под названием «Теоретическое и экспериментальное эссе о гальванизме». Высокий, похожий на карандаш предмет – это вольтов столб (примитивная батарея), который использовался для получения электрического тока. Ток подавался к трупу через изогнутый металлический стержень, присоединенный к неэлектропроводной стеклянной рукоятке. За нее держался экспериментатор, чтобы не получить удар током.

Самая известная демонстрация опытов состоялась в Лондоне 17 января 1803 г., когда Альдини провел эксперимент на трупе убийцы Томаса Фостера. Сразу после казни (через повешение) тело преступника привезли в Королевский хирургический колледж, где уже собралась большая аудитория. Альдини взял два электропроводных стержня, соединенных с концами вольтова столба, и приложил один ко рту трупа, а другой – к уху, после чего «челюсть начала подергиваться, лицо скорчилось в ужасной гримасе, а левый глаз открылся». Когда стержни прикладывали к рассеченным мышцам большого пальца, «кисть руки сжималась в кулак». В другом эксперименте электрический ток вызывал резкие сокращения всех мышц руки. Но самое удивительное произошло, когда стержни ввели в ухо и в прямую кишку. Это «привело к такому сильному сокращению мышц… что создавалось впечатление оживления организма».

Однако Альдини был не первым, кто начал проводить опыты на трупах людей. Еще в 1798 г. Ксавье Биша экспериментировал с телами гильотинированных во времена Французской революции спустя 40 минут после казни. Недостатка объектов исследования у него не было. Его эксперименты показали, что сокращения сердца можно восстановить электрическим разрядом при непосредственном контакте, и вызвали жутковатое восхищение как в науке, так и литературе.

Не менее фантастические эксперименты проводились в 1818 г. доктором Эндрю Юром, который наэлектризовывал аудиторию так же эффектно, как и труп. В своей книге «Словарь химии и минералогии» он пишет, что в анатомический театр Университета Глазго привезли труп чрезвычайно мускулистого молодого человека через 10 минут после казни. На теле сделали разрезы для подсоединения батареи через электропроводные стержни прямо к нервам. Прикладывание одного стержня к спинному мозгу, а другого к седалищному нерву вызывало сильные судороги всего тела. А «при прикладывании второго стержня к пятке нога, которая была согнута, распрямилась с такой силой, что чуть не опрокинула одного из ассистентов, пытавшегося помешать разгибанию». В следующем эксперименте стержень приложили к диафрагмальному нерву на шее. Результат оказался «поистине удивительным. В то же мгновение тело начало тяжело дышать. Грудь поднималась и опускалась; живот надувался и опадал в такт движению диафрагмы». Прикосновение стержнем к надглазничному нерву вызывало появлению самых невероятных гримас – «гнева, ужаса, отчаяния, мучения и страдальческой ухмылки на лице убийцы». Некоторые зрители поспешили покинуть зал, чтобы их не стошнило, а одному человеку стало дурно. Но самой ужасной была картина электростимуляции локтевого нерва, в результате которой стали шевелиться пальцы, «двигавшиеся так быстро, как пальцы скрипача», а в какой-то момент рука вздрогнула и, казалось, ткнула указательным пальцем в сторону зрителей. Некоторые решили, что труп ожил.

Такие представления не могли не привести к распространению мнения о том, что все врачи являются шарлатанами. Неудивительно, что лорд Байрон писал:

Каких только чудес не видим мы сейчас:Вакцина против оспы, трактор, гальванизм и газ.Они подогревают толпы ажиотаж,Покуда не растает он как дым или мираж.

Богохульный характер, придаваемый экспериментам «возможностью воскрешения» мертвых, также не остался незамеченным. Вкупе с франкенштейновским монстром они рождали представление об ученых как о «безумных» и «порочных» людях. Этот образ не покидает средства массовой информации даже сегодня.

