Он нашел ключ: с небольшой погрешностью можно было утверждать, что пройденное расстояние увеличивалось пропорционально квадрату времени. Если плоскость удлинить, то можно с уверенностью рассчитать, что для следующего тика коэффициент будет равен 81 (9*), а потом последуют 100, 121, 144, 169 и т. д.
В этих расчетах расстояние суммируется: за четыре тика шарик пройдет расстояние в 16 раз больше, чем он прошел к концу первого тика. Но какое расстояние проходит шарик за каждый отдельный отрезок времени и насколько расстояние между третьим и четвертым тиком будет больше расстояния, пройденного между вторым и третьим тиком? Ответ можно найти, используя арифметические методы.
Свойство квадратов таково, что они равняются сумме предшествующих им нечетных чисел: 4 = 1 +3; 9 = 1 + 3 +5; 16 = 1 + 3 + 5 +7. Из закона квадрата времени следует, что расстояние между тиками должно увеличиваться как прогрессия нечетных чисел. Данные Галилео показывают, как это происходит.
От тика к тику шарик преодолевает сначала три первых расстояния, потом пять первых расстояний, потом — девять. По сути, Галилей мог взять прогрессию нечетных чисел и получить отношение, равное квадрату времени. Но как бы он к этому выводу ни пришел, результатом его исследований стало открытие нового фундаментального закона. Чем круче наклонная, тем быстрее будет двигаться шарик, придерживаясь тем не менее одного и того же закона, который, вероятно, должен соблюдаться даже тоща, когда наклон достигнет 90°, т. е. шарик начнет падать вниз по прямой.
При другом крайнем случае, когда угол наклона равен нулю, ускорения движения не произойдет. Как только шарик, скатывающийся по наклонной' плоскости, достигнет плоскости стола, он будет двигаться равномерно сколь угодно долго, если плоскость будет бесконечной, а трение отсутствовать. Но что произойдет, когда шарик достигнет края стола и начнет падать? Галилей дает ответ на этот вопрос в книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки»: не ускоряющееся горизонтальное движение и ускоряющееся вниз вертикальное движение объединяются и дают траекторию, имеющую форму параболы.
Пока непонятно, как Галилею удалось так точно измерить отрезки времени продолжительностью менее 1 секунды. Используя горшок для цветов и водяные часы, студент-выпускник Корнельского университета Томас Б. Сеттл пускал бильярдные шары по наклонной сосновой доске и сумел доказать справедливость закона квадрата времени. Однако он, как и Дрейк, сомневался в том, что при полном неведении можно было обнаружить эту зависимость с помощью такого примитивного инструментария. Дрейк посчитал, что метод Галилея был более совершенным и удивительным.
Он понял, что Галилею было не обязательно считать время так, как это делается сегодня, т. е. в секундах, полусекундах или в любых других удобных для него единицах. Нужно было лишь разделить время на равные отрезки, а это — талант, присущий любому хорошему музыканту.
«Дирижер оркестра взмахами дирижерской палочки отмеряет время с достаточно высокой точностью в течение продолжительного периода, не думая при этом ни о секундах, ни о других стандартных единицах, — писал Дрейк. — Он задает определенную периодичность, подчиняясь внутреннему ритму, причем может делить интервалы надвое не один раз с точностью, завидной для любого механического инструмента». Так же поступают и музыканты, и даже слушатели. «Если ударник позволит себе вступить в оркестре с опозданием всего на некоторую долю секунду, скажем, на 1/64 музыкального размера, то это заметят многие, и не только дирижер».
«Поэтому, — рассуждал Дрейк, — Галилей так и поступал: прежде чем пустить шарик по наклонной плоскости, он мог задавать ритм, исполняя простую мелодию*. Дрейк использовал в эксперименте гимн «Вперед, Христово воинство!» с темпом примерно два удара в секунду. Отпустив шарик на самом верху наклонной плоскости, он мелом отмечал положение шарика при каждом ударе.
