Искра жизни. Электричество в теле человека бесплатное чтение

«В одну из ненастных ноябрьских ночей я наконец подошел к завершению моих трудов. Едва сдерживая волнение, я расставил вокруг приборы, с помощью которых можно было вдохнуть искру жизни в бесчувственное тело, лежавшее у моих ног. После полуночи прошел час, дождь уныло барабанил в окно, свеча почти догорела, когда в ее неверном свете я увидел, как открылись мутные желтые глаза, как существо начало дышать и судорожно подергивать конечностями». Так Виктор Франкенштейн в романе Мэри Шелли «Франкенштейн», вышедшем в 1818 г., описывал создание монстра.

Принято считать, что для оживления монстра Франкенштейн использовал энергию молнии. Это заблуждение связано, скорее всего, со знаменитым фильмом 1931 г., в котором монстра сыграл Борис Карлофф. Сама Шелли была намного более осмотрительной и упомянула только «приборы». Тем не менее роман заставляет предположить, что именно электричество позволило вдохнуть в монстра «искру жизни». Франкенштейн дает очень красочное описание увиденного им в молодости удара молнии, которая разнесла в щепки старый дуб. А когда он интересуется у своего отца природой молнии, то узнает, что это – «электричество». Шелли еще в предисловии пользуется случаем, чтобы отметить связь физиологии и электричества: «не исключено, что умершего можно реанимировать; гальванизация стала символом таких вещей».

И Мэри, и ее возлюбленный Перси Биши Шелли очень живо интересовались нарождающейся наукой об электричестве и влиянием электричества на человеческий организм. Перси был настоящим энтузиастом и экспериментировал с электричеством в Итоне, Оксфорде и даже дома – его сестра вспоминает, как ей было страшно, когда с братом они «ходили, взявшись за руки, вокруг стола, чтобы электризоваться». Перси, в конце концов, выставили из Оксфорда за атеистические взгляды. В 1810 г. во время зимних каникул перед его последним семестром в университете он написал своему руководителю, что, по его мнению, человек – «масса электризованной плоти, способной вмещать, связывать и разрушать вездесущий разум вселенной». Спустя 200 лет «электризованная плоть» по-прежнему остается довольно хорошим описанием человеческого мозга.

Хотя идея оживления умершего создания с помощью электричества может показаться нам смешной и мы знаем, что удар молнии нередко несет смерть, даже сегодня вряд ли кто будет отрицать, что электричество – это искра жизни. Идущая поздно вечером британская телевизионная программа по искусству (The South Bank Show) начинается с демонстрации стилизованной версии знаменитой картины Микеланджело «Сотворение Адама», на которой с указующего перста Господа срывается электрическая искра. Не покажется нам полностью фантастической и идея о том, что люди, как и все остальные организмы, являются электрическими механизмами. Как вы увидите в этой главе, углубление знания о «теле электрическом» тесно связано с нашим пониманием самого электричества.

Начальные представления

В сухой холодный день каждый может получить удар электрическим током, когда открывает дверцу автомобиля или берется за металлическую дверную ручку, и услышать, как потрескивают электрические искры при стягивании нейлоновой рубашки. Нижняя юбка, прилипающая к ногам, слипшаяся одежда, вытащенная из стиральной машины после сушки, кончики волос, приподнимающиеся, когда вы снимаете шляпу, электрический удар, когда вы целуетесь с кем-нибудь, слабое потрескивание электрических разрядов при расчесывании волос – все это проявления статического электричества, накапливающегося на нашем теле. Во влажной атмосфере заряд быстро исчезает, в сухой же он может достигать тысяч вольт. При приближении к металлическим предметам или даже к другому человеку происходит разряд. Прикосновение вовсе необязательно, поскольку электричество пробивает зазор, образуя искру. «Электрическое» притяжение, возникающее между двумя людьми, тот самый особый импульс, может быть не просто рассказами влюбленных.