Современные научные знания позволяют очень легко объяснить результаты экспериментов Гальвани и его коллег. Клетки организма не умирают в тот же момент, когда животное (или человек) делает последний вздох. Именно поэтому возможна пересадка органов одного человека другому, а переливание крови дает результат. Если многоклеточный организм не разорван на мелкие клочья, его смерть редко наступает мгновенно. Это постепенный процесс – многоэтапное угасание. Клетки нервной и мышечной ткани остаются живыми еще некоторое время после смерти человека, и их можно «анимировать» с помощью электричества. Электрический разряд, который возбуждает наши нервные волокна и заставляет управляемые ими мышцы сокращаться, точно так же действует и на нервы трупа. На деле эксперименты Юра и Альдини дают ясное представление о том, какими мышцами управляет тот или иной нерв. Понятно, что реакция будет тем вероятнее, чем меньше времени пройдет с момента смерти.

Эпоха чудес

К концу XVIII в. люди уже умели генерировать электричество, аккумулировать его и передавать по проводам на значительные расстояния. Его удивительные свойства интриговали ученых и стимулировали исследования. Культура эпохи Просвещения с присущим ей стремлением к популяризации научных достижений требовала организации зрелищных представлений, которые пробуждали интерес в более широком сообществе. Публичные лекции директора Королевского института в Лондоне Майкла Фарадея были настолько популярными среди аристократии, что на Албемарл-стрит возникала пробка, когда экипажи развозили слушателей. Это заставило власти сделать ее первой улицей в городе с односторонним движением.

Широко пропагандировалось использование электричества для лечения всех видов недугов, как отмечено в главе 12. Молниеотводы и первые электрические батареи представляли другие направления практического применения электричества и возвещали начало новой эры электричества. Однако возможности, открываемые электричеством, производили впечатление не на всех. Лабораторию Фарадея однажды посетил Уильям Гладстон, канцлер казначейства в то время. Он молча посмотрел на сложные электрические устройства ученого и сказал: «Все это очень любопытно, мистер Фарадей, однако имеют ли они практическое значение?» Фарадей за словом в карман не полез, он ответил: «Сэр, я не знаю, для чего именно будут использоваться эти машины, но уверен, что когда-нибудь вы станете облагать их налогом».

Помимо этого признание получила возможность стимулирования нервных и мышечных волокон электрическим разрядом. Хотя идею Гальвани о животном электричестве и поставили под сомнение, она не лишилась сторонников, поскольку с глубокой древности люди знали, что некоторые рыбы способны поражать добычу и врагов электрическим разрядом. К тому же в 1797 г. молодой ученый и исследователь Александр фон Гумбольдт установил, что правильны представления и Гальвани, и Вольта, и предположил, что сокращение мышечной ткани должно вызываться электрическим разрядом от управляющего ею нерва. В этом свете до идеи о том, что с помощью гальванизма можно оживить какое-нибудь мертвое существо наподобие франкенштейновского монстра, был всего лишь один шаг. Возможность регистрировать токи, связанные с нервной и мышечной деятельностью, и понять механизмы этой деятельности, появилась, однако, только с созданием соответствующей измерительной аппаратуры и с получением более глубоких представлений о природе самого электричества.

Глава 2

Молекулярные поры

Американский скакунПо кличке Импрессив,Свинья, которую трясет лихорадка,Стадо коз в Техасе, и кто-тоИз вас в первом рядуСо своими порокамиВздрогнут,Почувствуют трепет в ионных каналах,Увидев, как я падаю в бездну.Джо Шапкотт. Рассуждения

Во время устного экзамена в Оксфордском университете примерно в 1890 г. студента спросили, может ли он объяснить феномен электричества. Тот, запнувшись, ответил, что знал это, но забыл. «Какая жалость! – заметил экзаменатор. – Доселе всего лишь двое знали, что такое электричество: Создатель и вы. А теперь остался один».

Сегодня все мы хорошо знакомы с электричеством, поскольку именно оно обеспечивает энергией наше индустриальное общество. Почти все, что мы используем, – транспорт, осветительная и коммуникационная аппаратура, в том числе и компьютер, на котором я набираю эти строки, приводится в действие электричеством. Намного менее известен тот факт, что мы тоже являемся своего рода электрическими машинами и что электрический ток лежит в основе самой жизни. Этот ток, в свою очередь, возникает в процессе функционирования ионных каналов. Чтобы понять, как связаны эксперименты Гальвани с лягушачьими лапками с нашей способностью лечить расстройства электрической активности организма вроде эпилепсии или неонатального диабета, которым страдает Джеймс, нужно выяснить, что такое ионные каналы и какова их роль в электрических процессах в клетках.

