Книга Эверетта Мендельсона ‘Теплота и жизнь. Развитие теории животной теплоты‘ посвящена истории идей о источниках внутренней теплоты живых организмов и роли дыхания в этом процессе, начиная с древних греков до начала 19-ого века. Это поднимает много интересных вопросов на примере дыхания, сгорания и связи этих процессов с теплотой, в том числе это позволяет охарактеризовать изменение отношения к теории и исследованию в ходе научной революции 17-ого века.
В данном случае физика, химия и биология тесны связаны между собой и таким образом история этого вопроса позволяет лучше осмыслить эти связи. Общая канва рассмотрения связана с сопоставлением дыхания (свойство живого) и сгорания (свойство неживого). По ходу времени это сравнение превратилось из метафоры и аналогии в буквальное прочтение у Лавуазье.
- Теория врожденной теплоты
- 17-ый век
- Механические теории животной теплоты
- Химическая теория животной теплоты
- Обсуждение: Физика, химия и физиология
Теория врожденной теплоты
История начинается с теории врожденной теплоты (innate heat), которая сформировалась в древней Греции и была в ходу до начала 17-ого века, то есть в течении двух тысячелетий. В книге представлены взгляды Эмпедокла, Платона, Аристотеля, Галена, Авиценны и др. Я кратко охарактеризую только взгляды Аристотеля. Существует перевод Аристотеля ‘О дыхании‘, сделанный С. В. Месяц и я буду использовать выражение ‘естественная теплота’ (естественное пламя) из этого перевода.
Книга Мендельсона помогла мне понять, почему в утрированной форме Аристотель считал мозг лишь средством для охлаждения (см. статью Гросса). Аристотель исходил из того, что живое имеет свой источник теплоты на основе простого наблюдения — вдыхается холодный воздух, а выдыхается теплый. При этом он считал естественную теплоту источником жизни, а прекращение ее работы причиной смерти. Таким образом естественная теплота в живом отделялась от неживого: связь между животной теплотой и горением шла только на уровне метафоры.
Источником естественной теплоты объявлялось сердце, таким образом сердце становилось главным органом тела. Поэтому Аристотель связывал душу с сердцем, а мозгу отводил вспомогательная роль. Приведу краткое описание идеи Аристотеля из введения Месяц к переводу ‘О дыхании‘:
‘Чтобы горящий в сердце огонь не угас, необходимы два условия: непрерывная подпитка его поступающей извне пищей и охлаждение.’
‘Рождение он определяет как первое приобщение теплого подлежащего к питающей душе; жизнь – как сохранение и продолжение этого приобщения; юность – как период формирования и роста «первой отвечающей за охлаждение части тела», под которой подразумевает легкие у сухопутных животных и жабры у рыб. Старость у него оказывается периодом разрушения и деградации этой части тела; зрелость – серединой между тем и другим; а смерть – угасанием или истощением тепла, вызванным либо внешними, либо внутренними причинами.’
17-ый век
Критику представлений о естественной животной теплоте можно найти еще в древней Греции, но содержательная критика и поиск новых теорий возникли только в ходе научной революции 17-ого века. В книге Мендельсона в этой связи описаны взгляды следующих ученых.
Уильям Гарвей. Теория кровообращения. Вначале полностью поддерживал теорию Галена и даже хотел объяснить кровообращение в духе испарения и конденсации. Однако по ходу исследований перестал считать, что источник естественной теплоты связан с сердцем; в его взглядах животная теплота стала свойством крови.
Ян ван Гельмонт. Опора на ‘химические’ процессы в организме, хотя в виду имелась ятрохимия — современной химии еще не существовало. Теплота является следствием процессов работы организма, а не причиной этих процессов. Прекращение выделения естественной теплоты является следствием смерти организма, а не ее причиной. Также в книге описаны взгляды последователей ван Гельмонта: Франциск Сильвий (Franciscus Sylvius), Nathaniel Henshaw, Томас Уиллис (Thomas Willis).
Роберт Бойль, Роберт Гук и Джон Мейоу (John Mayow). Опыты, показывающие, что для горения и дыхания требуется свежий воздух и что только часть воздуха может быть использована для горения и дыхания. Таким образом показана связь между горением и дыханием. Интересно отметить, что в экспериментах, когда свечку и животное помещали в закрытый объем, свечка достаточно быстро погасала, а животное после этого продолжало жить еще некоторое время.