Электростатика начинается с пристрастия древних греков к янтарю. Это греческое название янтаря, «электрум», производное от «электор» – «сияющий», дало нам слова «электрон» и «электричество». Поскольку янтарь обычно находят на морском побережье, куда его выносит прибой, происхождение этого камня всегда считалось загадочным. Историк Демострат считал, что это окаменевшая моча рыси. Овидий предлагает другую историю. Он рассказывает, что Фаэтон направил колесницу Аполлона (Солнце) прямо на Землю и был сражен Зевсом, чтобы избежать катастрофы. Безутешные сестры Фаэтона превратились в тополя, а их золотые слезы – в янтарь, который упал в реку Эридан, где утонул Фаэтон.

Теперь мы знаем, что янтарь – это окаменевшая смола когда-то росших на Земле сосен. Он знаком нам как материал для изготовления ювелирных украшений и как среда, в которой встречаются превосходно сохранившиеся доисторические насекомые. Однако янтарь интересен не только этим, у него есть еще одно любопытное свойство. При трении о шерсть в нем генерируется статическое электричество, под действием которого притягиваются легкие сухие предметы вроде небольших кусочков бумаги, перышек, частичек мякины и волос. Возможно, поэтому сирийские женщины, использовавшие веретена с декоративными янтарными грузиками на концах, называли его «захватом». Считается, что первым, кто упомянул способность янтаря притягивать предметы, был Фалес Милетский[4] в V в. до н. э., хотя с полной уверенностью утверждать это нельзя, поскольку истории о его деятельности передавались устно до тех пор, пока их не записали более поздние философы, такие как Теофраст.

Янтарь генерирует статическое электричество потому, что он притягивает электроны из атомов шерсти и, таким образом, приобретает отрицательный заряд, оставляя шерсть положительно заряженной. Заряд возникает в результате соприкосновения янтаря и шерсти – трение при этом не играет никакой роли, оно лишь увеличивает площадь контакта двух поверхностей. Поскольку противоположные заряды притягиваются, любой материал, имеющий естественный положительный заряд, прилипает к отрицательно заряженному янтарю. И наоборот, поскольку одноименные заряды отталкиваются, волосы в результате электризации отклоняются друг от друга насколько это возможно и топорщатся как у Петера Волосы Дыбом из немецкой иллюстрированной книжки для детей. Между прочим, в «статическом» электричестве нет ничего статического. Термин свидетельствует лишь о том факте, что положительный и отрицательный электрические заряды физически разделены. Как только положительно заряженный материал оказывается достаточно близко к отрицательно заряженному материалу, возникает электрический ток, который проявляется в виде проскакивающей искры.

Первым, кто изобрел чувствительный прибор для демонстрации индикации статического электричества (прототип электроскопа), был Уильям Гильберт, врач королевы Елизаветы I. Он использовал его для составления перечня материалов, которые могут электризоваться в результате трения. Гильберт, кроме того, отличал притягивающую силу янтаря от притягивающей силы магнитов и утверждал, что это два разных явления. Гильберт был ученым в полном смысле этого слова и исходил из того, что написанному не следует верить и все нужно проверять экспериментально. Он писал, что «в наш век появилось много книг о скрытых, неясных и таинственных причинах и чудесах, в которых янтарь и гагат представляются как занятные безделушки; однако в них предмет рассматривается лишь на словах, без попыток найти объяснения или доказательства путем экспериментов, такие высказывания еще больше затуманивают вопрос». Таким образом, по его заключению, «вся их философия бесплодна». Слова Гильберта были пророческими – сегодняшние ученые предъявляют те же претензии защитникам астрологии и альтернативной медицины.

Огненные шары

Первый прибор, способный генерировать статическое электричество, создал Отто Герман фон Герике в 1663 г. Он представлял собой шар из самородной серы размером с голову ребенка. Через центр шара проходил деревянный стержень, который лежал на опоре и позволял вращать шар вокруг оси с помощью кривошипного механизма. Когда к вращающемуся шару прижимали сухую руку или кусок ткани, возникал электростатический заряд. Вряд ли фон Герике понимал, что его аппарат генерирует электричество в современном смысле этого слова, однако от него не ускользнула способность шара притягивать пушинки и другие легкие материалы, а также то, что после соприкосновения с шаром пушинки отталкивались от него, и их можно было разогнать по комнате, если снять шар с аппарата. Осторожные манипуляции даже позволяли ему посадить пушинку на другой предмет, например на нос коллеги.