Дрейку, как, наверное, и Галилею, в первый раз не удалось отмерить расстояния, но впоследствии он делал это с точностью примерно до полусекунды, отмечая, что расстояние, пройденное за одинаковые отрезки времени, увеличивается и что шарик катится вниз, ускоряясь, по определенному закону.
Теперь нужно было на каждой сделанной мелом отметке прикрепить кусок струны, наподобие передвижных ладов на лютне, на которой Галилей любил поиграть в свободное время. Дрейк для этой цели использовал резиновую ленту. Раз за разом скатывая шарик, Дрейк прислушивался к тому, когда тот ударяет по струнам, и менял положение струн таким образом, чтобы ритм ударов был одинаков, как у метронома, и в такт напеваемому маршу. Когда у него все получилось, положения струн точно показывали, какое расстояние удалось преодолеть шарику за каждый отрезок времени. Теперь осталось только измерить пройденное расстояние обычной линейкой.
Дрейк считал, что после того, как Галилею удалось установить закон, другим он показывал уже не сам эксперимент, а его упрощенный вариант, заранее разметив путь шарика на отрезки 1, 4, 9,16, 25, 49, 64 и используя водяные часы для обеспечения хронометража. Но это была уже демонстрация, а не эксперимент.
Почему Галилей не написал о своем первоначальном методе? Дрейк позволил себе предположить, что Галилео просто боялся показаться смешным: «Даже в те дни нельзя было заявить, не прослыв глупцом, что ты открыл закон, напевая песенку в то время, когда шарик катился по наклонной плоскости, причем справедливость закона удалось подтвердить довольно точно». Сегодня, спустя более трехсот лет со дня смерти Галилея, посетители Музея истории науки во Флоренции могут увидеть высохший палец, который поднимал шарик каждый раз, когда тот достигал конца наклонной плоскости и возвращал его в исходное положение для следующего спуска. Этот палец, зуб, пятый поясничный позвонок и еще два пальца сохранил один из поклонников Галилея, когда тело великого итальянца эксгумировали — через сто лет после захоронения, — дабы перенести на более почетное место. Хранящийся потомками как мощи святого в раке, этот длинный тонкий палец указывает вверх — так, словно приманивает к себе небо…
То, что осталось сказать о количестве и источнике крови, которая течет таким образом, относится к вещам столь новым и неслыханным, что я не только боюсь нанести себе вред, вызвав ненависть отдельных лиц, но и содрогаюсь оттого, что все человечество может превратиться в моего врага — настолько привычка и обычай стали нашей второй натурой. Однажды посеянная доктрина пустила глубокие корни и завоевала уважение в обществе, ибо старые воззрения всегда оказывают сильное влияние на людей. Но жребий брошен, и мне остается только верить в свою любовь к истине и беспристрастность просвещенных умов.
Зародыш курицы, лежащий в контейнере с теплой водой, кажется крохотным облачком. Скорлупа аккуратно снята, и видно, как внутри бьется миниатюрное сердце — красная точечка с каждым сокращением то исчезает, то появляется вновь. Когда-то, в 1628 году, лондонский врач по имени Уильям Гарвей описал эту картину так: «Между видимым и невидимым, между бытием и небытием, если так можно выразиться, оно своим биением объявляет о начале жизни».
Возможно, никто и никогда до Гарвея не исследовал столько всевозможных сердец — сердца собак, свиней, лягушек, жаб, змей, рыб, улиток и крабов. У некоторых креветок, обитающих в океане и в водах реки Темзы, тело абсолютно прозрачно, и Гарвей со своими друзьями наблюдал за работой сердца — «словно через оконное стекло». Иногда он вынимал сердце и наблюдал, как замедляются его сокращения до тех пор, пока рука не почувствует последний удар.
