لوییجی گالوانی، پیشگام الکتروفیزیولوژی و تلاش برای کشف چگونگی حرکت پاهای قورباغه

در سال ۱۷۹۰، در آزمایشگاه دانشگاه بولونای ایتالیا کشف مهمی رخ داد که منشا بسیاری از پیشرفت‌های در زمینه شناخت الکتریسیته شد.

این موضوع به این معنی نیست که بشر قبل از آن چیزی در مورد الکتریسیته نمی‌دانست، اما آن الکتریسیته با انواع دیگر تفاوت داشت. یونانیان قدیم می‌دانستند که اگر جسم سختی را که رنگش زرد مایل به قهوه‌ای بود به پارچه‌ای مالش دهند. آن جسم ذراتی را از پارچه به سوی خود می‌کشد.

آن‌ها آن جسم را الکترون نامیدند و ما کلمه جدید الکتریسیته را از الکترون گرفته‌ایم. اما این الکتریسیته که با مالش ایجاد می‌شد، الکتریسیته ساکن بود و اگرچه در قدیم دانشمندان درباره قدرت جالب توجه آن جسم زرد مایل به قهوه‌ای و نیروی تکان‌دهنده عجیب بعضی از ماهی‌ها تحقیق کردند، اما تا سال ۱۶۰۰ از چگونگی عمل عجیب بار الکتریکی اطلاعات دقیقی در دست نبود.

در آن سال، ویلیام گیلبرت انگلیسی، کتابی علمی منتشر کرد. این کتاب، جاذبه عجیب ماده طبیعی خاصی را به نام آهن‌ربا شرح می‌داد. گیلبرت در کتابش جاذبه الکتریکی را بررسی کرد. به علاوه او تعدادی از اجسام دارای خاصیت الکتریکی را، اجسام الکتریکی نامید.

بشر از زمان‌های قدیم، از وجود صاعقه آگاه بود، اما هیچ کس نمی‌دانست که این صاعقه ترسناک پدیده‌ای الکتریکی است. آن‌ها نمی‌دانستند که صاعقه با موارد زیر در ارتباط است. جاذبه عجیب الکترون زرد مایل به قهوه‌ای یونانی، ماهی مخصوصی که پزشکان رومی کشف کردند و جرقه‌های الکتریکی‌ای که بشر آن را تولید می‌کرد.

اولین جرقه‌های تولید شده به صورت مصنوعی، از توپ بزرگی ساطع می‌شد که آن را از عنصری شیمیایی به نام گوگرد ساخته بودند. اتوون گریکه، کارمند عالی‌رتبه دولتی در سال ۱۶۶۰ این توپ را در شهر مگدبرگ آلمان ساخت. زمانی که این توپ می‌چرخید، آقای اتوون گریکه دستش را روی آن قرار می‌داد و توپ نسبت به تکه‌های کوچک کاغذ و پر، قدرت جاذبه پیدا می‌کرد. وقتی سریع‌تر چرخانده می‌شد، جرقه‌هایی را که بدان اشاره کردیم ایجاد می‌کرد.

تقریباً یک قرن بعد، پژوهشگران دیگری در شهر لیدن هلند، نوعی ظرف به نام «بطری لیدن ساختند که توانایی ذخیره بار الکتریکی داشت. در آن زمان تعداد بسیاری از دانشمندان با دستگاه‌های الکتریکی، الکتریسیته ساکن تولید می‌کردند، و با سیم‌های خارج شده از دستگاه به همکارانشان شوک وارد می‌آوردند. بعد از آن زمان طولی نکشید که یک آمریکایی به نام بنیامین فرانکلین ثابت کرد که الکتریسیته حاصل از صاعقه و الکتریسیته ساخت بشر هر دو از یک نوعند.

در سال ۱۷۴۷، پژوهشگری به نام ویلیام واتسون، سیمی را به بطری لیدن وصل کرد و شارژ الکتریکی را تا فاصله‌ای از بطری لیدن هدایت کرد. اما، الکتریسیته ساکن با حرکتی سریع و ناگهانی می‌تواند آزاد شود نه با گردش پیوسته «جریان».

