Физиология от Гарвея до Павлова

Часто боль является единственным поводом обращения к врачу; это тревожный сигнал, увеличивающий шансы лечения. В то же время она терзает больного человека, заставляет страдать его близких, вынуждая искать способы ее устранения. Таким образом, боль представляет не только медицинскую проблему. Вопрос избавления пациента от мук превратился в задачу нравственную и, помимо медиков, привлекал внимание философов.

Издавна имели место два основных подхода к проблеме боли. Античные мыслители считали ее злом, требующим борьбы до победного конца, то есть мечтали о полном ее устранении. Противоположную доктрину выдвигала Римско-католическая церковь, представленная схоластической медициной. Святые Отцы рассматривали боль как проявление действия высшей силы, данность Создателя, которому нельзя возражать, тем паче оказывать сопротивление. Поэтому больной должен терпеть и ждать Божьей милости.

В эпоху Возрождения медицина вновь обратилась к рациональным взглядам Античности. Поиском принципиально нового подхода к вопросу боли занялся французский философ, математик и физик Рене Декарт (1596–1650 годы). Одновременно увлекаясь такими разноплановыми дисциплинами, как философия, математика, физика, а затем и физиология, ученый принял для себя четыре логических правила:

— «никогда не принимать за истинное ничего, что не может быть признано таковым с очевидностью, то есть тщательно избегать поспешности;

— делить каждую из рассматриваемых трудностей на столько частей, сколько потребуется, чтобы лучше их разрешить;

— располагать мысли в определенном порядке, начиная с предметов простейших и легкопознаваемых, и восходить мало-помалу, как по ступеням, до познания наиболее сложных, допуская существование порядка даже среди тех, которые в естественном ходе вещей не предшествуют друг другу;

— делать всюду перечни настолько полные и обзоры столь всеохватные, чтобы быть уверенным, что ничего не пропущено».

На примере ожога Декарт впервые подробно описал механизм появления защитной реакции организма. Представив обоснованные предположения относительно рефлекторных проявлений, возникающих при болевых импульсах, французский ученый заложил основы научной физиологии (от греч. physis — «природа»). Однако рождение отдельной науки о жизнедеятельности организма и его составляющих частей — клеток, органов, функциональных систем, связано с именем Вильяма Гарвея (1578–1657 годы). Знаменитый английский врач впервые высказал мысль, что «все живое происходит из яйца». Ученый прославился созданием теории кровообращения, опровергавшей многие представления Галена.

Первая фаза безусловного рефлекса по-Декарту

Легочное кровообращение было открыто независимо и почти одновременно Мигелем Серветом, Реальдо Коломбо (1510–1559 годы) и Габриеле Фаллопио (1523–1562 годы). Последний являлся преемником Везалия и Коломбо в Падуе. Он открыл и описал многие анатомические структуры, в частности полукружные каналы, клиновидные пазухи, тройничный, слуховой и языкоглоточный нервы, канал лицевого нерва и маточные трубы, которые до настоящего времени называют фаллопиевыми.

Вильям Гарвей получил начальное образование в школе Фолькстона (графство Кент), затем прошел курс обучения в Кембридже. В 1598 году отправился получать знания в падуанском университете, считавшемся тогда лучшей медицинской школой. Долгое время занимался под руководством профессора Фабриция Аквапенденте. Трактат Фабриция, касавшийся венозных потоков, навел воспитанника на мысль о кровообращении. Позже ученый говорил, что идея кровообращения появилась в результате соображений о «количестве крови, беспрерывно вступающей в аорту, которое так велико, что если бы кровь не возвращалась из артерий в вены, то за несколько минут последняя опустела бы совершенно».

В 1602 году Гарвей получил степень доктора и обосновался в Лондоне, где его избрали членом столичной коллегии врачей. Начало 1609 года для молодого медика ознаменовалось получением места доктора в госпитале Святого Варфоломея. До 1623 года он лечил бедных сограждан, пока не получил приглашение стать придворным врачом, а с 1625 года был медиком при короле Карле I. В 1617 году знаменитый ученый излагал свои взгляды на кровообращение с кафедры анатомии и хирургии в коллегии врачей. Тогда теоретические положения уже оформились, но были обнародованы много лет спустя в книге «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных» (1628 год).