Фронтиспис[5] книги Novi profectus in historia electricitatis, post obitum auctoris Христиана Августа Гаузена (1743 г.) с изображением опыта Стивена Грея с «летающим мальчиком». Справа виден шар фон Герике. Маленький мальчик слева, похоже, стоит на изолирующем барабане и не чувствует электрического удара при соприкосновении с летающим мальчиком. Однако, когда это делает мужчина, летят искры, и через его заземленное тело проходит ток.

Одним из наиболее известных случаев применения аппарата фон Герике был опыт с «летающим мальчиком», поставленный Стивеном Греем в 1730 г. За него Грей был первым удостоен медали Копли, высшей награды Королевского научного общества Великобритании. Ребенка подвешивали на неэлектропроводных шнурах из шелка и заряжали, прижимая ноги к вращающемуся шару из серы. Папиросная бумага, тонкие волокна и другие легкие предметы притягивались к его рукам, и искры летели с них, когда происходил разряд.

Крупные шары из серы было непросто добыть, поэтому позднее в электростатических генераторах стали использовать круглые пластины (или шары) из стекла, которые терлись о неподвижную ткань. В одном из таких аппаратов, изготовленном для императора Наполеона, диаметр пластины достигал 125 см. Современным аналогом такого аппарата является генератор Ван-де-Граафа, который позволяет получить напряжение в миллионы вольт и хорошо известен по зрелищным демонстрациям с «волосами, встающими дыбом».

Удар током

Способа сохранять электростатический заряд не существовало до появления в октябре 1745 г. лейденской банки, которую изобрел немецкий священнослужитель Эвальд Юрген фон Клейст. Всего несколько месяцев спустя нидерландский ученый Питер ван Мушенбрук доложил Парижской академии наук об аналогичном независимом изобретении. Его письмо было переведено Жаном-Антуаном Нолле, аббатом картезианского монастыря в Париже, который и назвал устройство лейденской банкой в честь города Лейден в Нидерландах, где работал Мушенбрук.

Лейденская банка напоминает пустую стеклянную банку из-под джема, внутренняя и наружная поверхность которой примерно на две трети высоты покрыты тонкой металлической фольгой. Через неэлектропроводную крышку в горловину банки вставляется латунный стержень, соединенный с внутренней металлической фольгой цепочкой. Если наружный слой фольги заземлить, то внутренний слой можно зарядить от генератора статического электричества через стержень. Это происходит потому, что стеклянная стенка банки служит изолятором и не позволяет заряду перетекать к наружному слою фольги. Разность потенциалов между двумя слоями фольги может быть очень высокой. Устройство разряжается путем соединения внутреннего и наружного слоя фольги с помощью двух проводников, между которыми при их сближении проскакивает впечатляющая электрическая искра, или, что не рекомендуется, с помощью рук.

Заряд, накопленный в лейденской банке, может быть очень значительным и чрезвычайно опасным, как убедился Мушенбрук. Он написал, что «прикоснувшись правой рукой [к банке], я испытал удар такой силы, словно в меня ударила молния… это было так болезненно, что невозможно описать. Я думал, мне пришел конец». Мушенбрук также сказал, что не согласился бы повторить этот эксперимент, даже если бы ему предложили за него целое королевство, и предостерег других от подобных попыток. Но они все равно продолжались, и результат их был предсказуем. У некоторых наблюдались судороги и даже временный паралич. Один немецкий профессор после того, как получил сильный удар током и разбил нос, стал экспериментировать на своей жене!

Эти эффекты были, конечно, прекрасно известны Жюлю Верну, который описал фантастическое устройство в своем приключенческом романе «Двадцать тысяч лье под водой». В романе капитан Немо объясняет господину Аронаксу, что его подводное ружье стреляет стеклянными капсулами, которые представляют собой «настоящие лейденские банки в миниатюре, несущие электрический заряд высокого напряжения. При самом легком ударе они разряжаются, и животное, каким бы могучим оно ни было, падает замертво». Несмотря на некоторые художественные вольности, автор ясно показывает, насколько опасными считались лейденские банки.