الکتریسیته ساکن هنوز با ماست. و هر شخصی که از کنار فرشی ضخیم رد شده دستگیره دری را لمس کرده باشد، از این مطلب آگاهی دارد. این جریان الکتریسیته، دنیای عجیب وسایل الکتریکی‌ای را که ما در آن بسر می‌بریم، ممکن می‌کند.

درست است که بشر از زمان آشنایی با چگونگی شارژ کردن مواد برای جاذب ساختن آن‌ها، از جریان الکتریکی استفاده می‌کرد. برای نمونه حدود ۲۰۰۰ سال پیش سازندگان اشیاء هنری طلا و نقره، در آسیا روش خاصی را برای پوشاندن این اشیاء با طلا و نقره به کار می‌بردند. روش کارشان بدین صورت بود که جریان ضعیف الکتریکی، فلز را از الکترود منفی به الکترود مثبت انتقال می‌داد.

در زمانی که کتاب گیلبرت دانشمندان جوان انگلیسی و اروپایی را به هیجان آورده بود، مردی هلندی به نامیان سوامردام آزمایشی غیر عادی، روی قسمتی از ماهیچه قورباغه انجام داد. او در آن واحد پای قورباغه را به سیم‌های نقره و مس وصل کرد و سبب حرکت پای قورباغه شد. تقریباً یک سال بعد، در سال ۱۷۶۷ مردی سویسی به نام جی. جی. سولزر، آزمایشی را انجام داد که اندکی با آزمایش سوامردام تفاوت داشت. او سکه‌هایی را از فلزات مختلف با سیم به هم وصل و سر سیم‌ها را به زبانش متصل کرد. او می‌توانست اثر ضعیفی را از جریان الکتریکی حس کند.

آنچه ما حالا باتری می‌نامیم مدتها قبل از حرکت پاهای قورباغه پروفسور گالوانی ساخته شد. با وجود این هیچ کس این مسأله را نمی‌دانست زیرا کار باتری‌های الکتریکی در آن زمان، به الکتریسیته مرتبط نبود. آن‌ها تکه‌های کاغذ را جذب نمی‌کردند و مسلماً جرقه‌ای نیز از آن‌ها ساطع نمی‌شد.

لوییجی گالوانی یک پزشک ایتالیایی، فیزیک‌دان، زیست‌شناس و فیلسوف سرشناس قرن هجدهم (۱۷۳۷ تا ۱۷۹۸ میلادی) بود. او در شهر بولونیای ایتالیا به دنیا آمد. پدرش زرگر بود و مادر او همسر چهارم پدرش بود. خانواده‌اش اشرافی نبود، اما آنها می‌توانستند هزینه برای فرستادن حداقل یکی از پسران خود را برای تحصیل در دانشگاه فراهم کنند. او ابتدا می‌خواست به کلیسا برود. بنابراین در ۱۵ سالگی راه متداول مذهبی این کار را پیش گرفت. او می‌خواست این راه را ادامه دهد اما پدر و مادرش او را متقاعد کردند تا این کار را رها کند. در حدود ۱۷۵۵، گالوانی وارد دانشکده هنر دانشگاه بولونیا شد. او پس از تحصیل در علم طب، به استادی دانشگاه بولونا (Bologna) رسید.

پروفسور گالوانی روزی در آزمایشگاه در حال شکافتن بدن قورباغه مرده‌ای بود تا به دانشجویانش قلب، شکم، ماهیچه‌ها و اعضای دیگر بدن آن را نشان دهد. گالوانی آن موجود پابلند را روی میز قرار داد و به سوی همکارش که در کنارش بود برگشت. این مرد جوان، در حالی که چاقویی در دست داشت، کارهایی را با دستگاه الکتریسیته ساکن انجام می‌داد. گالوانی که تا حدی عصبانی شده بود، به مرد جوان گفت که در انجام کارش دقت بیشتری کند. همکارش به دلیل اشتباهش از او عذرخواهی کرد. در آن هنگام، پروفسور گالوانی زیرچشمی چیزی را دید که باعث شد سرش را به سرعت بچرخاند. پاهای قورباغه تکان خورده بود.

