Александр Филиппов - Многоликий солитон
Ему были чужды какие бы то ни было национальные предрассудки, от которых часто не были свободны даже выдающиеся ученые. Конечно, это немало способствовало тому, что к нему «тянулись» молодые энтузиасты науки из самых разных стран.
Все это, однако, пришло потом, а первые шаги были очень нелегкими. Семидесятилетний Гельмгольц вспоминал о своем детстве так: «Первые 7 лет я был болезненным мальчиком... рано обнаружился и некоторый недостаток в моем умственном складе: слабая память на вещи, не имеющие внутренней связи... мне было труднее, чем другим, запомнить вокабулы, неправильные грамматические формы, особенно обороты речи... для меня было мукой учить наизусть статьи в прозе...» Зато какую несравненную радость доставило этому мальчику первое знакомство с математикой и физикой, в которых все внутренне связано! «С величайшим усердием и радостью набросился я на изучение всех физических учебников, какие находил в библиотеке отца». Эта страсть к физике определила дальнейшую судьбу Гельмгольца. Все его достижения в физиологии нервной системы, зрения и слуха так или иначе связаны с физикой.
К чести педагогов гимназии, они вполне сумели оценить способности юноши, особенно к физике и математике. Несмотря на трудности с «вокабулами», Гельмгольц успешно закончил гимназический курс и поступил в Военно-медицинский институт в Берлине. Под влиянием выдающегося физиолога Иоганна Мюллера (1801—1858) он заинтересовался здесь гистологией и физиологией и в 1842 г. защитил диссертацию «О строении нервной системы беспозвоночных». В то время были известны нервные клетки и волокна, но как они связаны друг с другом, было неясно. Молодой Гельмгольц один из первых понял, что клетки и волокна соединены в единое целое — нейрон.
В 1843 Г. Гельмгольц был назначен военным врачом в Потсдаме. В этот период он и создал свою знаменитую работу «О сохранении силы», о которой рассказано в гл. 1. Несмотря на то, что значение этой работы было понято немногими, она принесла ее автору достаточно широкую известность, и в 1849 г. он был приглашен в Кенигсбергский университет профессором физиологии. Там он работал до 1855 г. и выполнил измерение скорости нервного импульса, о котором мы сейчас расскажем.
С этого времени Гельмгольц становится признанным ученым и отдает все силы науке. Растет и его слава. Его приглашают в Боннский университет, затем в Гейдельбергский. Признание его как физика, а не только как физиолога, пришло, когда ему одновременно предложили место профессора физики в Берлинском университете и кафедру экспериментальной физики в Кембридже. Гельмгольц не захотел покинуть Германию, и кафедру в Кембридже возглавил Максвелл. Последние годы жизни Гельмгольц, не оставляя собственные научные исследования, руководил Государственным физико-техническим институтом в Берлине. Умер он, всеми почитаемый, в родном Потсдаме 8 сентября 1894 г. За свою жизнь он успел сделать необычайно много. «Человек, вкладывающий в работу всю свою душу, всегда успевает больше...» (Максвелл).
Когда Гельмгольц в 1849 г. приступил к опытам по определению скорости распространения нервных импульсов, об их природе было известно довольно мало. Считалось, что они имеют электрическое происхождение и распространяются с огромной скоростью, недоступной прямому измерению.
Идея о том, что по нервам распространяется «животное электричество», была высказана Луиджи Гальвани еще в 1786 г. Однако после опытов Алессандро Вольта (1745—1827), убедивших всех, что никакого «животного электричества» нет, она была надолго оставлена и возродилась лишь к середине прошлого века. Особенно способствовал возрождению идей Гальвани сверстник и друг Гельмгольца, швейцарский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон (1818—1896), описавший свои опыты и давший им истолкование в обширном труде «Исследования по животному электричеству» (1848 г.) *). Работы Дюбуа-Реймона и других показали, что в живых организмах действительно вырабатывается электричество и что распространение нервного возбуждения связано с передачей электрических сигналов. При этом нервное волокно стали считать как бы разновидностью электрических проводов. Под влиянием Дюбуа-Реймона этими идеями заинтересовался Гельмгольц; он решил выяснить, верно ли такое убеждение. Результат поставленного им опыта оказался ошеломляющим — скорость движения импульса по нерву лягушки оказалась отнюдь не «огромной» — всего 30 м/с 100 км/ч! Это показалось настолько невероятным, что сам Иоганн Мюллер не поверил любимому ученику и отказался послать его статью в научный журнал.