Сила удара электрическим током из лейденской банки поражала экспериментаторов по той причине, что она была намного сильнее эффекта отдельной искры от электростатического генератора. Это объяснялось тем, что банка позволяла накапливать и хранить заряд множества электрических искр, который затем высвобождался весь сразу. Первоначально считалось, что электричество представляет собой текучую среду, а потому использование бутылок и банок для его накопления было естественным. Однако впоследствии выяснилось, что это не так, и сегодня на смену лейденским банкам пришли конденсаторы. Принцип их работы абсолютно тот же. Они состоят из двух параллельных металлических пластин, разделенных тонким слоем неэлектропроводного материала, например слюды, стекла или воздуха. Величина заряда, который конденсатор способен накапливать, зависит от площади пластин и расстояния между ними и может быть значительной. В первом ускорителе частиц, построенном в 1930-е гг. в Кембриджском университете Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном, использовались батареи конденсаторов, разность потенциалов в которых доходила до миллиона вольт.

Прыгающие монахи

Одна из первых демонстраций воздействия электричества на человека была организована аббатом Нолле. В 1746 г. он велел 200 своим монахам образовать цепь окружностью почти в милю и взяться руками за длинные железные прутья. Когда они выстроились, аббат незаметно присоединил концы цепи к лейденской банке. Результат был очень эффектным, поскольку электрический разряд заставил монахов подпрыгивать поочередно и наглядно показал, что ток течет очень быстро. Французский ученый Лемонье отметил в своих записках, что «было любопытно видеть, как получившие удар током подпрыгивали и вскрикивали». Узнав об этом представлении, король Людовик XV вернулся в Версаль и заставил прыгать 180 солдат, взявшихся за руки. Адам Уокер, известный британский экспериментатор конца XVIII в., пошел еще дальше и хвастался тем, что «наэлектризовал два полка солдат, 1800 человек».

Эти эксперименты стали сенсацией. Публичная демонстрация эффектов электричества превратилась в повальное увлечение, и странствующие лекторы заполонили города. Одним из самых известных организаторов представлений был Бенджамин Мартин, виртуозный затейник, который открыл сезон лекций 1746 г. в английском городе Бат показом ярких электрических разрядов, «удивительных потоков лилового огня». В затемненном помещении они выглядели красочно и необычно. Как и аббат Нолле, он интриговал зрителей тем, что предлагал им взяться за руки и испытать на себе воздействие электрического тока, которое было не «таким сильным и опасным, как их убеждали, и его мог выдержать любой человек (особенно мужчина)». Автор одного из писем того времени отмечал, что эти публичные представления были «общепринятой темой светских разговоров. Аристократки забывали о своих картах и скандалах и рассуждали об эффектах электричества».

Были случаи, когда представителям публики предлагали зарядиться статическим электричеством и зажечь бренди или эфир искрой, срывающейся с пальца. Дамы надевали стеклянные туфли, изолирующие их от земли, заряжались статическим электричеством, и, когда сердечный друг приближался к ним для поцелуя, между губами проскакивала искра. Поцелуй наэлектризованной Венеры, так это называлось, был жгучим. Появилась масса электрических игрушек. Скрытые слова проявлялись на «искровых досках», когда в небольших зазорах проскакивали искры, бумажные балерины оживали в результате притяжения и отталкивания электрических зарядов, «грозовые домики» демонстрировали эффект попадания молнии в здание. Еще более эффектными были пистолеты и игрушечные пушки, которые стреляли под действием тепла, выделяемого электрической искрой.

Многие поначалу относились с подозрением к этим опытам, как и к тем, кто их демонстрировал, – электричество считалось атрибутом высшей силы, манипулирование которым было богохульством. Другим оно представлялось формой огня, именно поэтому Мэри Шелли дала своей книге подзаголовок «Современный Прометей» – в честь героя древнегреческих мифов Прометея, который украл огонь у богов и отдал его людям{3}. В целом электричество считалось новой «штучкой», любопытной, но не имеющей практического значения. Затем на сцене появился Бенджамин Франклин и коренным образом изменил существовавшие представления. Под его влиянием электричество покинуло салоны и стало разделом науки.