Фундаментальный труд Гарвея ознаменовал начало современной физиологии. До него в европейской медицине господствовали идеи античных медиков, преимущественно Галена. Ранее предполагалось наличие в организме двух видов крови: грубой и одухотворенной. Если первая разносилась венами из печени по всему телу, предназначаясь для питания, то вторая двигалась по артериям и снабжала организм жизненной силой. Согласно традиционным взглядам, часть крови могла передаваться через сердце и легкие в артерии. В свою очередь, артерии должны были снабжать вены неким «духом». Однако многие замечали, что это не мешает каждому виду крови сохранять свое автономное движение в собственной системе сосудов. Несмотря на открытия Везалия и Сервета, консервативные убеждения упорно сохранялись, являясь запутанной формой вследствие противоречий, вносимых новейшими исследованиями. Англичанин Гарвей заменил теоретическую путаницу ясным, точным и законченным учением о вечном круговороте крови. Его теория опиралась на немногочисленные эксперименты, но каждая деталь подтверждалась вивисекциями на животных и вскрытиями человеческих трупов. Процесс кровообращения тщательно прослеживался на животных, причем при отсутствии микроскопа. Ученый совершенно не признавал метафизику с ее «археями» и «духами», заменяющими, по его словам, «истинное знание кажущимся».

Вильям Гарвей

В «Анатомическом исследовании…» не было намека на логику априори (от лат. apriori — «из предшествующего»), которой отличались сочинения его коллег. Труд Гарвея представлял собой истинно прогрессивное научное произведение, где все вопросы решались изучением фактов, вполне доступных наблюдению. Все же автору пришлось выдержать жестокое противодействие со стороны почитателей Античности. В течение 10 лет английский физиолог оставался одиноким среди врагов: признанные авторитеты медицины того времени — Примроз, Паризанус, Франзолий, Ж. де ла Торре — закидывали автора древними цитатами, с пеной у рта доказывая случайность, ошибочность, даже патологический характер его идей. Профессор Гюи Патен назвал открытие большого и малого кругов кровообращения «парадоксальным, бесполезным, ложным, невозможным, непонятным, нелепым, вредным для человеческой жизни».

Придворные обязанности нередко отрывали Гарвея-ученого от занятий физиологией. В 1630–1631 годах он сопровождал герцога Леннокса в поездке на материк; в 1633 году ездил с королем в Шотландию; в 1636 году «маялся» в свите германского посла. С началом революции Карл I бежал из столицы, и Гарвей вынужденно последовал за ним. Повстанцы разграбили лондонскую квартиру ученого, уничтожив все рукописи по сравнительной и патологической анатомии, эмбриологии, созданные в результате многолетних исследований.

Вильям Гарвей находился при дворе Карла во время знаменитого Эджгильского сражения, но по окончании народной войны поселился в Оксфорде: тихий город временно служил королевской резиденцией. Придворный медик был назначен деканом в университете, но в 1646 году Оксфорд осадили повстанцы, и Гарвей вновь отправился странствовать. Однако с этого времени он отошел от политики, в которой ранее принимал участие в силу должностных обязанностей. Поселившись в Лондоне, на свои средства построил дом для заседаний коллегии врачей, расположив здесь же библиотеку. Кроме того, коллеги получили от Гарвея богатую коллекцию медецинских препаратов, инструментов и книг.

В последние годы жизни ученый занимался преимущественно эмбриологией, написав книгу «Изучение зарождения животных» (1651 год). Этот труд стал первым систематическим, законченным трактатом по эмбриологии, где описан процесс развития «яйцеродящих животных». Наблюдения проводились невооруженным глазом. Развитие зародыша прослежено удивительно точно, но текст не дополнялся иллюстрациями, что невыгодно отличало книгу Гарвея от сходного труда М. Мальпиги. Материал для исследования предоставлял Карл I, не жалевший для науки своих охотничьих трофеев. Король отдавал в лабораторию оленей, мелких зверушек и птицу.

Именно Гарвей первым высказал мысль о том, что пористая скорлупа яиц пропускает воздух к зародышу. В несколько туманной форме книга знакомила с основными идеями эмбриологии. Автор описал первичную идентичность различных типов, постепенное формирование органов, сходство переходных форм в развитии зародыша человека и животных. Несмотря на недоработку отдельных положений, ученый обогатил эмбриологию крупными открытиями, четкими обобщениями, заложив основу для дальнейших исследований.

Ко времени выхода в свет «Изучения зарождения животных» заслуги автора неожиданно нашли признание в ученом мире. Вильям Гарвей доживал свои последние годы в уважении и славе. Молодые английские физиологи считали его своим предшественником. Создателю теории кровообращения посвящали стихи известные поэты. По инициативе Лондонской медицинской коллегии в зале заседаний общества поставили статую Гарвея, а в 1654 году он был избран главой столичных врачей. Однако больной, чрезвычайно уставший физиолог отказался от почетного звания президента Лондонской медицинской коллегии, сославшись на старость. В конце июня 1657 года Гарвей заметил у себя первые признаки паралича. Осознав приближение смерти, до начала агонии он успел распорядиться относительно своего научного наследия.