От наблюдения к наблюдению Гарвей убеждался, что великий Гален, знаменитый врач гладиаторов и римских императоров, был не прав. Во II веке Гален писал, что в организме два вида крови, для каждой из которых есть своя сосудистая система. Вегетативная жидкость, которая является эликсиром питания и роста, производится в печени и курсирует по телу с помощью сетки синеватых вен. В то же время ярко-красная жизненная жидкость циркулирует по другой системе, в которую входит сердце и артерии; она приводит в движение мышцы и побуждает движение. (В мозге часть этой жизненной жидкости преобразуется в эфир, который течет по нервам.) Все жидкости насыщены невидимой пневмой — духами, которые с каждым вздохом поступают в организм через легкие, а потом достигают сердца через толстую трубку, называемую легочной веной. Спустя тысячу четыреста лет именно этому продолжали учить на медицинских факультетах в университетах Европы будущих врачей.
Гарвей начал постигать науки, вероятно, в Кембридже, когда в 1593 году поступил в колледж Гонвилля и Кая в возрасте шестнадцати лет. Доктор Джон Кай, в честь которого колледж получил свое название, был ярым сторонником Галена, а потому договорился, чтобы в анатомический театр колледжа ежегодно доставляли для иссечения и изучения анатомии тела двух казненных преступников. Помимо изучения риторики, классических наук и философии Гарвей знакомился с азами анатомии. Не исключено, что этот предмет его заинтересовал особо. Из Кембриджа он отправился в Падуанский университет, который считался тогда самой престижной медицинской школой в Европе.
Под защитой Венецианской республики университет мог чувствовать себя в определенной степени независимым от папских догм. Ко времени прибытия Гарвея там преподавал Галилей и знаменитый Иероним Фабриций — выдающийся европейский анатом. Каждый год, в октябре, в День святого Луки (поскольку трупы в холодную погоду сохраняются дольше) лекции по медицине начинались с торжественной мессы, после которой студенты рассаживались по ярусам анатомического театра, чтобы наблюдать за тем, как Фабриций и его ассистенты со скальпелями в руках начинали большое путешествие по внутренним органам человека.
Получив в 1602 году докторскую степень, Гарвей возвратился в Лондон, где женился на дочери Ланселота Брауна, королевского врача. Получив должность в больнице Святого Варфоломея, старейшей в городе, он начал врачевать. Среди его пациентов были Фрэнсис Бэкон, король Яков I и его преемник Карл I.
Хотя Гарвей выглядел тщедушным, его горящие темные глаза и волосы цвета вороного крыла производили на людей сильное впечатление. Английский литератор Джон Обри описывал его как вдумчивую, но холерическую натуру («Глядя на него, нельзя было не сказать, что человек — всего лишь проказливый павиан») и подмечал, что тот никогда не расставался с кинжалом. Такова была мода, признавался Обри, но «этот доктор не стеснялся обнажать кинжал при каждом удобном случае».
Ум Гарвея был столь же остр, как и его скальпель. И при своих обходах в больнице, и при чтении лекций над трупом во Врачебном колледже, он не упускал ни одной особенности человеческой анатомии. Если внутренний орган не совпадал с тем, что предписывал канон Галена, Гарвей дипломатично замечал, что, вероятно, со времен Галена человеческое тело успело измениться. В узком кругу он бывал гораздо более откровенным.
Начав свои исследования с простейших существ, он пришел в изумление: сердца у них бьются так быстро, что эти движения практически неразличимы! Он знал, что существует два сердечных движения: систола, когда сердце сжимается, и диастола, когда оно расширяется. Но когда Гарвей стал наблюдать процесс in vivo, он понял, что на глаз эти два движения различить невозможно.
Ибо я не мог правильно поначалу определить, когда происходит систола, а когда — диастола; так же не мог я понять, когда и где происходит расширение и сжатие, по причине большой частоты движения, которое у многих животных происходит в мгновение ока, со скоростью блеснувшей молнии; поэтому я воспринимаю как систолу то одно движение, то другое, при этом с диастолой происходит то же самое. Вдруг все меняется местами, и создается впечатление, что движения переходят одно в другое и становятся неразличимы. Поэтому мой разум пребывает в большом смятении, ибо я сам не могу прийти ни к какому выводу и не знаю, можно ли верить другим. Вот и Андрей Лаврентиус признавался в том, что для него движения сердца настолько необъяснимы, насколько необъяснимы были для Аристотеля приливы и отливы Еврипа.
