Гельмгольц (1821–1894)

Герман-Людвиг-Фердинанд фон Гельмгольц (Helmholtz) — считался в Германии национальным достоянием. Ему удалось стать первым врачом среди ученых и первым ученым среди врачей. Любопытный факт. Хотя Гельмгольц был так же глубок, так же широко захватывал области знания и был так же гениален в своих исследованиях как Лейбниц, он обладал плохой памятью, учился весьма посредственно и окончил гимназию с грехом пополам. Во время его учебы в гимназии никто даже подумать не мог, что он столько полезного сделает в науке! Однако Герман сделался выдающимся физиологом. И более того, с именем врача, математика, психолога, профессора физиологии и физики Гельмгольца, изобретателя глазного зеркала, в XIX веке неразрывно связана коренная реконструкция физиологических представлений. Блестящий знаток высшей математики и теоретической физики, он поставил эти науки на службу физиологии и добился выдающихся результатов.

Отец Германа Август-Фердинанд-Юлиус Гельмгольц (1792–1859) получил высшее образование в Берлинском университете, где сначала учился на теологическом факультете и занимался философией. В 1813 году, увлеченный идеей национального возрождения Германии, он вступил добровольцем в войска и, несмотря на слабое здоровье, два года провел в походах. После заключения мира он вновь поступил в университет, на сей раз на факультет филологии. Он выдержал в 1820 году специальный экзамен и получил место старшего учителя в гимназии Потсдама. В первый год своего учительства он женился на Каролине Пенн, дочери артиллерийского офицера, происходившего по мужской ветви от известного американца, а по женской — из семьи Соваж, переселившейся в Германию в начале XIX века и принадлежащей к гугенотам; так что, как и братья фон Гумбольдты, Герман Гельмгольц отчасти француз.

В гимназии Август-Фердинанд преподавал немецкий язык, философию, толковал Платона, читал Гомера, Вергилия, Овидия и даже одно время преподавал математику и физику. Любимым предметом, однако, была греческая литература и культура. Как выдающийся педагог в 1827 году он был назначен субректором, а год спустя получил звание профессора. Учителем гимназии, в которую скоро пойдет учиться его сын Герман, он оставался до 1857 года, затем вышел в отставку, получив пенсию.

Герман родился 31 августа 1821 года в германском городе Потсдаме. Кроме него, в семье позже появились две девочки и мальчик. В детстве Герман рос хилым ребенком, часто и подолгу хворал. Каждая болезнь заставляла его родителей вздрагивать, опасаясь за своего первенца. Рано обнаружился и некоторый недостаток в его умственном складе: слабая память на вещи, не имеющие внутренней связи. Он с трудом различал правую и левую стороны. Позже, когда в школе изучал языки, он труднее чем другие, запоминал неправильные грамматические формы, особенно обороты речи. Историю он едва осилил, мукой было учить наизусть отрывки в прозе. Этот недостаток только усилился с годами и стал бедствием его старости. Когда в классе читали Цицерона или Вергилия, он под столом вычислял ход лучей в телескопах и уже тогда нашел некоторые оптические теоремы, о которых ничего не говорилось в учебниках.

12 сентября 1838 года Герман окончил гимназию, и встал вопрос о выборе карьеры. Из наук его более всего привлекало естествознание. Однако отсутствие необходимых средств для того, чтобы посвятить себя чистой науке, заставило отца Германа отсоветовать сыну идти на естественный факультет, и Герман решился посвятить себя изучению медицины как области, которая может помочь ему так устроиться в будущем, чтобы не прерывать своих занятий физикой и математикой. К этому присоединилось еще одно благоприятное обстоятельство, которое и решило все дело; единственным родственником, причастным к науке в семье Гельмгольца, был Муренин, занимавший видную должность. Он взялся похлопотать, чтобы Германа приняли на государственный счет в Военный Медико-хирургический институт Фридриха-Вильгельма в Берлине, который готовил военных врачей.

