Жизнь в электролите

130 лет назад Луиджи Гальвани опубликовал трактат о «животном электричестве»
31.12.2021
Ася Петухова

Как считают историки науки, изданный в 1791 году труд Луиджи Гальвани «De Viribus Electricatitis in Motu Musculari Commentarius» («О силах электричества при мышечном движении»), заложил основу современной электрофизиологии. Но при жизни Гальвани и еще долго после его смерти ему пеняли на ошибочность его теории «животного электричества»: мол, он все неправильно понял и на самом деле никакого постоянного источника электричества в мышцах лягушки нет и быть не может. Время, однако, показало, что в живом организме без электричества никак не обойтись.

Неудачник Гальвани

Как известно из школьного учебника физики, Гальвани прикоснулся скальпелем к отрезанной лапке лягушки, и та сократилась. Произошло это вблизи работающей электрофорной машины, генерирующей статическое электричество. Сегодня предельно ясно, что тогда происходило: скальпель в руке Гальвани был антенной радиоволн, возникавших в момент, когда в электромашине проскакивала искра. Подобный опыт сейчас входит в практикум по физиологии животных для студентов второго курса, только лапки лягушки, которую они только отрезали от животного, студенты касаются электродом под током, и та демонстрирует тетанус - судорожное сокращение.

Иными словам, в хрестоматийном опыте Гальвани источником тока была искра электрофорной машины, а приемником - лягушачья лапка. Задним числом легко быть умным, а в те времена электричество вообще считалось жидкостью, и ход мысли Гальвани был вполне логичным. «Животное электричество» он не из пальца высосал, а прочитал о нем в серьезных научных изданиях своего времени - Journal de physique et d'histoire naturelle и Philosophical Transactions of the Royal Society. Там сообщалось об опытах Джона Уолша и Хью Уильямсона с электрическим скатом и электрическим угрем и об успешном моделировании Генри Кавендишем электрических органов этих рыб, то есть источников «животного электричества».

Джон Уолш за свои опыты с электрическим скатом в Ла-Рошели получил медаль Копли, то есть британский аналог Нобелевской премии того времени. В Ла-Рошели он совал в руки местным рыбакам заряженную лейденскую банку, и те божились, что точно такой же разряд тока они получали, когда неосторожно хватались мокрыми руками за электрического ската, чтобы выпутать его из сетей. А Кавендиш уже был лауреатом медали Копли, то есть априори не мог заниматься лженаукой.

Но в итоге прав оказался Алессандро Вольта, который сначала постарался повторить опыты Гальвани, а потом вообще исключил лягушачьи лапки из своих опытов и в итоге построил «вольтов столб», то есть первый надежный химический аккумулятор.

Любимец Наполеона

Гипотезой Вольты было утверждение, что «животное электричество» тут вообще ни при чем, точнее оно лишь следствие действия на ткани животного обычного электричества, которое возникает при химическом взаимодействии пары металлов. В истории науки, наверное, тысячи раз описан опыт Вольты с серебряной и медной монетами, соединенных проволочкой: одну он клал под язык, другую на язык, и во рту возникал вкус электричества, знакомый всем, кто хоть раз в жизни касался кончиком языка контактов батарейки от фонарика.

Правда, лизнуть с обеих сторон современную пальчиковую батарейку проблематично, удобнее для этого были плоские батарейки старого образца или батарейки «Крона». И опыт Вольты с монетами тоже едва ли удастся повторить, во всяком случае автору этих строк он не удался, то ли серебро и медь в монетах XVIII века были чище, то ли сыграли роль последствия ковида в виде притупления чувствительности вкусовых почек во рту на кислый привкус электричества. Но из теории следует, что два разных электрода в растворе электролита (в данном случае слюне) вступают в химические реакцию, заряжаясь разноименными зарядами. Достаточно соединить их проводником, чтобы пошел ток и во рту появился кислый привкус.

Не верить этой теории нет оснований. Верил в нее и Вольта, который последовательно соединил пары цинковых и медных пластинок, разделенных прокладками из картона и кожи, пропитанных щелочью или просто соленой водой, и получил химический источник постоянного тока. Потом он заменил прокладки на чашечки с раствором кислоты, куда были опущены цинковые и медные (или серебряные) пластинки, и довел мощность своей батарейки до 40-50 В с током около одного ампера.

Как известно, в 1801 году Вольта продемонстрировал свой аккумулятор Наполеону Бонапарту и был осыпан милостями первого консула. Меньше известно о том, что Наполеон был знаком с Вольтой с 1796 года, когда профессор университета Павии Вольта в числе других членов делегации представителей итальянских городов просил главнокомандующего Бонапарта о защите мирных граждан во время вторжения французской армии в Италию. Наполеон по какой-то причине запомнил профессора и в дальнейшем покровительствовал ему, в 1805 году наградив орденом Почетного легиона, а в 1810 году сделав его графом и сенатором Королевства Италии.