Термоскоп Санкториуса

Одним из первых теорию Гарвея признал врач, физиолог и анатом Санторио Санторио, произносивший свое итальянское имя на латинский манер — Санкториус (1561–1636 годы). Будучи представителем ятрофизики, профессор университета в Падуе впервые применил экспериментальный метод исследования и математическую обработку данных, а также изобрел прибор для измерения температуры человеческого тела.

Громоздкий, но довольно точный термометр состоял из шарика и длинной извилистой трубки, заполненной подкрашенной жидкостью. Температура тела измерялась посредством произвольно нанесенных делений, после того как человек согревал шарик руками или брал его в рот. Изменение уровня жидкости происходило в течение 10 ударов пульса. Прибор Санкториуса стал достижением медицины своего времени; его установили во дворе дома ученого и проводили эксперименты на всех желающих.

Позже неутомимый исследователь Санкториус сконструировал специальную камеру-весы, где изучал обмен веществ, лично выступая в качестве объекта опытов.

Экспериментальная камера Санкториуса

Сложный прибор позволял производить количественную оценку усвояемости пищевых продуктов и выделений организма путем взвешивания самого себя. Результаты экспериментов были представлены в трактате «О медицине равновесия» (1614).

Одновременно с Санкториусом над созданием термоскопа работал ярый противник схоластики, механик, астроном и естествоиспытатель Галилео Галилей (1564–1642 годы). Прибор великого итальянца представлял собой стеклянный шар с тонкой припаянной трубочкой, также выполненной из стекла. Когда ее свободный конец погружался в сосуд с подкрашенной водой или вином, шар нагревался человеческим теплом, а воздух расширялся. По мере остывания шара вода поднималась вверх до определенной метки.

Приборы Галилея и Санкториуса имели существенный недостаток: показания термоскопов зависели от перепадов атмосферного давления. Это несовершенство отчасти исправил император Фердинанд II Габсбург, лично участвовавший в разработке оригинального термоскопа. В 1641 году его придворные могли увидеть действие устройства, внешне напоминавшего маленькую лягушку. Полость прибора заполнялась жидкостью, в которой плавали шарики различной плотности. Температура тела измерялась по количеству шариков, оставшихся на поверхности после согревания и уплотнения жидкости. Несмотря на всевозможные виды термометров, изобретенных в XVII веке, в клинической практике они начали применяться только спустя два столетия.

Согласно всеобщему убеждению, физиология обрела современную направленность после открытий русского медика И. Павлова. До него исследования в области жизнедеятельности организма имели механический характер, хотя для того времени и уровня развития и это являлось прогрессом.

Представления Декарта получили продолжение в работах швейцарского естествоиспытателя, врача и поэта Альбрехта фон Галлера (1708–1777 годы), оставившего потомкам дидактическую поэму «Альпы» и философское эссе «О происхождении зла». Автор сочинений по анатомии, эмбриологии, ботанике, хирургии, выступал против теории эпигенеза в защиту преформации. Являясь одним из основоположников экспериментальной физиологии, он отрицал идеи зародышевого развития по Гарвею, полагая наличие в клетках неких материальных структур, предопределяющих развитие эмбриона. В монографии «Элементы физиологии» Галлер пытался выявить суть процесса дыхания в легких, установил зависимость силы сокращения сердца от величины стимула и определил свойства мышечных волокон — такие, как сократимость, упругость, раздражимость. Швейцарский врач был первым физиологом, заметившим непроизвольное сокращение сердца под действием силы самого органа.

Начало одному из разделов физиологии, изучающему электрические явления в живом организме, положили эксперименты итальянского анатома Луиджи Гальвани (1737–1798 годы). Позже названный основателем экспериментальной электрофизиологии, он первым занялся изучением электрических явлений при мышечном сокращении, объединив их в понятие «животное электричество». Важные сведения получены из трудов другого представителя электрофизиологии, немецкого физиолога и философа Эмиля Генриха Дюбуа-Реймона (1818–1896 годы). Его заслугой стало определение закономерностей, характеризовавших электрические явления в мышцах и нервах.