Семнадцатилетний студент в первом семестре изучает физику, химию и анатомию. Кроме этих главных предметов, он за первый год прослушал логику, историю, латинский и французский языки. Свободное время в течение каникул и праздников Герман посвящал чтению Гомера, Байрона, Био и Канта. Герману повезло не только с сокурсниками (с ним училась целая плеяда будущих корифеев физиологии, составившая цвет немецкой науки: Карл Людвиг, Дюбуа-Реймон, Брюкке, Вирхов, Шванн), но и с преподавателем физиологии Иоганнесом Мюллером, светилом немецкой физиологической науки. Во втором семестре под влиянием своего знаменитого учителя Герман заинтересовался физиологией и гистологией. Учеников Мюллера объединяло одинаковое стремление связать физику с физиологией и найти для их обоснования более прочный фундамент. Герман значительно превосходил своих друзей в знании математики, которая давала ему возможность точно «формулировать задачи и давать методом их решения правильное направление».

Работа Германа в лаборатории Мюллера, начатая блестяще в студенческие годы и захватившая его, была осенью 1842 года прервана практической работой в качестве хирурга в военном госпитале Шаритэ в Берлине, продолжавшаяся целый год и отнимавшая у него ежедневно время от 7 утра до 8 вечера. Тем не менее 2 ноября 1842 года Герман защитил докторскую диссертацию на латинском языке «О строении нервной системы беспозвоночных». Тему «Строение нервной системы» ему предложил сам Мюллер. В этой диссертации он впервые доказал, что известные элементы нервной ткани, нервные клетки и волокна, соединены друг с другом и составляют части неразрывного целого, получившего в дальнейшем название нейрона.

Чрезвычайно трогательна история, как Герман приобрел микроскоп, при помощи которого он выполнил диссертационную работу. Заболев тифом, он как студент института Фридриха-Вильгельма был бесплатно помещен в больницу Шаритэ, и благодаря этому у него накопилась маленькая сумма от стипендии, что дало ему возможность приобрести микроскоп, правда плохонький.

По окончании института Гельмгольц направляется в больницу Шаритэ ординатором, там же работал Вирхов. Одновременно он трудится в домашней лаборатории Густава Магнуса (1802–1870), автора изданий по механике, гидродинамике, теплоте и т. п. Гельмгольцу предстояла семилетняя отработка стипендии в качестве военного врача. Ему удалось устроиться в Потсдаме, недалеко от Берлина: в октябре 1843 года он служил эскадронным хирургом королевского лейб-гвардии гусарского полка. Живет Гельмгольц в казарме, встает, как все, в пять часов утра по сигналу кавалерийской трубы. Несмотря на все неудобства казарменного быта, он умудряется устроить маленькую физико-физиологическую лабораторию и в 1845 году произвести свои опыты относительно расхода веществ при мышечной работе, для чего Дюбуа-Реймон передал ему портативные весы.

В этом же году физики и химики, работавшие в лаборатории Магнуса, образовали физическое общество, куда приняли молодого Гельмгольца. В июле того же года Гельмгольц сделал составивший эпоху доклад в физическом обществе «О сохранении силы». Он пытался опубликовать эту гениальную работу в научном журнале, но ее не оценили, тогда он издал ее в 1847 году отдельной книгой. Итак, Гельмгольц математически обосновал провозглашенный еще в XVIII веке Ломоносовым закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер, и применил этот закон в физиологии. Он объединил этой работой физические, химические и биологические науки, которым принцип сохранения энергии дал прочную основу и положил основание всемирной известности Гельмгольца. Первым, кто еще в 1842 году правильно понял и сформулировал этот закон, был немецкий врач Юлий Роберт Майер из Гейльбронне.

1 июня 1847 года Гельмгольц был переведен в королевский полк Gardes-du-Corps, находившийся также в Потсдаме. Гельмгольц познакомился с семейством Фельтон, глава которого был военным врачом. Молодая Ольга фон Фельтон, с которой Гельмгольц часто играл на рояле, читал стихи и участвовал в спектаклях, произвела на него неизгладимое впечатление, и 11 марта 1847 года он был с ней обручен. 30 сентября 1848 года, прослужив 6 лет военным врачом, Гельмгольц был произведен в старшие врачи. Александр Гумбольт помог Гельмгольцу освободиться от оставшихся трех лет обязательной службы и содействовал его назначению на место Брюкке в Академию художеств и анатомо-зоологический музей. Академия и Мюллер были этим очень довольны. Но едва лишь Гельмгольц освоился в новых условиях, как уже в следующем году его ожидало новое назначение.

