Что приводит в движение конечности? Что за энергия заставляет биться сердце? Что за материя передает волю разума рукам или ногам? Действует ли в организме какая-то жизненная сила, или даже дух, и можно ли этот дух выделить, чтобы изучить… а может быть, даже воспроизвести? Подобные вопросы волновали натурфилософов с древних времен вплоть до эпохи Просвещения, а XVIII век принес новые открытия, опровергнувшие прежние убеждения, и прогресс в электротехнике позволил задуматься о новых уникальных возможностях: создании и контролировании жизненной силы в живом существе.
Нейромышечная деятельность
Механизм запуска мышечных сокращений и управления ими – то, что сегодня мы называем нейромышечной деятельностью, – Гален, выдающийся исследователь в области физиологии, приписывал действию субстрата, который он называл «животным духом». Учение Галена оставалось актуальным в течение Средневековья, а в XVII веке его теорию доработал французский философ Рене Декарт (1596–1650). Он предложил гидравлическую теорию нейромышечной деятельности, в которой нервам отводилась роль проводников субстанций «животных духов» между мозгом и мышцами. В своем Traité de L’Homme («Трактате о человеке») он писал:
«…можно сравнить нервы описываемого мною механизма с трубками, мышцы и сухожилия – с разными другими устройствами и пружинами, которые приводят в движение этот механизм, животный дух – с водой, заставляющей их двигаться. При этом сердце является источником этой воды, а поры мозга – водопроводом».
Некоторые исследователи – современники Декарта соглашались с ним. Например, английский анатом XVII века Томас Уиллис полагал, что роль мозга состоит в том, чтобы служить для «превращения жизненных духов… в важнейших животных духов». Но в 1664 году эксперимент, проведенный нидерландским ученым Яном Сваммердамом, опроверг одно из основных утверждений Декарта. Поместив мышцу лягушки в стеклянный сосуд, из которого торчала тонкая трубка, он налил туда немного воды. Так Сваммердам смог проверить, менялся ли общий объем мышцы при сокращении. При стимуляции мышцы серебряной проволокой, присоединенной к медной петле, вода не двигалась, а значит, объем мышцы не менялся, что шло в разрез с гидравлической теорией Декарта.
Особый интерес в эксперименте Сваммердама – хотя суть его была в другом – представляло использование биметаллического инструмента для стимуляции мышцы. Возможно, это был первый пример наружной электрической стимуляции нейромышечной деятельности, впрочем, также возможно, что Сваммердам механически стимулировал мышцу. В любом случае это стало предпосылкой для последующих выдающихся исследований.
Несмотря на отказ от гидравлической теории Декарта, у ученых оставалась альтернативная теория. Изобретение электростатического генератора означало, что электрический заряд можно создавать по желанию, а разработка лейденской банки, устройства, способного сохранять заряд и выпускать его по требованию (см. страницу 37), предлагало исследователям новый мощный инструмент для исследования замечательных возможностей электричества.
Шокирующие открытия
Случаи возникновения биоэлектричества способствовали установлению прочной связи между электричеством и той таинственной энергией, что запускала и поддерживала нейромышечную деятельность. Сила удара, производимого лейденскими банками, была сопоставима с силой разряда, испускаемого электрическим угрем или скатом. Электричество воспринималось как разновидность бесплотной субстанции, жидкости, и это согласовывалось с убеждением, что нейромышечная деятельность возникает благодаря неким «животным духам», или «нервным флюидам». Альбрехт фон Галлер, преподаватель анатомии и медицины Гёттингенского университета в Германии, полагал, что сущность «нервных флюидов» может быть объяснена «электрической материей», присутствующей в «животных духах».
Для изучения этой предположительной связи Луиджи Гальвани (1737–1798), преподаватель анатомии Болонского университета, использовал лягушачьи лапки в качестве объекта исследования в программе испытаний, начатой в 1781 году. Он отсекал верхние половины туловища лягушек, оставляя задние конечности с остатками спинного мозга, и наблюдал за их реакцией при подвешивании к электростатическим генераторам и лейденским банкам с помощью различных приспособлений из проводов, подсоединенных к нервным окончаниям. И лишь когда его ассистентка (возможно, это была его жена Лючия) случайно прикоснулась к нерву лягушки скальпелем в тот момент, когда рядом проходил электрический разряд, Гальвани удалось наконец получить заметный результат: «Казалось, все мышцы лапки сокращались снова и снова, словно в них возникали мощные судороги». Гальвани пришел к выводу, что «электрическая атмосфера» (то, что сегодня называется электрическим полем), производимая разрядом, стимулировала движение электрического флюида в нервах лягушки.
Ну надо же!
В дальнейших испытаниях Гальвани экспериментировал с лягушачьими лапками, подвешенными к железной ограде в его саду. Опираясь на эксперименты Бенджамина Франклина, доказавшего, что молния является формой электричества, Гальвани захотел увидеть, повлияют ли на лягушачьи лапки удары молнии или другие электрические атмосферные явления. Он добился некоторых положительных результатов, но гораздо больше его впечатлило открытие, что лапки иногда дергались в отсутствие грозы и даже облаков: «Ну надо же! Лягушки иногда совершенно хаотично дергаются по несколько раз подряд».
