В 1838 году Маттеуччи также впервые осуществил регистрацию биоэлектрических явлений с помощью гальванометра, одна клемма которого присоединялась к повреждённому участку мышцы, другая к неповреждённому, при этом стрелка гальванометра отклонялась. Размыкание цепи гальванометра сопровождалось возвращением стрелки гальванометра в прежнее (нулевое) положение. Правда, Маттеуччи смог зарегистрировать только ток повреждения мышцы, а не нерва (не хватало чувствительности прибора).
До Маттеуччи единственным измерительным прибором служила сама лапка лягушки и не было уверенности в том, что процессы возбуждения связаны именно с электрическими явлениями. После работ Маттеуччи это можно было считать доказанным.
Всё это происходило в 1837 году. Это был год столетия со дня рождения Гальвани. Наконец была доказана правильность толкования им своих последних опытов. А четыре года спустя в 1841 появится полное собрание сочинений Гальвани. Профессор вновь становится знаменит и теперь уже навсегда.
Доктрина Иоганна Мюллера
Одним из самых видных физиологов XIX века был Иоганн Петер Мюллер (Johannes Peter Müller, 18011858), основатель новейшей физиологии.
Его главный труд «Руководство по физиологии человека» (18331840). В нём наряду с вопросами общей физиологии значительное место занимают данные по физиологии нервной системы. В этом труде получило развитие учение о рефлекто́рном акте и о рефлекто́рной природе работы спинного мозга.
Много внимания в книге Мюллер уделил разделу о деятельности органов чувств, особенно зрения и слуха.
Мюллер выдвинул доктрину специфической энергии органов чувств, которая явилась крупнейшим обобщением XIX века в этой области физиологии. Доктрина включала десять законов. В соответствии с первым законом мы осознаём не сам объект, но «представление наших нервов, нервы это посредники между воспринимаемыми объектами и умом и таким образом они навязывают уму свои, собственные характеристики». По Мюллеру, «ощущения складываются в чувствующем органе посредством нервов, и в качестве результата от действия внешних причин дают знания некоторых качеств или условий не внешних тел, а самих сенсо́рных нервов».
Второй закон доктрины Мюллера состоял в принципе специфичности. Имеется пять видов нервов и соответствующих органов чувств, и каждый из них имеет своё специфическое качество или свою специфическую энергию, которую навязывает уму.
Третий закон доктрины специфичности опирался на эмпирическую очевидность первых двух: одна и та же причина вызывает в различных о́рганах чувств различные ощущения (зрительные, слуховые ощущения возникают и тогда, когда о́рган чувств раздражается необычным раздражителем, неадекватным для данного о́ргана чувств, например, электрическим или механическим). Следовательно, и качество ощущений зависит от природы нерва, на который воздействует причина. Таким образом, хотя причиной ощущений является материальное воздействие, ощущение не воспроизводит его свойств. Внешнее воздействие высвобождает нервную энергию, которая дремлет в о́ргане чувств и только ждёт толчка для этого возбуждения. [8]
Между тем в 1830 году Иоганн Мюллер авторитетно заявлял, что скорость распространения нервного сигнала измерить невозможно. По его мнению, поскольку нервный сигнал имеет электрическую природу, он должен проводиться со скоростью, примерно равной скорости света (3х108 м/с). Учитывая небольшие размеры биологических объектов, даже с помощью лучших инструментов того времени измерить такую скорость было невозможно. [9]
Теория электромоторных молекул
Спустя несколько десятилетий вернулся к идее Гальвани швейцарский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон (Du Bois-Reymond, 18181896).
Его научная деятельность началась с того, что в 1841 году Иоганн Мюллер дал ему, тогда 22-летнему студенту третьего курса, тему для самостоятельной работы повторить опыты Маттеуччи, который к тому времени стал уже академиком. Дюбуа увлёкся этой темой и в результате всю свою научную жизнь посвятил электрофизиологии. [6]
Обдумывая полученное от Мюллера задание, Дюбуа понял, что «повторить» опыты Маттеуччи не так-то просто: в те времена каждый учёный имел приборы собственной конструкции, и сопоставлять их показания было практически невозможно. Поэтому Дюбуа, выполняя задание, одновременно поставил своей задачей разработать такое оборудование, которое позволило бы в разных лабораториях получать сравнимые результаты. В итоге он создал комплекс приборов, обслуживающий все основные моменты исследований: раздражение мышц и нервов, отведение возникающих в них биопотенциалов и их регистрацию.