Профессора Брюкке перевели на кафедру физиологии в Кёнигсбергский университет, и ему потребовался заместитель. Это мог быть или опытный Дюбуа-Реймон, или Гельмгольц. Но так как Дюбуа-Реймона, пока он занимался научной работой, отец еще мог содержать, то выбор пал на его друга — Гельмгольца. По рекомендации Мюллера Гельмгольца приглашают в 1849 году профессором физиологии в университет Кёнигсберга. В Кёнигсберге в процессе своих исследований он сконструировал ряд оригинальных измерительных приборов. Большое распространение в разнообразных областях физиологического исследования и медицины получили сконструированные им глазное зеркало (офтальмоскоп), который дал возможность наблюдать глазное дно, и так называемый маятник Гельмгольца, позволяющий подвергать ткань быстро следующим друг за другом раздражениям с точной дозировкой времени. И в настоящее время офтальмоскоп играет огромную роль при диагностике не только глазных болезней, но и нервных заболеваний, таких как опухоли мозга, сухотка спинного мозга и т. д.

Кёнигсбергский период научной деятельности Гельмгольца был наиболее продуктивным. Там же он развил физиологическую теорию слуха, по которой в основе способности животных и человека различать один звуковой тон от другого лежит явление резонанса. Звук определенной высоты приводит в колебательное движение не всю основную звуковую мембрану, а только какую-нибудь одну группу ее волокон, резонирующих на данную звуковую частоту. На основе физических законов резонанса Гельмгольцем создано учение о слуховой функции кортиева органа, находящегося во внутреннем ухе человека.

Труды Гельмгольца в области физиологии посвящены изучению нервной и мышечной систем. Он обнаружил и измерил теплообразование в мышце термоэлектрическим методом (1845–1847) и, пользуясь им же разработанной графической методикой, детально изучил процесс мышечного сокращения (1850–1854) в опытах на лягушке; гальванометрическое измерение малых интервалов времени (по баллистическому принципу). Тогда Гельмгольц задался этой целью, его учитель, Мюллер, засомневался в возможности измерить скорость прохождения возбуждения по нерву, то почти неизмеримо малое количество времени, когда человек почувствовал боль от ожога. За этот ничтожный промежуток времени возбуждение должно проделать известный путь по нервным проводникам. Как же измерить скорость передвижения возбуждений по нервам? Да и возможно ли это? Будучи искуснейшим из экспериментов, Гельмгольц взялся за разрешение этой задачи, предложив гениальное по простоте решение.

Он подводил электрический ток к нерву лягушки у какой-либо ее мышцы. Ток возбуждал нерв, мышца отвечала на это раздражение сокращением. Затем он раздражал электрическим током тот же нерв не у самой мышцы, а на некотором расстоянии от нее. Мышца снова сокращалась, но несколько позднее, чем в первый раз. Эта разность во времени, разделенная на длину участка нерва между двумя точками, где прикладывалось электричество, показывала скорость, с которой раздражение прошло по нерву. У лягушки, на которой был проведен Гельмгольцем этот эксперимент, скорость распространения возбуждения по нервам оказалось равной 27 метрам в секунду. Как отличалась эта сравнительно небольшая скорость от той фантастической цифры, которую называли ученые! Предполагали, что скорость движения возбуждения по нервам равна скорости света — 300 тысяч километров в секунду!

В 1867–1870 годах совместно с русским ученым Н. Бакстом он измерил скорость распространения возбуждения в нервах у человека. Ряд исследований ученого относится к физиологии центральной нервной системы. Он впервые определил в 1854 году скрытый период рефлексов, сделал первую экспериментальную попытку определить ритмику импульсов, посылаемых мозгом к мышце (1864–1868), количественными методами определил скрытый период волевой мышечной реакции на раздражение органов чувств.

Учение Гельмгольца о «бессознательном выводе» как операции построения образа, в которой участвует мышечное движение, наполнило эту категорию новым содержанием. Роль мышечного движения в порождении сенсорных продуктов раскрыта в учении И.М. Сеченова, от которого тянутся нити к современным воззрениям на механизм переработки сенсорной информации.

Крупные работы, принесшие Гельмгольцу большую известность и обратившие на себя внимание Парижской академии наук, побудили прусское министерство народного просвещения утвердить Гельмгольца в 1851 году ординарным профессором, что значительно улучшило его материальное положение. В августе 1853 года Гельмгольц, оставив жену с двумя детьми у родных, предпринял первое путешествие в Англию, где познакомился с Фарадеем.

