Текст книги "100 великих учёных"

Автор книги: Дмитрий Самин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 23 (всего у книги 50 страниц)

ГЕРМАН ГЕЛЬМГОЛЬЦ

(1821–1894)

Герман Гельмгольц – один из величайших учёных XIX века. Физика, физиология, анатомия, психология, математика… В каждой из этих наук он сделал блестящие открытия, которые принесли ему мировую славу.

Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц родился 31 августа 1821 года в семье потсдамского учителя гимназии. По желанию отца, в 1838 году Герман поступил в военно-медицинский институт Фридриха Вильгельма для изучения медицины. Под влиянием знаменитого физиолога Иоганна Мюллера, Гельмгольц посвятил себя изучению физиологии и по прослушании курса института защитил в 1842 году докторскую диссертацию, посвящённую строению нервной системы. В этой работе двадцатидвухлетний врач впервые доказал существование целостных структурных элементов нервной ткани, получивших позднее название нейронов.

В том же году Герман назначается ординатором в больницу в Берлине. С 1843 года начался служебный путь Гельмгольца в качестве потсдамского военного врача. Жил он в казарме и вставал в пять часов утра по сигналу кавалерийской трубы. Но эскадронный хирург гусарского полка находил время и для занятий наукой. В 1845 году он прощается с военной службой и едет в Берлин для подготовки к государственным экзаменам на звание врача. Гельмгольц усердно занимается в домашней физической лаборатории Густава Магнуса.

А. Г. Столетов, чутко уловивший перелом в научном развитии Германии в сороковых годах, писал: «Домашняя лаборатория Магнуса – первый пример физической лаборатории – становится рассадником физиков-экспериментаторов». Впоследствии воспитанник этой лаборатории Гельмгольц становится преемником Магнуса и переносит лабораторию в здание Берлинского университета, где она превращается в мировой научный центр.

Другим учителем Гельмгольца в Берлине был Иоганн Мюллер. Много позднее 2 ноября 1871, на чествовании Гельмгольца по случаю его семидесятилетия он произнёс речь, в которой охарактеризовал свой научный путь. Он указал, что под влиянием Иоганна Мюллера заинтересовался вопросом о загадочном существе жизненной силы. Размышляя над этой проблемой, Гельмгольц в последний год студенчества пришёл к выводу, что теория жизненной силы «приписывает всякому живому телу свойства так называемого perpetuum mobile». Гельмгольц был знаком с проблемой вечного двигателя со школьных лет, а в студенческие годы «в свободные минуты… разыскивал и просматривал сочинения Даниила Бернулли, Даламбера и других математиков прошлого столетия». «Таким образом, я, – говорил Гельмгольц, – натолкнулся на вопрос: „Какое отношение должно существовать между различными силами природы, если принять, что perpetuum mobile вообще невозможен?“ – и далее: „Выполняются ли в действительности все эти отношения?“»

В журнале Мюллера Гельмгольц опубликовал в 1845 году работу «О расходовании вещества при действии мышц». В том же 1845 году молодые учёные, группировавшиеся вокруг Магнуса и Мюллера, образовали Берлинское физическое общество. В него вошёл и Гельмгольц. С 1845 года общество, превратившееся в дальнейшем в Немецкое физическое общество, стало издавать первый реферативный журнал «Успехи физики».

Научное развитие Гельмгольца происходило, таким образом, в благоприятной обстановке возросшего интереса к естествознанию в Берлине. Уже в первом томе «Успехов физики, 1845», вышедшем в Берлине в 1847 году, был напечатан обзор, выполненный Гельмгольцем по теории физиологических тепловых явлений. 23 июля 1847 года он сделал на заседании Берлинского физического общества доклад «О сохранении силы». В том же году он был опубликован отдельной брошюрой.

Авторитеты в то время «были склонны отвергать справедливость закона; среди той ревностной борьбы, какую они вели с натурфилософией Гегеля, и моя работа была сочтена за фантастическое умствование…». Однако Гельмгольц не был одинок, его поддержала научная молодёжь, и, прежде всего, будущий знаменитый физиолог Дюбуа Реймон и молодое Берлинское физическое общество.

Что же касается отношения его к работам предшественников Майера и Джоуля, то Гельмгольц неоднократно признавал приоритет Майера и Джоуля, подчёркивая, однако, что с работой Майера он не был знаком, а работы Джоуля знал недостаточно.