Это навело Гальвани на мысль, что мышцы сами являлись источником оживляющих электрических флюидов. В частности, он установил, что сокращения могут быть вызваны прикосновением к лапкам биметаллической дуги – подобно тому, как действует лейденская банка. То есть мышцы в некотором роде являются этакой батареей лейденской банки, непрерывно возбуждаемой действием мозга, которое передается по нервам. Для Гальвани это стало весомым доказательством того факта, что мышца и нервные волокна функционируют как своеобразная биологическая лейденская банка: нервы проводят некий электрический флюид к наружной поверхности мышцы, так же как и проводник переносит заряд к наружной поверхности лейденской банки. Благодаря этому внутренняя поверхность приобретает противоположный заряд, и эта противоположность вызывает мышечные сокращения.
Правда о животном электричестве
Вскоре Гальвани вступил в затяжной спор с Алессандро Вольтой (1745–1827), преподавателем соседнего университета Павии и ведущим авторитетом в учении об электричестве. Вольта, описывавший себя как человека с «талантом к электричеству», создал свой первый громоотвод в 27 лет, а позднее изобрел perpetual electrophosphorus – электростатический генератор, обеспечив себе должность на кафедре экспериментальной физики в Павии в возрасте всего 33 лет.
Несмотря на первоначальные сомнения по поводу открытий Гальвани, Вольта собственноручно повторил его эксперименты и в итоге поменял свое отношение, по его собственным словам, «с неверия на фанатизм». «Это открытие демонстрирует животное электричество, – восторгался он, – и позволяет отнести его к категории доказанных истин». Однако дальнейшие испытания показали, что мышцы могут начать сокращаться только при прикосновении биметаллических пластин к нервам, вообще без прикосновения к самим мышцам, и это, как казалось, подрывало аналогию Гальвани с лейденской банкой. Вольта начал подозревать, что более уместна была бы другая аналогия: между нейромышечным соединением и электроскопом – примитивным устройством для обнаружения электрического заряда. Вольта предположил, что мышца лягушки реагировала на внешний электрический потенциал, а не на электричество, находившееся, как утверждал Гальвани, в самой мышечной ткани.
Так как же именно возникал электрический заряд? Вольта обнаружил, что при использовании пластин из одного металла результатов не было: необходимы были именно биметаллические. Ученый предположил, что за электричество отвечает контактная разность потенциалов – явление, при котором электрический ток возникает при контакте между двумя металлами, открытое немецким математиком Иоанном Георгом Зульцером в 1752 году (см. страницу 46).
Критика Вольтой результатов исследований Гальвани разделила научное сообщество на «анималистов» – тех, кто поддерживал утверждение Гальвани о том, что электричество, вызывающее сокращения мышц, имеет биологическую природу, – и «металлистов» – тех, кто поддерживал Вольту. Опровержение убеждений «анималистов» и стремление создать полностью небиологическую модель производства электрического заряда привело Вольту к созданию источника тока, изобретения, которое впоследствии стало главной составляющей технологического наследия «Франкенштейна» (см. страницу 45).
Гальвани за работой в своей мрачной и довольно отвратительной лаборатории. Что же является источником электрической энергии – металлическая дуга или сама мышечная ткань?
На самом деле и «металлисты», и «анималисты» были правы. Вольта верно определил контактную разность потенциалов в биметаллической дуге как источник электричества в эксперименте Гальвани, но правильность взглядов Гальвани на животное электричество была доказана позднее. Мышечные сокращения действительно стимулируются электрическим зарядом, проходящим по нервам, а живые ткани способны генерировать электричество.
Влияние гальванизма
Несмотря на споры и сомнения вокруг гипотез Гальвани, его работа стала очень известной и получила широкий резонанс. Наукой была доказана прямая связь между электричеством и жизненной энергией, что, очевидно, даже говорило о возможности оживления омертвевших тканей. Можно сказать, что попытки применить гальванизм к трупам людей были в каком-то смысле неизбежными, а их результаты оказались поразительными и несколько пугающими (см. страницу 53). Исследования Гальвани и его лаборатория также производили шокирующее впечатление и внушали первобытный страх: в окружении расчлененных трупов, жутких нагромождений мышц и нервных волокон, орудуя странными инструментами, испускающими искры и треск, ученый посягал на раскрытие тайн жизни и смерти.
Мэри Уолстонкрафт Шелли была, несомненно, знакома с открытиями Гальвани и возможностями их применения. Позднее она вспоминала, как рассуждала в беседе с Байроном и Перси Шелли: «Наверняка тела можно будет реанимировать – гальванизм служит доказательством этому». Ключевой отрывок «Франкенштейна», в котором главный герой оживляет свое творение, эхом повторяет эксперименты Гальвани: «…я собрал все необходимое, чтобы зажечь жизнь в бесчувственном создании, лежавшем у моих ног… существо начало… судорожно подергиваться». Исследования Гальвани, по всей вероятности, стали источником вдохновения для Мэри при описании опытов Франкенштейна, и есть все основания полагать, что личность самого ученого Мэри использовала в качестве прототипа главного героя своего романа. Также с уверенностью можно сказать, что практически все последующие попытки осуществить мечту Франкенштейна в реальной жизни – создать человеческое существо или как минимум его подобие – основывались на революционном открытии Гальвани и на таком явлении, как нейромышечное электричество.