Механические теории животной теплоты
В начале 18-ого века несмотря на результаты опытов Бойля, Гука и Мейоу животная теплота стала объясняться путем внутреннего трения при кровообращении — ятрофизики победили ятрохимиков. Рене Декарт поддержал теорию кровообращения Гарвея, но его объяснение движения крови было близко к первому варианта объяснения Гарвея. Сердце содержит естественное тепло и тем самым поступающая кровь начинает двигаться. Тело у Декарта становится машиной, но в ней оставался необъяснимый в рамках механической философии источник теплоты в сердце.
Последователи Декарта решили избавиться от непонятного источника теплоты, но они также не хотели связываться с химией. Поэтому естественную теплоту стали объяснять внутренним трением. В книге приводятся взгляды целого ряда сторонников такого подхода:
- Арчибальд Питкэрн (Archibald Pitcairne)
- Герман Бургаве (Herman Boerhaave)
- Стивен Гейлс (Stephen Hales)
- Джон Арбетнот (John Arbuthnot)
- George Martine
- Robert Douglas
Кстати, это показывает, что значение слова ‘механизм’ в те времена существенно отличалось от того, что подразумевается в настоящее время, когда говорят, что организм — это механизм.
См. также заметку ‘Механистическая медицина и безумие машин‘ в разделе Дополнительная информация.
Химическая теория животной теплоты
В конце 17-ого — начале 18-ого века появилась теория флогистона для процессов горения. Это было предвестником появления современной химии, поскольку теория позволила систематизировать процессы горения. Тем не менее, теория флогистона в самом начале не была перенесена на дыхание — в отношении животной теплоты в ход вошла механическая теория.
Отождествление флогистона с дыханием произошло в середине 18-ого века в круге студентов Джозефа Блэка. Важно отметить, что Блэк ввел в ход теплоемкость и скрытые теплоты — тем самым теплота была окончательно отделена от температуры. Появление калориметров позволило сопоставить выделяющуюся теплоту при дыхании с теплотой сгорания угля и тем самым показать связь между дыханием и горением.
Такие эксперименты были проведены Адером Крофордом (Adair Crawford) и Антуаном Лавуазье. Крофорд использовал теорию флогистона, а Лавуазье к этому времени уже предложил заменить теорию флогистона на кислородную теорию горения. Кратко об экспериментах Лавуазье и Лапласа в 1782-1783 гг., для проведения которых они использовали новый ледяной калориметр. Исследование состояло из трех частей:
- Определение теплоты сгорания угля в ледяном калориметре.
- В закрытом объеме было измерено количество выделяемого углекислого газа морской свинкой за 10 часов.
- В ледяном калориметре было измерено количество теплоты, выделенной живой морской свинкой за 10 часов.
Далее теплота сгорания угля в пересчете на объем выделившегося углекислого газа во второй части была сопоставлена с теплотой, измеренной в третьей части эксперименты — величины были близки друг к другу. В дальнейшем Лавуазье сделал решительный вывод:
‘Дыхание есть не что иное, как замедленное горение углеродистых и водородистых начал животных, вполне подобное тому горению, которое совершается в зажженной лампе или свече, и в этом отношении дышащие животные настоящие горючие тела, которые зажжены и сгорают.’
В книге приведено последующее обсуждение среди ученых; они недоумевали где же и каким образом происходит замедленное горение в организме. Напомню, что это все происходило на самом начальном этапе развития современной химии.
P.S. Приведу цитату из статьи Андервуда, которую я не смог до конца понять. Речь идет о публикации результатов исследования Лавуазье и Лапласа:
‘Зимой 1782-1783 годов была проведена очень важная работа, и «Меморандум о теплоте» [67] был опубликованы в 1784 году, но в томе «Mémoires» за 1780 год.
67 LAVOISIER and de LAPLACE. Mémoire sur la chaleur, Mém. Acad. R. Sci., 1780, p. 355′
У французов что-то было не в порядке со временем.
Обсуждение: Физика, химия и физиология
Ниже идет мое рассмотрение, хотя оно в целом перекрывается с обсуждением в книге Мендельсона. Основное отличие заключается в использовании термина исследовательская программа.
От древних греков и в частности от Аристотеля мы унаследовали стремление к всеобъемлющим объяснениям на основе неполных данных; это было и остается полезным в ходе научного исследования. В то же время следует отметить созерцательный характер теории естественного тепла Аристотеля и ее оторванность от практики и деятельности; в ней не предполагалось проведение дальнейших исследований.