В отличие от своих предшественников он связывает закон с принципом невозможности вечного двигателя. Материю Гельмгольц рассматривает как пассивную и неподвижную. Для того чтобы описать изменения, происходящие в мире, её надо наделить силами как притягательными, так и отталкивательными. «Явления природы, – говорит Гельмгольц, – должны быть сведены к движениям материи с неизменными движущими силами, которые зависят только от пространственных взаимоотношений».

Таким образом, мир, по Гельмгольцу, – это совокупность материальных точек, взаимодействующих друг с другом с центральными силами. Силы эти консервативны, и Гельмгольц во главу своего исследования ставит принцип сохранения живой силы. Принцип Майера «из ничего ничего не бывает» Гельмгольц заменяет более конкретным положением, что «невозможно при существовании любой произвольной комбинации тел получать непрерывно из ничего движущую силу».

Принцип сохранения живой силы в его формулировке гласит: «Если любое число подвижных материальных точек движется только под влиянием таких сил, которые зависят от взаимодействия точек друг на друга или которые направлены к неподвижным центрам, то сумма живых сил всех взятых вместе точек останется одна и та же во все моменты времени, в которые все точки получают те же самые относительные положения друг по отношению к другу и по отношению к существующим неподвижным центрам, каковы бы ни были их траектории и скорости в промежутках между соответствующими моментами».

Сформулировав этот принцип, Гельмгольц рассматривает его применения в различных частных случаях. Рассматривая электрические явления, Гельмгольц находит выражение энергии точечных зарядов и показывает физическое значение функции, названной Гауссом потенциалом. Далее он вычисляет энергию системы заряженных проводников и показывает, что при разряде лейденских банок выделяется теплота, эквивалентная запасённой электрической энергии. Он показал при этом, что разряд является колебательным процессом и электрические колебания «делаются всё меньше и меньше, пока наконец живая сила не будет уничтожена суммой сопротивлений».

Затем Гельмгольц рассматривает гальванизм. Гельмгольц разбирает энергетические процессы в гальванических источниках, в термоэлектрических явлениях, положив начало будущей термодинамической теории этих явлений. Рассматривая магнетизм и электромагнетизм, Гельмгольц, в частности, даёт свой известный вывод выражения электродвижущей силы индукции, исходя из исследований Неймана и опираясь на закон Ленца.

В своём сочинении Гельмгольц в отличие от Майера уделяет главное внимание физике и лишь очень бегло и сжато говорит о биологических явлениях. Тем не менее именно это сочинение открыло Гельмгольцу дорогу к кафедре физиологии и общей патологии медицинского факультета Кёнигсбергского университета, где он в 1849 году получил должность экстраординарного профессора.

Эту должность Гельмгольц занимал до 1855 года, когда он перешёл профессором анатомии и физиологии в Бонн. В 1858 году Гельмгольц становится профессором физиологии в Гейдельберге, где он много и успешно занимался физиологией зрения. Эти исследования существенно обогатили область знания и практическую медицину. Итогом этих исследований явилась знаменитая «Физиологическая оптика» Гельмгольца, первый выпуск которой вышел в 1856 году, второй – в 1860 году, а третий – в 1867 году.

Глаз – один из замечательнейших органов нашего тела. О его работе знали и раньше, сравнивали её с работой фотографического аппарата. Но для полного выяснения даже только физической стороны зрения мало грубого сравнения с фотокамерой. Нужно решить ряд сложных задач из области не только физики, но и физиологии и даже психологии. Разрешать их приходилось на живом глазу, и Гельмгольц сумел сделать это. Он построил особый, изумительный по своей простоте аппарат (офтальмометр), который позволял измерять кривизну роговой оболочки задней и передней поверхности хрусталика. Так было изучено преломление лучей в глазу.

Мы видим предметы окрашенными в тот или иной цвет, наше зрение цветное. Что лежит в его основе? Изучение глаза показало, что сетчатка имеет три основных светоощущающих элемента: один из них сильнее всего раздражается красными лучами, другой – зелёными, третий – синими. Любой цвет вызывает более сильное раздражение одного из элементов и более слабое остальных. Комбинации раздражений создают всю ту игру цветов, которую мы видим вокруг себя.