Похищение молнии у небес

{4}

Франклин, по общепринятому мнению, первым показал, что молния – это форма электричества. Его самый известный эксперимент был поставлен в июне 1752 г. Франклин тогда запустил воздушного змея при приближении грозы в стремлении доказать, что молния представляет собой поток электризованного воздуха. На верхушке змея он установил короткий, жесткий, заостренный проводник, привязал металлический ключ к концу удерживающей змея веревки, а к ключу привязал шелковую ленту, чтобы изолировать его от земли. Когда грозовая туча приблизилась, Франклин увидел, что волокна пеньковой веревки встали дыбом, и понял, что веревка наэлектризовалась. Он также обратил внимание на то, что между ключом и его пальцами стали проскакивать искры и что от ключа можно было зарядить лейденскую банку. Франклину повезло, что в него не ударила молния, – это был очень опасный эксперимент.

В действительности, однако, Франклин был не первым среди тех, кто продемонстрировал, что молния является электрическим разрядом. Пальма первенства принадлежит французу Тома-Франсуа Далибару. В мае того же года Далибар установил 12-метровый железный шест толщиной 2,5 см на тщательно изолированном от земли основании из доски, лежащей на трех винных бутылках, и укрепил его растяжками из шелковых веревок. Во время грозы электрический заряд мог поступать от шеста к лейденской банке. По признанию Далибара на этот эксперимент его вдохновила работа Франклина с описанием «экспериментов и наблюдений» за электричеством, в которой американец выдвигал предположение, что такой заостренный шест должен притягивать молнию из облака, и советовал, как экспериментатору избежать опасности. Опыт Далибара произвел сенсацию в Европе и вызвал у многих желание повторить его. К сожалению, не все были так осторожны и удачливы, как Далибар. Год спустя во время экспериментов с молнией и проводниками от удара током погиб российский ученый Георг Вильгельм Рихтер. Его трагическая гибель запечатлена в возвышенной поэме Эразма Дарвина (деда более известного Чарльза Дарвина):

В Мемориале Франклина в Филадельфии высечено мудрое изречение этого политического деятеля и ученого: «Если вы не хотите, чтобы о вас забыли сразу после смерти, напишите что-нибудь достойное прочтения или сделайте что-нибудь, о чем будут писать». Сам Франклин сделал и то и другое. Одним из его не теряющих ценности изобретений является молниеотвод. Зная, что молния – это разновидность электрического разряда и что она бьет в самые высокие точки, он рекомендовал устанавливать на «самых высоких частях зданий вертикальные железные стержни, заостренные, как иглы, и позолоченные, чтобы не ржавели, и пропускать снаружи здания проволоку от нижнего конца этих стержней до земли». Такие заостренные стержни, по его разумению, должны безопасно отводить электрический разряд в землю, предотвращая повреждение здания, или, как он более возвышенно выразился, «защищать нас от самой неожиданной и ужасной беды!».

Поначалу идея Франклина получала поддержку не везде. Одни говорили, что молниеотвод будет притягивать молнии к зданию и повышать опасность. Другие считали, что это бесцеремонное вмешательство в волю Божию. Во времена Франклина многие видели в молнии наказание Божие за грехи. Франклин утверждал, что в молнии «не больше сверхъестественного, чем в дожде, граде или солнечном свете, от которых мы защищаемся с помощью крыш и навесов без всяких сомнений». Его аргументы и явная ценность изобретения вскоре привели к тому, что молниеотводы появились на большинстве пороховых погребов и даже на соборах.