گالوانی در حالی که به قورباغه مرده که هنوز به آرامی تکان می‌خورد نزدیک می‌شد، پرسید: «مرد جوان چه کار کردی»؟

مرد جوان با صدایی لرزان، از این که یکی از اعصاب قورباغه را بریده بود، اظهار تأسف کرد.

پروفسور به او گفت: «چیزی بریده نشده است. این دفعه با دقت چاقو را به عصب بزن.» دستیارش با دقت نوک چاقو را نزدیک عصب قورباغه آورد. هیچ اتفاقی نیفتاد و او به مافوقش نگاه کرد.

گالوانی از دستیارش پرسید که با دستگاه الکتریکی چه کار می‌کرد. دستیارش به او گفت که در حال تولید جرقه الکتریکی بود و سپس پرسید که چه چیزی می‌توانسته باعث حرکت پاهای قورباغه شده باشد.

گالوانی مطمئن نبود، اما می‌خواست علت را بداند. او در جایی که دانشجویان ایستاده بودند، بین دستگاه و قورباغه ایستاد. چند دقیقه بعد بدون تردید ثابت کرد که بار الکتریکی با عبور از بدن دستیارش و چاقویی که در دست داشت سبب حرکت ناگهانی و شگفت آور پاهای قورباغه شده است.

افراد دیگری ثابت کرده بودند که تخلیه الکتریکی نوع مخصوصی از ماهی‌ها خیلی شبیه آن دستگاه الکتریکی است. فرانکلین نشان داد که صاعقه هم در مقیاسی بزرگتر همانند آن دستگاه الکتریکی است. چرا آزمایش پای قورباغه را بیرون، هنگام طوفان انجام ندهیم؟

گالوانی در حیاط نمونه‌ها را با استفاده از عصب از میله‌ای آهنی آویزان کرد. به هنگام صاعقه پاهای قورباغه تکان می‌‌خوردند درست همان طور که در آزمایشگاه حرکت کرده بودند!

سپس حادثه غیرمنتظره دیگری روی داد. گالوانی قلابی مسی را وارد بدن قورباغه کرد و آن را از میله‌ای آهنی آویزان کرد – پاهای قورباغه بدون هیچ دستگاه الکتریکی، بطری لیدن یا صاعقه، همانند قبل تکان می‌خوردند؟

نظریه‌ای در ذهن کنجکاو گالوانی در حال شکل‌گیری بود. به دلیل این که او به موجودات زنده بیش از مواد معدنی علاقه‌مند بود، می‌خواست ثابت کند، نیرویی که باعث حرکت عجیب قورباغه مرده می‌شود خود موجودی است که زمانی زنده بوده است. در این میان چیزی بود که با آن می‌توانست نظریه‌اش را ثابت کند. البته او مثل همیشه محتاط بود.

شاید زمانی که صاعقه‌ای در آسمان وجود نداشت و آسمان صاف بود، الکتریسیته‌ای در هوا وجود داشت. بنابراین گالوانی آزمایشش را دوباره در داخل خانه انجام داد. در داخل آزمایشگاه، پاهای قورباغه را از صفحه‌ای آهنی با کمک قلابی که از فلز دیگری شده بود – آویزان کرد. پاها دوباره حرکت کردند!

سرانجام گالوانی تصمیم گرفت تا علت حرکت پاهای قورباغه را بیان کند.

دو پاسخ ممکن بود. نخست آن که پاهای قورباغه فقط عاملی برای کشف الکتریسیته پنهان بود و دوم آن که فلز با برخورد به اعصاب چیزی را تحریک می‌کرد که ویژگی طبیعی خود بافت محسوب می‌شد. گالوانی پاسخ دوم را بیشتر قبول داشت. شاید در این میان رازی حیاتی یا نیرویی خارجی بود و گالوانی آن را «الکتریسیته حیوانی» نامید.