Чтобы исследовать дно живого глаза, Гельмгольц изготовил особый прибор: глазное зеркало (офтальмоскоп). Этот прибор давно уже стал обязательным снаряжением каждого глазного врача.

Гельмгольц сделал очень много для изучения глаза и зрения: создал физиологическую оптику – науку о глазе и зрении.

Здесь же, в Гейдельберге, Гельмгольц проводил свои классические исследования по скорости распространения нервного возбуждения. Лягушки для препарирования много раз побывали на лабораторном столе учёного. Он изучал на них скорость распространения возбуждения по нерву. Нерв получал раздражение током, вызванное возбуждение достигало мышцы, и она сокращалась. Зная расстояния между этими двумя точками и разницу во времени, можно высчитать скорость распространения возбуждения по нерву. Она оказалась совсем небольшой, всего от 30 до 100 м/с.

Как будто совсем простой опыт. Он и выглядит простым теперь, когда Гельмгольц его разработал. А до него утверждали, что измерить эту скорость нельзя: она есть проявление таинственной «жизненной силы», не поддающейся измерениям.

Не меньше Гельмгольц сделал и для изучения слуха и уха (физиологическая акустика). В 1863 году вышла его книга «Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа акустики».

И здесь до исследований Гельмгольца многое, связанное со слухом, было изучено очень слабо. Знали, как возникает и распространяется звук, но очень мало было известно о тех воздействиях, которые оказывают звуки на способные колебаться предметы. Гельмгольц раньше всех занялся этим сложным явлением. Создав теорию резонанса, он создал затем на её основе учение о слуховых ощущениях, о нашем голосе, о музыкальных инструментах. Изучая явления колебаний, Гельмгольц разработал и ряд вопросов, имеющих огромное значение для теории музыки, дал анализ причин музыкальной гармонии.

На примере Гельмгольца видно, какое огромное значение имеет широта кругозора учёного, богатство и разнообразие его знаний и интересов. Там же, в Гейдельберге, вышли его классические работы по гидродинамике и основаниям геометрии.

С марта 1871 года Гельмгольц становится профессором Берлинского университета. Он создаёт физический институт, в который приезжали работать физики всего мира.

С переездом в Берлин Гельмгольц посвящает себя исключительно физике, причём изучает её наиболее сложные области: электродинамику, в которой, исходя из идей Фарадея, разрабатывает собственную теорию, затем гидродинамику и явления электролиза в связи с термохимией. Особенно замечательны его работы по гидродинамике, начатые ещё в 1858 году, в которых Гельмгольц даёт теорию вихревого движения и течения жидкости и в которых ему удаётся решить несколько весьма трудных математических задач. В 1882 году Гельмгольц формулирует теорию свободной энергии, в которой решает вопрос о том, какая часть полной молекулярной энергии некой системы может превратиться в работу. Эта теория имеет в термохимии то же значение, что принцип Карно в термодинамике.

В 1883 году император Вильгельм жалует Гельмгольцу дворянское звание. В 1884 году Гельмгольц публикует теорию аномальной дисперсии, а немного позже несколько важных работ по теоретической механике. К этому же времени относятся работы по метеорологии.

В 1888 году Гельмгольц назначается директором вновь учреждённого правительственного физико-технического института в Шарлотенбурге – Центра немецкой метрологии, в организации которого он принимал самое активное участие. В то же время учёный продолжает читать лекции теоретической физики в университете.

У Гельмгольца было много учеников; его лекции слушали тысячи студентов. Поработать в его лаборатории, поучиться искусству эксперимента приезжали многие молодые учёные. Его учениками могут считаться многие русские учёные – физиологи Е. Адамюк, Н. Бакст, Ф. Заварыкин, И. Сеченов, физики П. Лебедев, П. Зидов, Р. Колли, А. Соколов, Н. Шиддер.

К сожалению, не только радостные события ждали Гельмгольца в старости. Его сын Роберт, подававший большие надежды молодой физик безвременно скончался в 1889 году, оставив работу о лучеиспускании горящих газов.

Самые последние работы учёного, написанные в 1891–1892 годах, относятся к теоретической механике.

Умер Гельмгольц 8 сентября 1894 года.