В области физиологии зрения он разработал способы определения кривизны оптических поверхностей глаза, в 1853 году дал теорию аккомодации. Показал, что зрительная оценка величины и удаленности предметов основана на своеобразных мышечных ощущениях, возникающих при движении мышц глаза. Идея Гельмгольца о роли мышечного чувства в формировании восприятий была глубоко разработана в психофизиологических трудах И.М. Сеченова.

При разработке вопросов физиологии зрения Гельмгольцу постоянно помогала его жена, которая была для него другом и помощником; она переписывала его рукописи, ей первой он читал свои лекции. В 1854 году тихая, счастливая, уединенная жизнь была омрачена смертью его горячо любимой матери. В то же время туберкулез жены начал угрожать ее здоровью. Гельмгольц стал предпринимать меры, чтобы переселиться в другой город, где климат был мягче, и такая возможность ему представилась, когда освободилась кафедра физиологии и анатомии в Бонне. В 1855 году он получил назначение на кафедру анатомии и физиологии в Боннский университет, где проработал до 1858 года.

На офтальмологическом конгрессе в Париже, где он в 1867 году прочитал доклад о чувстве рельефа, на торжественном обеде прозвучали слова: «Офтальмология была во мраке; — Бог сказал, что Гельмгольц родился, — и воссиял свет». В 1859–1866 годах Гельмгольц исследовал психологию и физиологию сенсорных процессов (зрительных, слуховых), цветоощущения. Он во всей полноте разработал учение о цветном зрении, исходя из предположения, что сетчатка имеет три основных цветоощущающих элемента. Развивая мысль о наличии в сетчатке глаза трех элементов, чувствительных к красному, зеленому и синему цвету, он разработал теорию возникновения цветовых зрительных ощущений. Красный, зеленый и фиолетовые цвета, по Гельмгольцу, являются первичными цветами, из оптического смешения которых возникает вся бесконечно богатая палитра красок, воспринимаемых человеческим глазом. Теория Гельмгольца выдержала испытание временем и в наши дни удовлетворительно объясняет физиологию цветных зрительных ощущений. Надо заметить, что работы по ощущению сложных цветов первым разрабатывал гениальный врач и физик Томас Юнг. Гельмгольц оставил человечеству свои замечательные исследования и по другим проблемам физиологии зрения.

В 1857 году баденское правительство предложило Гельмгольцу перейти на кафедру физиологии в знаменитый Гейдельбергский университет, где уже работали профессорами два его близких друга — Бунзен и Кирхгоф. Маленький Гейдельберг, один из городов герцогства Баденского. На холме — развалины старинного замка. Смотрят в воды Неккара кудрявые дубравы. Гейдельбергцы пышно именовали Дворцом природы скромное двухэтажное здание, в котором размещалась лаборатория Гельмгольца. В этой лаборатории Иван Михайлович Сеченов учился у Гельмгольца. Насколько велико было впечатление, произведенное на него учителем, можно судить по следующим его словам:

—Что я могу сказать об этом из ряда вон человеке? По ничтожности образования приблизиться к нему я не мог, так что видел его, так сказать, лишь издали, никогда не оставаясь притом спокойным в его присутствии… От его… фигуры с задумчивыми глазами веяло каким-то миром, словно не от мира сего. Как это ни странно, но говорю сущую правду: он производил на меня впечатление, подобное тому, какое я испытывал, глядя впервые на Сикстинскую мадонну в Дрездене, тем более что его глаза по выражению были в самом деле похожи на глаза этой мадонны. Вероятно, такое же впечатление он производил и при близком знакомстве… В Германии его считали национальным сокровищем и были очень недовольны описанием одного англичанина, что с виду Гельмгольц похож скорее на итальянца, чем на немца.