Что же такое выделило Вольту среди других ученых, почему его запомнил Наполеон и почему сразу после демонстрации «вольтова столба» в Париже Наполеон велел выбить медаль в честь Вольты, учредить премию его имени, а самому Вольте выдать 2 тыс. скудо на расходы (немалые по тем временам деньги). К сожалению, протокола мероприятия не сохранилось, возможно, его вообще не было.

До классического опыта Майкла Фарадея по превращению электричества в механическую энергию движения было еще 20 лет, так что обещаний Вольты Наполеону пересадить человечество с лошади на электромобили не могло быть. Электрических лампочек тоже не было, и об освещении дворцов и хижин речь тоже не шла. Заставить адъютантов Бонапарта или фрейлин Жозефины прикасаться к клеммам «вольтова столба» и с визгом отдергивать руку тоже было не в новинку, таким электрическими фокусами еще можно было удивить полвека назад, но не в начале XIX века.

Историки науки считают, что Вольта демонстрировал высоким гостям опыты Гальвани, только в более наглядном их варианте - не только над лягушками, но также над ящерицами, змеями, мышами, птицами. Под действием тока «вольтова столба» мертвая плоть оживала, содрогалась и корчилась. Зрелище, согласитесь, впечатляющее. Так ли было на самом деле, остается гадать, но то, что «гальванизм» стал тогда известным и модным зрелищем, доподлинно известно и задокументировано.

Родной племянник Гальвани в отличие от своего дядюшки знал толк в хайпе. Он не стал размениваться на лягушек и прочую мелкую живность, а купил тело повешенного преступника и в 1803 году отправился с ним в турне, демонстрируя публике за плату, как под воздействием разрядов электрического тока из электрофорной машины или того же аккумулятора Вольты труп гримасничал и открывал один глаз.

Не в тренде

Ученые всерьез задумались над воскрешением мертвых, правда, додумались до дефибриллятора только через полтора века. Потом про гальванизацию трупов забыли и вспоминали только благодаря роману Мэри Шелли о Франкенштейне, навеянному писательнице рассказами современников о гастролях племянника Гальвани, сама она была слишком маленькой, чтобы присутствовать на подобных шоу.

Про «животное электричество» ученые не то чтобы забыли, просто оно отошло на обочину магистрального направления науки об электричестве. Это сейчас, приходя на прием к врачу, мы видим, что почти единственное, что он делает при помощи разнообразных включенных в розетку приборов, так это измеряет наше с вами «животное электричество». А два века назад главным было научиться управлять электричеством, генерировать его в больших количествах и заставить его работать в виде грубой физической силы взамен тяглового скота и паровых машин.

В 1830-е годы по Неве уже ходил бот с электрическим мотором конструкции Якоби мощностью 1 л. с. Спустя еще 30 лет появились свинцово-кислотные аккумуляторы Планте высокой удельной мощности, электрогенераторы и электромоторы промышленной мощности. А к концу XIX века уже ходили электропоезда, трамваи и ездили первые электромобили. На фоне столь значимого прогресса «животное электричество» выглядело слишком академично, чтобы заняться им всерьез. Первые исследователи электрических органов животных, работы которых 1770-х годов сейчас считаются классическими, были в науке дилетантами.

Чистая наука

Это были врач из Филадельфии Хью Уильямсон, который изучал электрического угря, и англичанин Джон Уолш, исследовавший электрических скатов, а потом и угря тоже. О свойстве этих рыб бить током знали еще древние ученые и даже считали их разряды целебными. Почему электрические органы есть только у рыб и почему их нет у всех остальных животных - на этот вопрос ни древняя наука, ни наука Нового времени ответить не могла по той простой причине, что об электролитах ученые тогда просто не знали, а науки нейрофизиологии и в помине не существовало.

Для начала от первых исследователей «живых аккумуляторов» требовалось доказать, что угорь и скат генерируют именно электрический разряд, а не что-то иное. Доказательством же была бы искра, такая же, какая возникает в электрофорной машине. Доктору Уильямсону и мистеру Уолшу это далось с трудом, но в итоге они сумели продемонстрировать явственно видимую в темноте искру электрического разряда рыб.

Интересно, что Уолш не опубликовал самостоятельно ни одной своей работы, он лишь писал о своих экспериментах с электрическим скатом, которые вел на острове Иль-де-Ре близ Ла-Рошели, в своих частных письмах членам Лондонского Королевского общества, Бенджамину Франклину в Америке и аббату Розье во Франции, а уж те сами писали за него и публиковали результаты его исследований в ведущих научных журналах Англии и Франции. Доктор Уильямсон сам писал о своих опытах с электрическим угрем, но посылал письма не в редакцию журналов, а домой мистеру Уолшу, который пересылал его трактаты своим респондентам, а те их публиковали.

Случай в науке редкий, возможно, даже уникальный. Человек, ставший признанным ученым крупного калибра - членом Королевского общества (академик), лауреатом медали Копли, не написавший ни одного научного труда, не тративший на это свое время, а занимавшийся наукой в идеально чистом ее виде. Неосуществимая мечта любого ученого, обремененного массой корпоративных условностей. Как Уолшу удалость поставить себя в такое положение в науке - загадка, но он поставил.