ГРЕГОР МЕНДЕЛЬ

(1822–1884)

Основоположником науки о наследственности – генетики по праву считается австро-венгерский учёный Грегор Мендель. Работа исследователя, «переоткрытая» только в 1900 году, принесла посмертную славу Менделю и послужила началом новой науки, которую несколько позже назвали генетикой. До конца семидесятых годов XX века генетика в основном двигалась по пути, проложенному Менделем, и только когда учёные научились читать последовательность нуклеиновых оснований в молекулах ДНК, наследственность стали изучать не с помощью анализа результатов гибридизации, а опираясь на физико-химические методы.

Грегор Иоганн Мендель родился в Гейнцендорфе, что в Силезии, 20 июля 1822 года в семье крестьянина. В начальной школе он обнаружил выдающиеся математические способности и по настоянию учителей продолжил образование в гимназии небольшого, находящегося поблизости городка Опава. Однако на дальнейшее обучение Менделя денег в семье недоставало. С большим трудом их удалось наскрести на завершение гимназического курса. Выручила младшая сестра Тереза: она пожертвовала скоплённым для неё приданым. На эти средства Мендель смог проучиться ещё некоторое время на курсах по подготовке в университет. После этого средства семьи иссякли окончательно.

Выход предложил профессор математики Франц. Он посоветовал Менделю вступить в августинский монастырь города Брно. Его возглавлял в то время аббат Кирилл Напп – человек широких взглядов, поощрявший занятия наукой. В 1843 году Мендель поступил в этот монастырь и получил имя Грегор (при рождении ему было дано имя Иоганн). Через четыре года монастырь направил двадцатипятилетнего монаха Менделя учителем в среднюю школу. Затем с 1851 по 1853 год он изучал естественные науки, особенно физику, в Венском университете, после чего стал преподавателем физики и естествознания в реальном училище города Брно.

Его педагогическую деятельность, продолжавшуюся четырнадцать лет, высоко ценили и руководство училища, и ученики. По воспоминаниям последних, он считался одним из любимейших учителей. Последние пятнадцать лет жизни Мендель был настоятелем монастыря.

С юности Грегор интересовался естествознанием. Будучи скорее любителем, чем профессиональным учёным-биологом, Мендель постоянно экспериментировал с различными растениями и пчёлами. В 1856 году он начал классическую работу по гибридизации и анализу наследования признаков у гороха.

Мендель трудился в крохотном, менее двух с половиною соток, монастырском садике. Он высевал горох на протяжении восьми лет, манипулируя двумя десятками разновидностей этого растения, различных по окраске цветков и по виду семян. Он проделал десять тысяч опытов. Своим усердием и терпением он приводил в немалое изумление помогавших ему в нужных случаях партнёров – Винкельмейера и Лиленталя, а также садовника Мареша, весьма склонного к выпивке. Если Мендель и давал пояснения своим помощникам, то вряд ли они могли его понять.

Неторопливо текла жизнь в монастыре Святого Томаша. Нетороплив был и Грегор Мендель. Настойчив, наблюдателен и весьма терпелив. Изучая форму семян у растений, полученных в результате скрещиваний, он ради уяснения закономерностей передачи лишь одного признака («гладкие – морщинистые») подверг анализу 7324 горошины. Каждое семя он рассматривал в лупу, сравнивая их форму и делая записи.

С опытов Менделя начался другой отсчёт времени, главной отличительной чертой которого стал опять же введённый Менделем гибридологический анализ наследственности отдельных признаков родителей в потомстве. Трудно сказать, что именно заставило естествоиспытателя обратиться к абстрактному мышлению, отвлечься от голых цифр и многочисленных экспериментов. Но именно оно позволило скромному преподавателю монастырской школы увидеть целостную картину исследования; увидеть её лишь после того, как пришлось пренебречь десятыми и сотыми долями, обусловленными неизбежными статистическими вариациями. Только тогда буквенно «помеченные» исследователем альтернативные признаки открыли ему нечто сенсационное: определённые типы скрещивания в разном потомстве дают соотношение 3:1, 1:1, или 1:2:1.