В ходе научной революции 17-ого века происходит постепенный уход от созерцательности и переход к собственно исследованиям. В первую очередь это было связано с развитием механики. Пример теорий животной теплоты показывает, что для развития химии и физиологии до становления разумной исследовательской программы потребовалось значительное время. Это, впрочем, должно быть понятно в силу сложности происходящих явлений и невозможности непосредственного переноса идей механики в эти области.
Опыты Бойля, Гука и Мейоу являются хорошим примером начала исследований. Правда, они выходили за рамки имеющихся представлений в химии того времени и поэтому не привели к созданию исследовательской программа. У ятрохимиков и ятрофизиков были элементы исследований, но в силу сложности протекающих в организме процессов простые объяснения приводили к теориям, которые по-прежнему носили созерцательный характер. Построить исследовательскую программу на их основе было нельзя.
Теория флогистона способствовала развитию исследований процессов горения и это развитие позволило в дальнейшем вернуться к связи дыхания и горения. Лавуазье предложил альтернативную кислородную теорию горения, а также исследовательскую программу, которая способствовала становлению современной химии. Было введено представление о химических элементах, одним из которых являлся кислород, и о чистых химических веществах. Задачей химии становился поиск химических элементов, а также выделение, анализ и синтез чистых веществ.
Следует особо отметить роль измерений и создания новых измерительных приборов. Это было важным шагом для перехода от созерцательных построений к созданию исследовательских программ. В случае животной теплоты важным оказалось становление термометрии, что также помогло отделению теплоты от температуры; появились приборы, калориметры, для измерения количества теплоты. До этого температура и теплота путались между собой, что мешало пониманию процессов горения и дыхания.
Калориметрические эксперименты Крофордом и Лавуазье оказались началом новой и успешной исследовательской программы физиологии дыхания. Для ее развития потребовалось формирование теории физики вне механики (температура, теплота и в дальнейшем создание термодинамики) и химии (кислородная теория горения, химические элементы и чистые вещества). Физиология дыхания оказалась среди первых рассмотрений физиологии организма с точки зрения новых теорий химии и физики. Это в свою очередь оказалось успешным шагом, который оказал плодотворное влияние на последующее развитие физиологии.
На этом пути возникает много открытых вопросов при построении всеобъемлющих объяснений как устроен мир. Существуют разные исследовательские программы, которые несколько пересекаются между собой. В результате возникает желание сложить результаты разных исследований в так называемую единую научную картину мира. Основные проблемы на этом пути связаны с вопросами о связи между разными уровнями организации, которые однако выходят за рамки собственно исследовательских программ. Поэтому рассмотрение этих вопросов в конечном итоге остается на созерцательном уровне.
По-моему, важно отделить эти общие вопросы, которые принадлежат философии, от собственно научных исследований в рамках той или иной исследовательской программы. Существует серая граница, когда в рамках исследовательской программы следует сказать ‘не знаю’, а после этого при желании перейти к рассмотрению философских вопросов.
Информация
Everett Mendelshon. Heat and Life. The Development of the Theory of Animal Heat. 1964.
Аристотель:
C. G. Gross, Aristotle on the brain. The Neuroscientist, 1995, 1: 245-250.
С. В. Месяц, Трактат «О дыхании» и его место среди малых естественно-научных произведений (Parva Naturalia) Аристотеля. История философии 25, no. 1 (2020): 95-109.
Аристотель. О дыхании (главы 8‒21). Перевод С. В. Месяц, История философии 25, no. 2 (2020): 106-120.
Более подробное описание эксперимента Лавуазье:
E. Ashworth Underwood, Lavoisier and the history of respiration. Proceedings of the Royal Society of Medicine, 1944, 37, 247-262.
Дополнительная информация
Механистическая медицина и безумие машин: Информация из статьи ‘Меланхолия и механистическое объяснение в медицине XVIII века‘. Взгляды Арчибальда Питкэрна, Фридриха Гофмана и Германа Бургаве. Критика механистических объяснений.
История и философия медицины. Научные революции в медицине XVII– XXI вв.: Главные результаты из книги.
Теплота и калориметрия: История отделения понятия теплоты от понятия температуры. Правило Рихмана, скрытая теплота Блэка, теплоемкости тел. Калориметрия — Лавуазье и Лаплас, термохимия и закон Гесса.