Лаврентиус — врач, живший в эпоху Ренессанса, а Еврил — пролив между Грецией и островом Евбеей, где приливы и отливы происходили семь раз в день. Существует предание, повествующее о том, что, отчаявшись объяснить сие явление, Аристотель утопился в этом самом проливе.
Гарвей же, чтобы понять приливы и отливы сердца, решил, что нужно наблюдать их при меньших скоростях — так, как поступил Галилей с ускоряющимся шариком. Сердца холоднокровных животных — амфибий, рыб, рептилий — позволяют себе работать менее интенсивно. Однако эти довольно простые сердца, возможно, работают по тем же принципам, что и сердца млекопитающих и человека. Постепенно, от одного эксперимента к другому, Гарвей усложнял свои опыты.
Он довольно быстро обнаружил, что даже в теплокровных животных метаболизм заметно замедляется в последние мгновения перед смертью, когда организм ослаблен, и сердце несчастного существа начинает биться все реже и реже, пока наконец животное не испустит дух, или пневму, или то, что еще за мгновение до этого поддерживало в нем жизнь.
Сильно отличаясь по своим задачам и функциям, две системы циркуляции» по Галену, сходятся в сердце, в миллиметре друг от друга. «Голубая кровь», переносимая верхней и нижней полыми венами, постоянно вырабатывается в печени и прокачивается через правые желудочки сердца. В левой части, отделяемой толстой стенкой, которая называется септум («перегородка»), течет красная артериальная кровь. Сосуды также ведут в легкие, которые служат для охлаждения крови и переноса пневмы, т. е. воздуха, в сердце. Именно здесь пневма оживляет венозную кровь, незначительная часть которой с помощью невидимых пор проникает через септум в артериальные протоки.
Часть этой схемы уже подвергалась сомнению. Фламандский врач Андрей Везалий в труде «О строении человеческого тела» (De corpore humatti fabrica), впервые опубликованном в 1543 году (в том самом году, когда была обнародована гелиоцентрическая теория Коперника), отрицал возможность проникновения крови через сердечную перегородку. Как он ее ни разглядывал, никаких, даже самых маленьких, пор найти не смог. Он оказался прав в одном, но допустил ошибку в другом. Сегодня мы знаем, что ткани тела имеют множество микроскопических отверстий. Точку в этом вопросе поставил Гарвей: он вскрыл сердце быка и, налив воду в правую часть, обнаружил, что в левую часть ничего не пролилось.
Сторонники Галена также учили, что два типа крови — венозная и артериальная — движутся по типу приливов, вперед и назад, внутри своих систем. Сосуды, оживляемые жизненным духом, одновременно расширяются, всасывая кровь. При их сокращении кровь выбрасывается в обратную сторону. Таким образом, сердце, сжимаясь и расширяясь, работает, как мехи, и заставляет кровь двигаться.
Однако это противоречило тому, что наблюдал Гарвей. Когда сердце сжимается во время систолического этапа цикла, оно, как рука, сжимающаяся в кулак, становится бледнее, словно кровь выдавливается из него. При расширении во время диастолы оно снова становится красным, словно кровь вновь приливает к нему. Более того, когда Гарвей прикасался пальцем к артерии, он чувствовал, как она расширяется в тот момент, когда сердце сжималось. Похоже, что сердце приводило в движение всю систему. У Галена все выглядело наоборот. На самом деле кровь приводилась в движение сжатием, а не расширением сердечной мышцы. Если перерезать артерию живого млекопитающего, то кровь начнет обильно выливаться, «словно выталкиваемая из шприца».
Если сердце представляет собой насос, рассуждал Гарвей, то можно понять принцип его работы.