Мендель обратился к работам своих предшественников за подтверждением мелькнувшей у него догадки. Те, кого исследователь почитал за авторитеты, пришли в разное время и каждый по-своему к общему заключению: гены могут обладать доминирующими (подавляющими) или рецессивными (подавляемыми) свойствами. А раз так, делает вывод Мендель, то комбинация неоднородных генов и даёт то самое расщепление признаков, что наблюдается в его собственных опытах. И в тех самых соотношениях, что были вычислены с помощью его статистического анализа. «Проверяя алгеброй гармонию» происходящих изменений в полученных поколениях гороха, учёный даже ввёл буквенные обозначения, отметив заглавной буквой доминантное, а строчной – рецессивное состояние одного и того же гена.

Мендель доказал, что каждый признак организма определяется наследственными факторами, задатками (впоследствии их назвали генами), передающимися от родителей потомкам с половыми клетками. В результате скрещивания могут появиться новые сочетания наследственных признаков. И частоту появления каждого такого сочетания можно предсказать.

Обобщённо результаты работы учёного выглядят так:

• все гибридные растения первого поколения одинаковы и проявляют признак одного из родителей;

• среди гибридов второго поколения появляются растения как с доминантными, так и с рецессивными признаками в соотношении 3:1;

• два признака в потомстве ведут себя независимо и во втором поколении встречаются во всех возможных сочетаниях;

• необходимо различать признаки и их наследственные задатки (растения, проявляющие доминантные признаки, могут в скрытом виде нести задатки рецессивных);

• объединение мужских и женских гамет случайно в отношении того, задатки каких признаков несут эти гаметы.

В феврале и марте 1865 года в двух докладах на заседаниях провинциального научного кружка, носившего название Общества естествоиспытателей города Брно, один из рядовых его членов, Грегор Мендель, сообщил о результатах своих многолетних исследований, завершённых в 1863 году. Несмотря на то что его доклады были довольно холодно встречены членами кружка, он решился опубликовать свою работу. Она увидела свет в 1866 году в трудах общества под названием «Опыты над растительными гибридами».

Современники не поняли Менделя и не оценили его труд. Для многих учёных опровержение вывода Менделя означало бы ни много ни мало, как утверждение собственной концепции, гласившей, что приобретённый признак можно «втиснуть» в хромосому и обратить в наследуемый. Как только не сокрушали «крамольный» вывод скромного настоятеля монастыря из Брно маститые учёные, каких только эпитетов не придумывали, дабы унизить, высмеять. Но время решило по-своему.

Да, Грегор Мендель не был признан современниками. Слишком уж простой, бесхитростной представилась им схема, в которую без нажима и скрипа укладывались сложные явления, составляющие в представлении человечества основание незыблемой пирамиды эволюции. К тому же в концепции Менделя были и уязвимые места. Так, по крайней мере, представлялось это его оппонентам. И самому исследователю тоже, поскольку он не мог развеять их сомнений. Одной из «виновниц» его неудач была ястребинка.

Ботаник Карл фон Негели, профессор Мюнхенского университета, прочитав работу Менделя, предложил автору проверить обнаруженные им законы на ястребинке. Это маленькое растение было излюбленным объектом Негели. И Мендель согласился. Он потратил много сил на новые опыты. Ястребинка – чрезвычайно неудобное для искусственного скрещивания растение. Очень мелкое. Приходилось напрягать зрение, а оно стало всё больше и больше ухудшаться. Потомство, полученное от скрещивания ястребинки, не подчинялось закону, как он считал, правильному для всех. Лишь спустя годы после того, как биологи установили факт иного, не полового размножения ястребинки, возражения профессора Негели, главного оппонента Менделя, были сняты с повестки дня. Но ни Менделя, ни самого Негели уже, увы, не было в живых.

Очень образно о судьбе работы Менделя сказал крупнейший советский генетик академик Б. Л. Астауров, первый президент Всесоюзного общества генетиков и селекционеров имени Н. И. Вавилова:

«Судьба классической работы Менделя превратна и не чужда драматизма. Хотя им были обнаружены, ясно показаны и в значительной мере поняты весьма общие закономерности наследственности, биология того времени ещё не доросла до осознания их фундаментальности. Сам Мендель с удивительной проницательностью предвидел общезначимость обнаруженных на горохе закономерностей и получил некоторые доказательства их применимости к некоторым другим растениям (трём видам фасоли, двум видам левкоя, кукурузе и ночной красавице). Однако его настойчивые и утомительные попытки приложить найденные закономерности к скрещиванию многочисленных разновидностей и видов ястребинки не оправдали надежд и потерпели полное фиаско. Насколько счастлив был выбор первого объекта (гороха), настолько же неудачен второй. Только много позднее, уже в нашем веке, стало понятно, что своеобразные картины наследования признаков у ястребинки являются исключением, лишь подтверждающим правило. Во времена Менделя никто не мог подозревать, что предпринятые им скрещивания разновидностей ястребинки фактически не происходили, так как это растение размножается без опыления и оплодотворения, девственным путём, посредством так называемой апогамии. Неудача кропотливых и напряжённых опытов, вызвавших почти полную потерю зрения, свалившиеся на Менделя обременительные обязанности прелата и преклонные годы вынудили его прекратить любимые исследования.

Прошло ещё несколько лет, и Грегор Мендель ушёл из жизни, не предчувствуя, какие страсти будут бушевать вокруг его имени и какой славой оно, в конце концов, будет покрыто. Да, слава и почёт придут к Менделю уже после смерти. Он же покинет жизнь, так и не разгадав тайны ястребинки, не „уложившейся“ в выведенные им законы единообразия гибридов первого поколения и расщепления признаков в потомстве».

Менделю было бы значительно легче, знай он о работах другого учёного Адамса, опубликовавшего к тому времени пионерскую работу о наследовании признаков у человека. Но Мендель не был знаком с этой работой. А ведь Адамс на основе эмпирических наблюдений за семьями с наследственными заболеваниями фактически сформулировал понятие наследственных задатков, подметив доминантное и рецессивное наследование признаков у человека. Но ботаники не слышали о работе врача, а тому, вероятно, выпало на долю столько практической лечебной работы, что на абстрактные размышления просто не хватало времени. В общем, так или иначе, но генетики узнали о наблюдениях Адамса, только приступив всерьёз к изучению истории генетики человека.

Не повезло и Менделю. Слишком рано великий исследователь сообщил о своих открытиях научному миру. Последний был к этому ещё не готов. Лишь в 1900 году, переоткрыв законы Менделя, мир поразился красоте логики эксперимента исследователя и изящной точности его расчётов. И хотя ген продолжал оставаться гипотетической единицей наследственности, сомнения в его материальности окончательно развеялись.

Мендель был современником Чарлза Дарвина. Но статья брновского монаха не попалась на глаза автору «Происхождения видов». Остаётся лишь гадать, как бы оценил Дарвин открытие Менделя, если бы ознакомился с ним. Между тем великий английский натуралист проявлял немалый интерес к гибридизации растений. Скрещивая разные формы львиного зева, он по поводу расщепления гибридов во втором поколении писал: «Почему это так. Бог знает…»

Умер Мендель 6 января 1884 года, настоятелем того монастыря, где вёл свои опыты с горохом. Не замеченный современниками, Мендель, тем не менее, нисколько не поколебался в своей правоте. Он говорил: «Моё время ещё придёт». Эти слова начертаны на его памятнике, установленном перед монастырским садиком, где он ставил свои опыты.

Знаменитый физик Эрвин Шрёдингер считал, что применение законов Менделя равнозначно внедрению квантового начала в биологии.

Революционизирующая роль менделизма в биологии становилась всё более очевидной. К началу тридцатых годов нашего столетия генетика и лежащие в её основе законы Менделя стали признанным фундаментом современного дарвинизма. Менделизм сделался теоретической основой для выведения новых высокоурожайных сортов культурных растений, более продуктивных пород домашнего скота, полезных видов микроорганизмов. Менделизм дал толчок развитию медицинской генетики…

В августинском монастыре на окраине Брно сейчас поставлена мемориальная доска, а рядом с палисадником воздвигнут прекрасный мраморный памятник Менделю. Комнаты бывшего монастыря, выходящие окнами в палисадник, где Мендель вёл свои опыты, превращены теперь в музей его имени. Здесь собраны рукописи (к сожалению, часть их погибла во время войны), документы, рисунки и портреты, относящиеся к жизни учёного, принадлежавшие ему книги с его пометками на полях, микроскоп и другие инструменты, которыми он пользовался, а также изданные в разных странах книги, посвящённые ему и его открытию.