В Англии, однако, все было не так просто. Там развернулся ожесточенный спор между теми, кто соглашался с идеей заостренного стержня на конце молниеотвода, и теми, кто считал более предпочтительным круглый набалдашник на том основании, что заостренный наконечник чересчур эффективно притягивает молнии. Автором второй идеи был Бенджамин Уилсон. Он развернул активную кампанию против Франклина и приобрел влиятельных друзей. Спор достиг критической точки в 1777 г., когда в пороховой погреб Артиллерийского управления в Пурфлите на Темзе ударила молния и выбила несколько кирпичей. Заостренные стержни, установленные там в соответствии с рекомендацией Франклина и его коллег, не защитили здание. Уилсон воспользовался этим событием и устроил феерическое зрелище, призванное доказать опасность высоких шпилей и предпочтительность низких тупых набалдашников. Демонстрация проходила в присутствии короля Георга III и многих министров, на которых аргументы Уилсона произвели сильное впечатление. К тому же все это происходило во время войны за независимость в Америке, которая придавала вопросу политическую окраску. То, что начиналось как научное разногласие, быстро превратилось в непримиримую вражду между сторонниками британских тупых набалдашников и американских остроконечных стержней. Уилсон играл на этом и заявлял, что патриотический долг британцев – отказаться от изобретения врага. Сторонники Франклина отвечали не менее язвительными политическими нападками. В спор вмешалось Королевское научное общество, которое после серии экспериментов пришло к заключению, что прав Франклин. Король Георг, однако, принял сторону Уилсона, приказал снять заостренные стержни со всех королевских дворцов и зданий Артиллерийского управления и потребовал от Королевского научного общества изменить заключение. Джон Прингл, президент Королевского научного общества, отказался подчиниться, заявив, что «долг и ответственность всегда побуждают меня прилагать все силы для исполнения королевской воли; но “сир… я не в состоянии изменить законы природы”». Король в ответ предложил ему уйти в отставку. Вскоре после этого один из сторонников Франклина написал следующую эпиграмму:

Нельзя было назвать гладким процесс внедрения молниеотводов и во Франции. Месье де Виссери из Арраса было приказано снять молниеотвод, который он установил на трубе своего дома. Он обжаловал это решение. К тому времени, когда дело дошло до суда последней инстанции в 1783 г., через три года после начала спора, оно стало темой для разговоров в Париже и приобрело политическое значение. Никому не известный адвокат Максимилиан Робеспьер сделал себе имя, встав на защиту науки от предрассудков и выиграв это дело. Он исходил из того, что если теория требует экспертов для ее интерпретации, то факты нет. Десять лет спустя Национальный конвент, возглавляемый Робеспьером, использовал аналогичную аргументацию, чтобы избавиться от правительственных экспертов и всех национальных академий и литературных обществ. Робеспьер известен как инициатор «большого террора», в период которого были казнены многие французские аристократы. Не исключено, что без успеха в защите месье де Виссери и его молниеотвода Робеспьер так и не попал бы в Париж и история Франции пошла бы по иному пути.

В наши дни практически на всех высоких зданиях можно увидеть молниеотводы того типа, который предлагал Франклин. Они отводят электрический ток в землю и обеспечивают надежную защиту. На крупных сооружениях устанавливают несколько молниеотводов. На соборе святого Павла в Лондоне, например, они размещены с равными интервалами по всему периметру крыши. И это не прихоть: в небоскреб Empire State Building в Нью-Йорке регулярно попадают молнии, наглядно доказывая ошибочность расхожего представления о том, что молния никогда не попадает в одно и то же место.

Франклин говорил, что во время грозы неразумно прятаться под одиноко стоящим деревом, поскольку оно может притянуть к себе молнию. Он также указывал на то, что мокрая одежда имеет низкое сопротивление и позволяет электрическому току уйти в землю по поверхности тела, а не через него. Именно поэтому, отмечал он, «мокрую крысу нельзя убить разрядом из лейденской банки, а сухую можно». Это соображение позволяет объяснить известный случай, когда один юноша остался невредимым после удара молнии. На нем в тот момент был плащ (дождевик), который намок от сильного дождя. Отец, видевший, что произошло, поспешил доставить сына в больницу, но мальчика через час отпустили, поскольку никаких вредных для здоровья последствий у него не нашли. Большинству людей везет намного меньше, и количество погибших и пострадавших от ударов молнии исчисляется сотнями каждый год.