Термоскоп Галилея

Французский физиолог Франсуа Мажанди (1783–1855 годы) всегда выступал против идей витализма. Доказательства ошибочности теорий о «жизненной силе» представлены в его аргументированных опытных данных относительно чувствительных и двигательных нервных волокон (опубликованы в 1822 году). Эксперименты французского ученого обосновали соответствие между структурой и функцией, что впоследствии было сформулировано в законе Бэлла-Мажанди.

Огромное количество фундаментальных трудов по физиологии центральной нервной системы и органов чувств, сравнительной анатомии, по вопросам эмбрионального развития принадлежит немецкому естествоиспытателю Иоганнесу Петеру Мюллеру (1801–1858 годы). Несмотря на создание вполне материалистичной рефлекторной теории, физиолог из Германии считался представителем так называемого физиологического идеализма. Продолжателями его идей стали русские медики И. Сеченов, И. Павлов и А. Филомафитский. К научной школе Мюллера в свое время примкнули Р. Вирхов, Г. Гельмгольц, Г. Дюбуа-Реймон, Т. Шванн. Канадский физиолог Фредерик Грант Бантинг (1891–1941 годы), долгое время исследовал секрецию поджелудочной железы. Благодаря открытию гормона инсулина он стал лауреатом Нобелевской премии 1923 году.

Бронзовая медаль с изображением врачей Ф. Бантинга и Ч. Беста

Во второй половине XIX века европейские физиологи сделали значительные открытия относительно функций отдельных органов и систем, а также в исследовании некоторых наиболее простых механизмов регуляции деятельности сердца, сосудов, дыхания, мышц. Однако многочисленные знания имели хаотичный, разрозненный характер. Четкому представлению о жизнедеятельности организма и его отношении к природе мешало отсутствие единой теории о тесной взаимосвязи различных функций организма. Позже этот период назвали временем аналитической физиологии. Наметившаяся тенденция к обобщению имеющихся данных, которая выражалась в попытках изучения нервной системы, нашла логичное завершение в работах русских физиологов И. Сеченова и И. Павлова.

Микроскопическая эра

Создание микроскопической техники стало необходимостью задолго до XVIII века, с которым связано появление гистологии — науки о строении, развитии и жизнедеятельности тканей. Основной целью гистологии (от греч. histos — «ткань») является наблюдение за эволюцией тканей, а также выяснение взаимодействия клеток одного и различных организмов. Первые представления о тканях формировались макроскопическим путем, то есть на основании изучения трупов. Бездоказательные теоретические обобщения не представляли особой ценности, хотя примитивная микроскопическая техника существовала уже в XVI веке. Действие прибора, собранного из увеличительных стекол, в 1590 году продемонстрировали голландские астрономы братья Ганс и Захарий Янсены. Оптическая труба Галилео Галилея имела 9-кратное увеличение и вначале предназначалась для изучения внутреннего строения предметов. После успешного показа в 1609 году ученый приспособил систему для наблюдения за небесными светилами.

Современный термин «микроскоп» и первое применение прибора связаны с именем английского естествоиспытателя Роберта Гука (1635–1703 годы). Разносторонний ученый, экспериментатор, опередивший Ньютона в догадках о существовании всемирного тяготения, Гук усовершенствовал оптическую систему Галилея, создав микроскоп, увеличивавший в 30 раз. Имея степень магистра искусств Оксфордского университета, ученый изобрел воздушный насос, придумал пружинный привод механизма карманных часов и множество других полезных вещей.

Микроскоп Гука

Активная изобретательская деятельность Гука определялась не только его энергичной натурой, но и являлась частью служебных обязанностей. Пожизненная должность куратора экспериментов Королевского общества, помимо престижа, требовала регулярной демонстрации новых экспериментов, а соответственно — значительных денежных затрат, причем при отсутствии жалованья. Несмотря на нехватку средств, сэр Роберт охотно выполнял свою работу, помогавшую исследованиям, а также создававшую репутацию полезного клиента у мастеров, изготавливавших инструменты.

В 1664 году в Англии свирепствовала чума, но магистр не покинул Лондон, будучи увлечен научными экспериментами. В «Истории Королевского общества» сохранилась запись от 1665 года: «Гук… между прочими вещами показал первый действительный микроскоп и множество открытий, сделанных с его помощью, первую ирисовую диафрагму и целый ряд новых метеорологических приборов». Тогда же вышел в свет классический труд магистра Гука — книга под названием «Микрография, или Физиологическое описание мельчайших тел, исследованных с помощью увеличительных стекол». Сочинение представляло собой рассказ о результатах применения микроскопа в качестве исследовательского инструмента: в ней описано 57 «микроскопических» и 3 «телескопических» опыта. Кроме того, автор открыл клеточное строение тканей, ввел термин «клетка», исследовав ткани растений, насекомых и животных. Превосходные гравюры, сопровождавшие текст, представляли как научную, так и художественную ценность.