Первые годы после переезда в Гейдельберг были для Гельмгольца связаны с тяжелыми семейными переживаниями. 6 июня 1859 года умер его отец. Эта потеря была очень тяжела, т. к. с отцом в течение всей жизни у него сложились не только близкие родственные, но и дружеские отношения, чему свидетельствует переписка, где переплетаются чисто семейные и личные вопросы со сложными философскими проблемами о системе Фихте, Гегеля, Шеллинга. Благостный пейзаж Гейдельберга нарушило обострение тяжелой болезни жены. 28 декабря 1859 года Ольга Гельмгольц скончалась. В связи с тяжелым нервным состоянием и усталостью у Гельмгольца участились обморочные состояния, бывавшие и раньше. На его руках остались двое маленьких детей. Через год он сделал предложение Анне Моль, племяннице профессора персидского языка в Коллеж де Франс Парижа. Анна большую часть своей жизни провела в Париже и Лондоне, была высокообразованной девушкой. После возвращения Гельмгольца из Англии 16 мая 1861 года состоялась свадьба с Анной фон Моль. 22 ноября 1862 года Гельмгольц избирается проректором Гейдельбергского университета. В 1864 году Гельмгольц вторично побывал в Англии. В Лондоне он посетил Тиндаля и Фарадея, прочел лекцию в Королевском обществе, посвященную нормальным движениям человеческого глаза в связи с бинокулярным зрением.

Работы Гельмгольца увели его далеко за пределы физиологии, поэтому нет ничего удивительного в том, что когда в апреле 1870 года, после смерти Густава Магнуса, освободилась кафедра физики в Берлинском университете, то Дюбуа-Реймон, ректор Берлинского университета, получил от министра просвещения фон Мюллера поручение пригласить на кафедру Кирхгофа или Гельмгольца. В 1871 году от имени Берлинского университета Дюбуа-Реймон направил Гельмгольцу предложение возглавить первую кафедру физики в Германии. 13 февраля 1871 года, возвращаясь из путешествия по Швейцарии, Гельмгольц был приглашен в Версаль, где Вильгельм I подписал его назначение профессором физики. По этому поводу Дюбуа-Реймон заметил: «Произошло неслыханное дело: медик и профессор физиологии занял главную физическую кафедру Германии».

Вскоре Гельмгольца избирают профессором физики в Медико-хирургическую академию, ту академию, в которой он получил свое научное образование. Здесь, продолжая свои работы по физиологической акустике и оптике, он все более и более отходит от медицины, переходит к чисто физическим вопросам. Незадолго до этого Гельмгольц получил от Уильяма Томсона запрос, не желает ли он занять кафедру экспериментальной физики в Кембридже. Приглашение является особенно знаменательным, если учесть, что в Кембридже первым профессором физики был знаменитый Максвелл и позже наиболее крупный из современных физиков Э. Резерфорд.

Во время франко-прусской войны 1873 года Гельмгольц принимает участие в организации помощи раненым. И в этом же году на него обрушилась еще одна семейная трагедия, умерла его дочь Кэт. Гельмгольц тяжело пережил потерю родного человека. Но жизнь идет дальше. 15 октября 1877 года Гельмгольц избирается ректором Берлинского университета и тогда же публикует работу «О мышлении и медицине», представляющую глубочайший интерес до сего времени. В 1888 году его назначают президентом Физико-технологического государственного учреждения; эту должность он совмещал с профессурой по теоретической физике в университете до самой смерти. Здесь им были созданы труды по физике, биофизике, физиологии, психологии. Он разрабатывал термодинамическую теорию химических процессов, ввёл понятия свободной и связанной энергии. Заложил основы теорий вихревого движения жидкостей и аномальной дисперсии…

За год до своей смерти Гельмгольц отправляется на Всемирную выставку в Чикаго. Возвращаясь из путешествия по Америке, он поскользнулся, входя в каюту, и ранил голову, что имело, по-видимому, тяжелые последствия и могло послужить причиной последующего заболевания. Постепенно развился паралич движений, по-видимому, из-за продолжающего разрушать мозг кровоизлияния. Так началась болезнь и тяжелые явления, приведшие к летальному исходу. Утром 12 июля Гельмгольц вышел из дома, но идти самостоятельно уже не смог. К нему подбежал прохожий и помог привести его в комнату и уложить на диван.

Несмотря на то что Гельмгольц поддерживал теорию вечности жизни, выдвинутую Рихтером в 1865 году (теория космозоев), смерть не захотела с этим считаться. Неизбежный итог жизни всего сущего на земле — смерть — забрала гениального ученого в свои чертоги. Это трагическое событие, всколыхнувшее весь ученый мир, произошло 8 сентября 1894 года в 1 час 11 минут после полудня на 72 году жизни. Перед Берлинским университетом, где протекали последние годы жизни великого естествоиспытателя, был поставлен мраморный памятник.