Гром среди ясного неба

Молния зарождается в дождевых облаках, тех кучевых облаках в форме наковальни с вздымающимися краями и плоской нижней частью, которые образуются при подъеме теплого влажного воздуха на такую высоту, где достаточно холодно, чтобы вода замерзла. В таких грозовых облаках частицы льда и капли воды непрерывно соударяются под действием завихрений воздуха. Крошечные кристаллы льда при этом приобретают положительный заряд и поднимаются к верхней части облака, а более массивные частицы льда и снега величиной с небольшие градины заряжаются отрицательно и опускаются вниз. В результате происходит разделение зарядов, и верхние слои облака приобретают положительный заряд, а нижние – отрицательный. Разность потенциалов между отрицательными нижними слоями облака и землей может достигать 100 млн вольт. В некоторых точках разность потенциалов настолько велика, что происходит пробой воздуха, и между облаком и землей возникает электрическая дуга, которую мы называем молнией[6]. Она длится всего лишь доли секунды. Изредка молния рождается в верхней части облака. Такая «положительная молния» очень опасна, поскольку может ударить в землю за много километров от места рождения, где нет облаков и ярко светит солнце. Она становится полной неожиданностью – воистину громом среди ясного неба.

Молния распространяется очень быстро – со скоростью до 60 000 м/с, а ее температура достигает 30 000 °С, что в пять раз выше температуры поверхности Солнца. Она имеет среднюю длину порядка 4 км и диаметр всего 1 см. Каждая молния фактически представляет собой несколько разрядов, которые происходят слишком быстро, чтобы наш их глаз различал их. По этой причине молния кажется мерцающей. В результате удара молнии высвобождается энергия, равная энергии детонации тонны тринитротолуола, а интенсивный нагрев порождает взрывообразное расширение воздуха. Когда расширяющийся воздух преодолевает звуковой барьер, мы слышим раскаты грома. Хотя гром и молния возникают одновременно, мы слышим раскаты с запозданием в зависимости от расстояния из-за того, что свет распространяется намного быстрее звука – 300 000 км/с по сравнению с 0,3 км/с.

Поражение молнией

Если вам не повезло и в вас попала молния, то часть электрического тока пройдет по поверхности, а часть – через тело в пропорции, определяемой сопротивлением. Прохождение тока по поверхности менее опасно, и люди, которые остались в живых после удара молнии, скорее всего, испытали «поверхностный разряд». Если вы намокли под дождем, то вода может превратиться в пар, способный сорвать одежду и обжечь кожу. Ток, проходящий через тело, может вызвать серьезные внутренние повреждения. У многих поражение молнией вызывает остановку сердца. В таких случаях необходимо немедленно начать непрямой массаж сердца и искусственное дыхание во избежание повреждения головного мозга (после поражения молнией люди теряют заряд, и прикасаться к ним не опасно). Если у пострадавшего поражен дыхательный центр в мозге, то он перестает дышать. Бывали случаи, когда люди не могли дышать самостоятельно до 20 минут после удара молнии, хотя их сердечная деятельность восстанавливалась. Это говорит о том, что очень важно продолжать искусственную вентиляцию легких пострадавшего, который внешне кажется мертвым. Очень часто при поражении молнией наблюдается неврологическая симптоматика, например потеря сознания, потеря ориентации, потеря памяти и частичный паралич, особенно нижних конечностей. В числе других последствий можно назвать потерю слуха, потерю зрения, расстройство сна и сильные ожоги. Электрический ток также вызывает сокращение мышц. Именно поэтому люди подпрыгивают или отлетают от стены при ударе. Поскольку все мышцы сокращаются одновременно, они подбрасывают человека в воздух.