Возможно, причиной было полное его равнодушие к научным регалиям и околонаучным условностям. В возрасте 15 лет, по сути еще ребенком, он стал секретарем у своего двоюродного дядюшки генерала Клайва. Лорд Клайв был губернатором Бенгалии и служил в Британской Ост-Индской компании. Спустя 20 лет Уолш вернулся в Англию, имея 35 лет роду и состояние в 147 тыс. (примерно 20 млн в современных деньгах), был избран в палату общин парламента от Вустера и лишь после этого проявил интерес к науке.

Простой ответ на простой вопрос

К нашему времени выяснилось, что электрические органы имеются примерно у 500 видов из шести разных таксономических групп хрящевых и костистых рыб: Rajidae, Torpedinidae, Mormyriformes, Gymnotoidea, Siluriformes, Uranoscopidae. Вероятно, такие же «живые аккумуляторы» были и у некоторых вымерших палеозойских рыб и стегоцефалов (ранних земноводных).

Со времен Дарвина считается, что поводами для естественного отбора на электрические органы у неродственных групп рыб были: изначально сигнальная функция, а затем - ее замещение или же дополнение вторичными функциями - средство защиты-нападения или локаторная. Что касается средства защиты-нападения, то здесь естественный отбор постарался: разряд некоторых электрических угрей достигает 600 вольт. Если бы сила тока была побольше, чем 1-2 ампера, они бы гарантированно насмерть убивали человека, а так только валят с ног и обеспечивают мышечные боли на сутки-другие.

Совсем недавняя работа генетиков из Висконсинского университета в общем-то подтверждает теорию эволюционных биологов. Электрические органы у рыб анатомически состоят из клеток-электроцитов, в которые в ходе индивидуального развития превращаются мышечные клетки, и физиологически они устроены одинаково. Контролируют весь этот процесс, как выяснилось, одни и те же гены. Поэтому предельно ясен конвергентный путь появления электрических органов у неродственных групп рыб. Остается только один вопрос: почему именно у рыб?

На сей счет у эволюционных биологов есть свое объяснение. Электрические органы - продукт педоморфоза, то есть переноса в фенотип некоторых эмбриональных признаков, которые есть только у низших позвоночных, то есть рыб. Есть тут, правда, один подводный камень, который пока не удается обойти эволюционистам. Обычно электроциты представляют собой видоизмененные клетки поперечно-полосатой мускулатуры, соматической или висцеральной. Но у гимнотовых рыб, к которым относится электрический угорь, электрические органы развиваются не из мышечной ткани, а из аксональных отростков самих электромотонейронов. Впрочем, сомнения нет, что и этому ученые придумают объяснение.

Только тут речь идет о тонких эволюционных механизмах, а ведь вопрос гораздо проще, и ответ на него может показаться совсем уж простым. Рыбы возникли и живут в растворе электролита - воде. Морская вода электролит посильнее, пресная - послабее. Кому как не рыбам создать в себе аккумуляторы электричества и сделать это на сотни миллионов лет раньше Вольты! Не пресмыкающимся же, не птицам, не млекопитающим, живущим в мире диэлектриков. Остается, правда, вопрос, почему это не сделали водные беспозвоночные? Но, во-первых, кто сказал, что они не пытались это сделать,- подобных исследований, похоже, не было и пока нет. А во-вторых, тут карты в руки эволюционистам, пусть объясняют.

Косвенным подтверждением близкого родства рыб с электричеством могут служить современные технологии промышленного лова рыбы с применением электрических полей. Все рыбы в таком поле непроизвольно движутся к аноду. При импульсном поле рыбы стараются стать поперек его силовых линий. Электроловильными установками (ЭЛУ) давно оборудованы многие тралы рыболовецких судов. Широко применяются при облове рыбы на засоренных (например, корягами) участках рек и озер ранцевые ЭЛУ «Пеликан». Наконец, разработанные в Калининградским НПО промрыболовства и его дальневосточным филиале импульсные генераторы для креветочного трала заставляют креветку непроизвольно «хлопать» хвостом и прыгать выше нижней подборы трала, в конечном итоге ныряя в него. А креветки, между прочим, как раз беспозвоночные.

Словом, сотни миллионов лет жизни в электролите не могли не наложить отпечаток на близость рыб к электричеству. В связи с чем невольно возникает мысль об использовании живых электроцитных аккумуляторов или их моделей в современной энергетике, которая, как ни крути, на сегодня практически вся электрическая. Не та ли это «зеленая энергетика», которая в современном ее виде наводит тоску? Ведь принципиальных запретов для кройки и шитья генно-инженерными методами микробиологических культур по образу и подобию электроцитов рыб вроде бы нет, так что создание биореактора по производству электричества, как говорится, дело техники.

Источник: Коммерсант.ru

Читайте другие наши материалы