Более полутора столетий после Гальвани ученые искали методы измерения электрических импульсов нашей нервной системы и пытались понять, что они означают. Еще больше времени потребовалось для обнаружения ионных каналов, которые отвечают за электрическую активность, однако их открытие перевернуло наши представления. Идеи, которые я пыталась постичь в студенческие годы и которые не раз были причиной бессонных ночей (особенно накануне экзаменов), вдруг обрели предельную ясность. В этой главе мы перенесемся в сегодняшний день и познакомимся с современными представлениями о работе ионных каналов. Сначала, однако, полезно дать определение электричеству и понять, чем электричество в наших головах отличается от электричества в розетке.

Святая троица

Электричество представляет собой форму энергии, связанную с электрическим зарядом – одним из фундаментальных свойств внутриатомной материи. Электрический ток, который течет по проводам в наших домах – и по нашим нервным волокнам, – описывается количественно с помощью трех базовых единиц: ампера (А), вольта (V) и ома (Ω). Они названы так в честь трех выдающихся европейских физиков XVIII в.: француза Андре Мари Ампера, итальянца Алессандро Вольта и немца Георга Ома. Ток измеряют в амперах, сопротивление току – в омах, а напряжение, силу, которая вызывает электрический ток, – в вольтах.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Сноски

1

Это известное стихотворение Уолта Уитмена из сборника «Листья травы» (1855), послужившее также названием для рассказа Рэя Брэдбери, нескольких фильмов и музыкальных альбомов. – Прим. науч. ред.

2

Перевод С. Сухарева.

3

Американский поэт, публицист (1819–1892). – Прим. пер.

4

Древнегреческий философ и математик. – Прим. пер.

5

Страница с изображением, образующая разворот с титульной страницей книги. – Прим. пер.

6

Молния чаще всего бьет из облака в землю, но бывают и такие, которые проскакивают от облака к облаку, а иногда от земли к облаку. Со спутников видно молнии, бьющие из облаков вертикально вверх. – Прим. науч. ред.

7

Фильм «Монти Пайтон и священный грааль», Великобритания, 1975 г. – Прим. пер.

Комментарии

1

Для тех, кому нужно более подробное объяснение, скажу, что это происходит следующим образом. Когда АТФ-зависимый калиевый канал открыт, ионы калия (K+) вытекают через него из клетки, и градиент концентрации калия уменьшается. Поскольку ионы K+ несут положительный заряд, их истечение смещает внутренний потенциал клетки в отрицательную сторону. Под влиянием отрицательного мембранного потенциала кальциевые каналы остаются закрытыми, и инсулин не выделяется. При повышении уровня глюкозы в плазме бета-клетка начинает более активно метаболизировать ее. Это приводит к выработке аденозинтрифосфата (АТФ), который присоединяется к АТФ-зависимому калиевому каналу и заставляет его закрыться. Как следствие, мембранный потенциал становится менее отрицательным (поскольку меньше ионов K+ уходят из клетки) и инициирует открытие кальциевых каналов. Под действием кальция, устремляющегося в клетку, везикулы с инсулином сливаются с поверхностной мембраной и выбрасывают свое содержимое в кровь.

2

Приведенное здесь высказывание нередко приписывают Гальвани (см., например, книгу У. Аткинсона «Сила мысли» (Dynamic Thought), выпущенную в 1906 г.), но это неправильно. Оно не в стиле Гальвани, да и никто не насмехался над ним, когда он жил и работал. Не исключено, что автором высказывания является французский астроном Камиль Фламмарион. Именно в его книге «Неведомое» (L’inconnu et les problèmes psychiques, 1862) оно встречается впервые. Я очень признательна профессору Марко Пикколино за предоставленную информацию.

3

По приговору Зевса Прометея навечно приковали к скале, где каждый день орел выклевывал ему печень. За ночь печень Прометея восстанавливалась, поэтому его мучения не прекращались. Любопытно, что Зевс выбрал именно печень, ведь это один из тех органов, которые обладают наибольшей способностью к регенерации.

4

Анн Робер Жак Тюрго так написал про Франклина в своей знаменитой эпиграмме: «Он похитил молнию у небес и власть у тирана».