Повелитель танцующих лягушек

Удивительные эффекты электрического разряда, наблюдаемые при работе электростатических генераторов и ударе молнии, заставили многих экспериментаторов XVIII в. задуматься над его физиологическими последствиями. В их числе был и выдающийся итальянский ученый Луиджи Гальвани, первым открывший «животное электричество». Хотя Гальвани первоначально намеревался принять духовный сан, родителям удалось убедить его заняться медициной, и к 1762 г. он получил звание профессора анатомии в своем родном городе Болонье. Как и многих других ученых того времени, Гальвани интересовало статическое электричество, и в 1780 г. он начал исследовать его воздействие на мышечную ткань. В устроенной прямо дома лаборатории ему помогала небольшая исследовательская группа в составе его жены Лучи и двух племянников, Камилло и Альдини.

В своем дневнике Гальвани сделал 26 января 1781 г. запись о том, что, когда его ассистент прикоснулся металлическим инструментом к нерву лапки недавно умерщвленной лягушки, все мышцы лапки резко сократились. Это, однако, происходило только в момент проскакивания искры, генерируемой электрической машиной. Гальвани повторял эксперимент много раз и при разных условиях и неизменно получал один и тот же результат. Как следствие он выдвинул гипотезу, что именно электрическая искра заставляет мышцы сокращаться. Это заставило Гальвани задаться вопросом: сможет ли и молния вызвать сокращение мышц лягушки? Для проверки он с помощью своего племянника Камилло присоединил к нерву лягушачьей лапки длинную проволоку, которая была связана с металлическим стержнем на крыше его дома. Как и ожидалось, лапка лягушки резко дернулась, когда во время грозы над домом сверкнула молния.

На гравюре 1 из «Трактата о силах электричества при мышечном движении» Гальвани показаны несколько препарированных лягушачьих лапок. На столе слева расположен электростатический генератор, а справа – лейденская банка. Небольшие изображения кисти руки с кружевной манжетой, указывающие на инструменты, которые смахивают на атрибуты из фильма о Монти Пайтоне[7], – обычный прием указания на что-либо в эпоху Возрождения.

Как очень методичный исследователь, Гальвани повторил эксперимент для контроля в тихий день. На этот раз он подвесил лягушачьи лапки к чугунной ограде своего балкона с помощью медных крючков, пронизывавших спинной мозг. Поначалу ничего не происходило. Потеряв терпение, Гальвани стал дотрагиваться до лапок. К его удивлению, они начали часто и самопроизвольно подергиваться, при этом сокращения не зависели от изменения погоды, а происходили, когда крючки прижимали к ограде.

Гальвани воспринял такой результат как свидетельство того, что клетки живого существа не только возбуждаются электричеством, но и сами могут генерировать его. Он предположил, что именно электрическое (само) возбуждение приводит к сокращению мышц. В 1791 г. Гальвани написал о своем открытии в «Трактате о силах электричества при мышечном движении», где утверждал, что животное электричество отличается по своему характеру от электричества, возникающего при ударе молнии или вырабатываемого электростатическим генератором, и настаивал на том, что «электричество присуще самому животному». Гальвани отпечатал несколько экземпляров трактата за свой счет и разослал их коллегам, в том числе своему другу и земляку Алессандро Вольта, профессору физики в университете Павии.

В первый момент коллеги приняли идеи Гальвани прохладно, однако, повторив его эксперименты, они получили те же результаты. Кончилось все тем, что живые лягушки стали дефицитом, и год спустя после публикации работы Гальвани Эузебио Валли жаловался своему коллеге: «Мне нужны лягушки. Вы должны найти их. Если вы не найдете их, я никогда не прощу вам этого. Обращайтесь ко мне без церемоний, ваш покорный слуга, Валли».

Эксперименты заставили Вольта, который поначалу согласился с выводами Гальвани, пересмотреть взгляды. Он стал настаивать на том, что причиной подергивания мышц, наблюдаемого Гальвани в отсутствие внешнего стимулирования электрическим током, было не внутренне животное электричество. По его умозаключению (и оно было правильным), подергивания вызывал электрический ток, который возникал при соприкосновении двух разных металлов – чугунной ограды балкона и медных крючков, связанных с нервом лягушачьей лапки. Это вызвало жаркий спор между двумя учеными о том, какой была причина возбуждения мышц – биологической или физической.

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:

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.

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.