*) Очень интересовался «животным электричеством» Фарадей: «Как ни удивительны электрические явления в неорганическом веществе, несравненно удивительнее электрические явления в нервной системе...».
Насколько сильным было впечатление от этого опыта, можно судить по воспоминаниям И. М. Сеченова, слушавшего в 1857 г. лекции Дюбуа-Реймона: «Особенно памятны мне его лекции о быстроте распространения возбуждения по нервам. Тут он положительно увлекся и рассказал с жаром всю историю этого открытия: сомнения Мюллера... его собственные мысли... и, наконец, решение задачи его другом Гельмгольцем».
Дальнейшая судьба нервного импульса
Опытами Гельмгольца наивное представление о нервном волокне как электрическом проводе было опровергнуто. Однако предложить что-то лучшее было не так-то просто. Начались долгие и трудные поиски настоящего механизма распространения импульсов по нервам, на которые ушло около ста лет. С современными представлениями мы познакомимся в последней главе, а сейчас сделаем лишь несколько замечаний о дальнейшей истории нервного импульса.
Сам Гельмгольц полагал, что при движении импульса происходит перемещение каких-то материальных частиц, но ничего более ясного предложить не сумел. В 1868 г. молодой немецкий физиолог Юлий Бернштейн сумел определить форму импульса. Она оказалась колоколообразной, примерно как у солитона Рассела. Впоследствии выяснилось, что этот «колокол» движется всегда с одной и той же скоростью и имеет приблизительно одну и ту же форму независимо от силы раздражения, породившего импульс.
В 1879 г. ученик Дюбуа-Реймона немецкий физиолог Лудимар Герман очень близко подошел к современным представлениям о математическом описании нервного импульса. Он уподобил его распространение горению бикфордова шнура. Для заданного шнура скорость и форма бегущей по нему уединенной волны горения, очевидно, постоянны (если m — количество пороха, сгорающего в единицу времени, а М — количество пороха в шнуре на единицу его длины, то скорость равна v = m/М; для бикфордова шнура обычно подбирают m и М так, что v = 1 см/с).
Позднее Герман предложил более реальную модель, уподобив нерв телефонному кабелю, в котором, однако, волны должны взаимодействовать нелинейно *). Решать подобные математические задачи в то время, однако, не умели, и даже сам Герман счел, что математическую теорию нервного импульса разработать невозможно.
*) При прохождении импульса, как и при движении пламени, расходуется энергия, которую нужно восполнять, иначе новый импульс не пройдет. Тем более не может быть и речи о сложении волн горения. Две встречные волны пламени уничтожают друг друга, чем, как известно, пользуются для тушения степных и лесных пожаров.
Примерно в то же время, в начале нашего века, Бернштейн выдвинул близкую к современной физико-химическую теорию процессов, происходящих в нервном волокне (это так называемая «мембранная гипотеза», о которой будет рассказано в последней главе). Современники отнеслись к идеям Бернштейна довольно прохладно.
В общем, история нервного импульса развертывалась примерно по такому же сценарию, как и история солитона Рассела. Раз в двадцать-тридцать лет делался заметный шаг вперед, но все происходило в узком кругу специалистов, и никто не замечал, что между нервным импульсом и уединенной волной Рассела существует глубокая связь.
Герман Гельмгольц и вихри
На долю Гельмгольца выпало указать весьма замеча-
тельные свойства вихревого движения... свойства вихре-
вых колец подали сэру У. Томсону мысль о возмож-
ности построить новую форму атомистической теории...
Л. БольцманНервный импульс мало похож на частицу. Этим он, конечно, сильно отличается от солитона Рассела. На частицы гораздо более похожи вихри, и особенно вихревые кольца, удивительные свойства которых были открыты Гельмгольцем в 1858 г. С вихрями, как и с волнами, знаком всякий. В воде они возбуждаются так же легко, как волны, достаточно провести рукой по поверхности воды в ванне или закрутить ложкой чай в стакане. Каждый видел вихри, оставляемые веслами, и кольца табачного дыма. Возможно, кому-то встречались мощные атмосферные вихри — смерчи. В общем, что такое вихрь — объяснять не надо.