Обдумывая полученное от Мюллера задание, Дюбуа понял, что «повторить» опыты Маттеуччи не так-то просто: в те времена каждый учёный имел приборы собственной конструкции, и сопоставлять их показания было практически невозможно. Поэтому Дюбуа, выполняя задание, одновременно поставил своей задачей разработать такое оборудование, которое позволило бы в разных лабораториях получать сравнимые результаты. В итоге он создал комплекс приборов, обслуживающий все основные моменты исследований: раздражение мышц и нервов, отведение возникающих в них биопотенциалов и их регистрацию.
Одна из проблем исследователей тех лет была в том, что они располагали только гальваническими источниками постоянного тока, а для экспериментов нужны были электрические импульсы. Созданный молодым учёным прибор для раздражения, который назывался «санный аппарат Дюбуа-Реймона», позволял строго дозировать раздражающее воздействие. Он представлял собой две катушки с большим числом витков; одна катушка могла выдвигаться из другой, скользя по специальным полозьям. К внутренней первичной катушке присоединили источник тока гальванический элемент с известным напряжением. В цепь был включён прерыватель тока молоточек Нефа, такой, какой позже использовали в электрическом звонке. Во вторичной катушке возникал индукционный ток; этим индукционным током раздражали нерв или мышцу. Если одну катушку выдвигали далеко из другой, то раздражающий ток был слабее; степень выдвижения катушек отмечалась на специальной линейке. Теперь, если в статьях по биологии было написано: «Сила раздражения была равна 12 см», все понимали это однозначно. Подобные индукционные катушки использовались в биологических лабораториях вплоть до 50-х годов XX века, только тогда их вытеснили электронные генераторы тока.
Рисунок 9. Санный аппарат Дюбуа-Реймона
Другое техническое препятствие, с которым столкнулся Дюбуа состояло в том, что все гальванометры были сильно инерционными и не позволяли регистрировать кратковременные импульсные токи. Сам он разрешить его не смог (но это сделали его ученики).
Усовершенствование, введённое Дюбуа для отведения биопотенциалов, также было очень существенным: он понял, что биопотенциалы нельзя отводить просто медными проволочками, так как в месте соприкосновения металла с биологической тканью возникают потенциалы, вполне сравнимые с теми, которые предполагается измерить. Разработанные Дюбуа специальные электроды (их называют неполяризующимися) не создавали такой разности потенциалов.
Все эти, казалось бы, технические и потому второстепенные нововведения на самом деле сыграли немаловажную роль в том, что исследования Дюбуа-Реймона, начатые им на студенческой скамье, стали выдающимся достижением науки того времени. Более того, они оказали существенное влияние и на уровень всех проводимых в то время работ по электробиологии, так как Дюбуа-Реймон широко пропагандировал и даже дарил свои приборы.
Собственные исследования Дюбуа-Реймона шли в двух основных направлениях: во-первых, он изучал токи, генерируемые живыми тканями (тут он продолжал линию Гальвани Маттеуччи), во-вторых, он изучал законы действия электрического тока как раздражителя нервов и мышц (здесь он продолжал тему, начатую Фонтана и Вольта).
В 1843 году Дюбуа открыл ток повреждения в нерве. (Это был первый случай, когда электричество объективно зарегистрировали в нервах, гальванометры Маттеуччи были для этого недостаточно чувствительными.)
В 1849 году он показал, что и мозг, так же как нерв и мышца, обладает электрогенными свойствами.
Результаты своих исследований Дюбуа-Реймон изложил в трёх больших томах «Исследования по животному электричеству» (1848, 1849, 1869 гг.). Разумеется, в этих томах не все данные были получены лично Дюбуа. Но именно он был тем человеком, который привёл все све́дения о «животном электричестве» в систему, провёл колоссальную работу по их уточнению и восполнению недостающих деталей. Он описал, при каких условиях, где, на каких объектах можно наблюдать биопотенциалы, привёл их характеристики и т. д., словом, как это принято говорить дал полную феноменологическую картину.
Кроме того, он предложил первое теоретическое объяснение потенциала повреждения. По Дюбуа-Реймону вдоль мышц и нервов якобы тянутся цепочки особых «электромоторных» молекул. Каждая такая молекула представляет собой как бы два гальванических элемента, соединённых положительными полюсами, так что наружу выходят только отрицательные полюса. Где бы ни разрезать мышцу, на разрезе обнажатся отрицательные полюса, чем и объясняется потенциал повреждения.