Анатомы уже знали, что сердце разделено на четыре камеры. Сверху были левое и правое ушки предсердия, ниже находились левый и правый желудочки. Однажды во время вскрытия Гарвей нажал пальцем на левый желудочек. Он расширился и наполнился кровью, а ушко над ним сократилось. Мгновение спустя желудочек самопроизвольно сократился, вытолкнув кровь из камеры в артерии. То же самое произошло и с правой частью сердца. И тут Гален ошибался, поскольку кровь прокачивалась не справа налево, а сверху вниз: «Эти два движения — одно желудочка, а другое — ушка — происходят последовательно, — писал Гарвей, — но таким образом, что между ними сохраняется определенная гармония, или ритм, причем в каждый момент времени обнаруживается только одно движение».
Он сравнивал движение сердца с движением станка: «Одно колесо передает движение другому колесу, но при этом кажется, что все колеса вращаются одновременно». Он знал, что некоторые из его читателей будут оскорблены таким механистическим описанием, чего ему меньше всего хотелось. «Придает ли сердце ускорение крови, локально сообщая ему движение и распределяя ее по телу, или добавляет ей что-то еще, например, тепло, дух, совершенство, — это вопрос будущего, который должен решаться на другой почве». Он подозревал, что в теле происходят не только физические процессы и что сердце является «солнцем микрокосмоса», а кровь — духовной субстанцией, «инструментом небес». Однако все это отнюдь не означало, что движение сердца нельзя изучать.
Приводимые здесь цитаты взяты из прекрасной работы «О движении сердца и крови у животных». Небольшая книжечка, опубликованная в 1628 году после двух десятилетий исследований, несмотря на некоторые повторы, до сих пор представляет собой достойное чтение. С упорством прокурора, выступающего на суде, Гарвей раз за разом представлял свои неопровержимые доказательства. Этого доктора легко представить в зале суда обращающимся к присяжным.
Сначала он предлагает аудитории рассмотреть артериальную систему. Из его экспериментов следует, что левая часть сердца предназначена для прокачивания крови по артериям, которые доставляют ее к конечностям. Кроме того, ясно, что, в отличие от приливов, движение крови происходит только в одном направлении: между левым желудочком и аортой существуют клапаны, которые не дают крови двигаться в противоположном направлении.
Рассмотрим венозную систему. Давно было известно, что вены в руках и ногах снабжены своими собственными клапанами. Эти ostiola («дверцы») обнаружил еще падуанский учитель Гарвея, выдающийся анатом Фабриций, но он считал, что они служат для замедления движения крови, предотвращающего «захлебывание». Гарвей вводил длинный зонд в сосуд и пытался протолкнуть его в направлении от сердца, однако что-то сопротивлялось этому движение. Зато в противоположном направлении зонд двигался беспрепятственно. Оказалось, что вены — это улицы с односторонним движением. Артериальная кровь двигалась от сердца к органам, тогда как венозная кровь — от органов к сердцу.
Наконец рассмотрим, как венозная кровь может попадать из принимающей ее правой части сердца в левую. Гарвей уже установил, что через перегородку тока крови нет. Остается только один возможный путь — легочная артерия, соединяющая правый желудочек с легкими. По этому сосуду не воздух опускается вниз, а кровь поднимается вверх. Рассеянная определенным образом по губкообразным легочным тканям жидкость выходит через легочную вену, которая ведет к левому сердечному ушку. Теперь напрашивается только один вывод: правая сторона сердца прокачивает кровь через легкие, а левая часть — через тело.
Нужно сказать, что и до Гарвея эта мысль посещала светлые головы. Веком раньше испанский теолог и врач Мигель Сервет рассуждал о легочной циркуляции в религиозном трактате: «Как по воле Господа от воздуха краснеет кровь, так же Христос побуждает Дух сиять». (Его анатомические аргументы являлись частью нападок на Троицу, из-за чего, в конце концов, протестанты сожгли его на костре.) Продолжая эту тему, Реальд Коломбо, ассистент Везалия, отмечал, что возвращающаяся из легких жидкость была ярко-красной, из чего он делал вывод, что «оживление» жидкости происходит в легких, а не в сердце. Но на главный вопрос пришлось отвечать все-таки Гарвею: если правая часть сердца прокачивает кровь через легкие, которая затем поступает в левую часть, и если левая часть направляет кровь в артерии, то что тогда происходит с артериальной кровью, когда она достигает своего назначения, и откуда постоянно прибывает венозная кровь?