Ян Сваммердам

Одним из основоположников микроскопической анатомии считается нидерландский натуралист Ян Сваммердам (1637–1680 годы), написавший сочинения по анатомии насекомых с изображением их строения на различных стадиях развития. Итальянский медик и биолог Марчелло Мальпиги (1628–1694 годы) также внес посильный вклад в становление гистологии. Его заслуга состоит в открытии капиллярного кровообращения, в описании микроскопического строения некоторых видов тканей и органов растений, животных и человека. Именем Мальпиги названы почечные тельца и слой эпидермиса.

Самый мощный микроскоп своего времени в 1673 году создал нидерландский натуралист Антони ван Левенгук (1632–1723 годы). Прибор с 270-кратным увеличением позволял наблюдать и зарисовывать простейших, сперматозоиды, бактерии, эритроциты, а также их движение в капиллярах. Столь малые живые организмы, обнаруженные при значительном увеличении, были описаны в книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком» (1695). Голландский изобретатель достиг совершенства в шлифовке оптических стекол, что позволило ему изготовить короткофокусные линзы с увеличением, невиданным до того времени. Устройство дополнялось удобными металлическими держателями, конструкции самого Левенгука. Ученый не пожелал остаться искателем-одиночкой, регулярно сообщая результаты своих экспериментов в Лондонское королевское общество. Известно, что в 1673–1723 годах он отправил 375 отчетов, но ни один из них не послужил основой теоретического обобщения и не привел к созданию отдельной дисциплины.

Микроскоп Левенгука

«Никто не сделал так много и настолько хорошо за такое короткое время», — отозвался современник молодого доктора Биша после его похорон. Автор высказывания напрасно обидел французских ученых, но Мари Франсуа Ксавье Биша (1771–1802 годы) за 32 года своей жизни действительно сделал очень многое.

Являясь основоположником патологической анатомии и гистологии, он изучал морфологию и физиологию человеческой ткани без применения микроскопа. Биша назвал более 20 видов тканей, подробно описав их в трудах «Трактат о мембранах и оболочках» (1800) и «Общая анатомия в приложении к физиологии и медицине» (1801). Создание клеточной теории строения организмов, выявившей равенство процессов, происходящих во всех многоклеточных организмах, стало одним из самых великих открытий в естествознании. С трудами Шлейдена и Шванна принято связывать начало микроскопического периода в развитии медико-биологических наук.

Мари Франсуа Ксавье Биша

Чешский естествоиспытатель Ян Эвангелист Пуркине (1787–1869 годы) одним из первых применил клеточную теорию непосредственно к медицине, разглядев нервные клетки в сером веществе головного мозга. В 1837 году ученый сделал еще более ошеломляющее открытие: описав клетки в головном и спинном мозге, он выделил в сером веществе коры мозжечка крупные клетки, а также смог объяснить ритмичную работу сердца наличием волокон проводящей системы этого органа. Клетки мозжечка и сердца в специализированных атласах называются именем Пуркине.

Ян Пуркине

Натуралист из Чехии является создателем классических работ по анатомии, физиологии зрительного восприятия, гистологии и эмбриологии. В 1839 году во Вроцлаве по его инициативе чешские медики объединились в Научное общество, и тогда же был учрежден первый в мире Физиологический институт. Пуркине принадлежит авторство некогда популярного термина «протоплазма» (от греч. plasma — «оформленное»), но в прошлом столетии это понятие утратило актуальность. Сотрудники вроцлавского физиологического института уже в середине XIX века пользовались микротомом — инструментом, предназначенным для получения тонких срезов с кусочков органов или тканей с целью последующей микроскопии. В настоящее время с помощью ультрамикротома биологи получают срезы толщиной до 1000 нм (1 нм = 10 — 9 м) для электронной микроскопии.

Микроскоп Делпебара

Самым совершенным для своего времени считался микроскоп системы Деллебара, с помощью которого русский медик Д. Самойлович разработал меры по предотвращению распространения чумы. Сильное увеличение позволило обнаружить в выделениях заразившихся и тканях покойников возбудителя болезни. Сам микроб описан гораздо позже, но Самойловичу принадлежит пионерство в изучении природы чумы с использованием оптической техники, о чем написано в книге «Краткое описание микроскопических исследований о существе яду язвенного…» (1792).