У сторонников Галена был ответ: оба типа крови постоянно создаются в результате поглощения пищи и расходуются на рост и движения тела. Гарвей решил произвести расчеты. В процессе анатомических исследований он обнаружил, что левый желудочек может вмещать не менее 50 граммов крови, лишь часть которой — скажем, 15 граммов, — прокачивается за каждый удар сердца. Поэтому за одну тысячу сердечных ударов (для среднего человека это составляет около 15 минут) сердце должно прокачать 15 литров или в несколько раз больше, чем общее количество крови в организме. Если брать вес крови, то сердце должно перекачивать более тонны крови за сутки. А для этого нужно много есть и много двигаться.
Поэтому родилась совершенно новая гипотеза: когда кровь, прокачиваемая левой частью сердца, достигает самого конца артерий, она подхватывается венами и возвращается в сердце. Другими словами, кровь в организме циркулирует.
В подтверждение своих слов он привел прекрасный пример.
Если вскрыть живую змею, то можно будет увидеть, как ее сердце медленно и четко пульсирует более часа, двигаясь, как червь, — т. е. сокращаясь в продольном направлении (поскольку у него вытянутая форма) и придавая движение содержимому. Во время систолы оно бледнеет, а во время диастолы становится темно-красным.
Используя зажим или большой и указательный пальцы, пережмем главную вену, или vena cava, перед самым сердцем. Объем после преграды быстро лишается крови, а сердце бледнеет и уменьшается в размерах, его ритм замедляется настолько, что кажется «будто оно вот-вот умрет». Разожмите вену, и сердце снова наполнится кровью и вернется к жизни.
Затем пережмите или перевяжите главную артерию там, где она выходит из сердца. Выше препятствия пространство начнет «необычно разбухать и приобретать темно-красный или даже багровый оттенок. В конце концов, оно настолько переполнится кровью, что появится впечатление, что оно скоро задохнется». И в этом случае при снятии преграды сердце восстанавливает нормальную работу.
Дело закрыто, как это и должно было случиться.
Теперь другие, вооруженные микроскопом, должны показать, что крохотные капилляры в человеческом теле соединяют артерии и вены между собой, и определить роль осмотического процесса, который позволяет крови преодолеть этот водораздел. По крайней мере, Гарвей предоставил всем сомневающимся возможность самим убедиться в правоте своей теории. Плотно перевяжите верхнюю часть руки. Выше повязки, в той части руки, которая направлена к сердцу, артерия надуется. Ниже, по направлению к кисти, разбухания не происходит. В то же время кровь в венах ниже повязки, столкнувшись с препятствием, приведет к напряжению вен, а вены выше повязки станут мягкими. Слегка ослабьте повязку, чтобы она блокировала только вены, но не артерии, и вы тут же почувствуете прилив крови в нижней части руки.
Тем не менее ему почти никто не верил. Даже многие годы спустя ему всё так же приходилось отстаивать свою теорию от нападок «клеветников, фигляров и писак». По его собственному признанию, они травили его, как злые собаки, и утешало лишь то, что «они не кусались, не могли заразить своими насмешками и не по их собачьим зубам были кости и мясо истины».
В 1642 году, когда в Англии разразилась гражданская война, Гарвей из-за всех его связей с королевским домом оказался среди проигравших. Дом его был разграблен, а значительная часть научных трудов — уничтожена. В отличие от своего короля он пережил эту смуту и умер через пятнадцать лет вполне состоятельным человеком. Как впоследствии вспоминал его друг Обри, он часто повторял: «Ни одно несчастье в жизни не сравнится с потерей моих бумаг, которые мне не вернуть ни за какие деньги».