این نظریه جالب توجه بود. بشر انواعی از ماهی‌ها را می‌شناخت که الکتریسیته شدیدی از خود تولید می‌کردند. چرا جانوران دیگر نباید چنین توانایی را داشته باشند؟

گالوانی این طور فکر می‌کرد که موجود زنده چیزی همانند بطری لیدن و شاید همانند آن دستگاه الکتریکی است که سبب شده بود او این تحقیقات را آغاز کند. در سال ۱۷۹۱، مجله‌ای علمی نتایج آزمایش‌های دقیق و طولانی گالوانی را در مورد پای متحرک قورباغه چاپ کرد. گالوانی با افتخار مقاله‌اش را در چند نسخه چاپ کرد تا برای بعضی از دوستانش بفرستد. یکی از این نسخه‌ها را به استاد فیزیک دانشگاه پاویا در ایتالیا فرستاد. طولی نکشید که این مرد، الساندرو ولتا ، با نظریه گالوانی مخالفت کرد.

ولتا در آغاز چنین فرض کرد که گالوانی به درستی علت حرکت عجیب پای قورباغه را فهمیده است. شاید بار الکتریکی بسیار زیادی در ماهیچه مرده ذخیره شده بود و لمس کردن ماهیچه و عصب راهی برای آزاد کردن الکتریسیته به وجود می‌آورد. حرکت پاهای قورباغه نیز بخشی از واکنش بود.

ولی طولی نکشید که ولتا نظر خود را تغییر داد. ولتا کشف کرد که می‌تواند دو سر فلز را به اعصاب پاهای قورباغه وصل کند و پاهای قورباغه را حرکت دهد. بنابراین، این واکنش فقط مخصوص به بطری لیدن باردار نبود. سپس فلزات مختلف را به هم وصل و آن‌ها را به جای پاهای قورباغه به زبان خودش متصل کرد! او می‌توانست انرژی الکتریکی را حس کند. بعدها، او یکی از آن فلزات متصل به هم را به چشمش نزدیک کرد و گزارش داد که نه تنها چیزی حس کرده، بلکه جرقه‌ای نیز در همان لحظه دیده است. وقتی که سرهای فلزات غیر مشابه را جدا می‌کرد، اثر فوراً ناپدید می‌شد. در آغاز، ولتا هنوز فکر می‌کرد که بدون جریان خارجی الکتریسیته، الکتریسیته موجود در بدن حیوانات نمی‌تواند مؤثر واقع شود. اما، با هر آزمایش کم کم یقین پیدا می‌کرد که این الکتریسیته از بدن حیوانات نبوده بلکه از قطعه فلزات متصل به هم است! چه چیز در این مورد غیرعادی بود؟ می‌توان فلزات را باردار کرد و آن‌ها می‌توانند دارای بارهای مختلف شوند. او حتی یقین داشت که گالوانی نیز از چنین فلزاتی در آزمایش‌هایش استفاده کرده است.

در سال ۱۷۹۳ ولتا نتایج تحقیقاتش را در مجله‌ای انگلیسی چاپ کرد. او از گالوانی برای کشف شگفت‌آورش تمجید کرد، اما نظریه دیگری را ارائه داد. یک سال بعد، ولتا که هنوز به دلیل تحقیقاتش برروی الکتریسیته ساکن مشهور بود، مقاله دیگری راجع به آزمایش‌هایش چاپ کرد.

این بار اظهار کرد که الکتریسیته گالوانی حیوانی نبوده بلکه الکتریسیته فلزی بوده است. ولتا در مقاله‌اش که یکی از مهمترین مقاله‌های علمی است، به این مسأله نیز اشاره کرد که از کربن می‌توان به جای یکی از فلزات غیر مشابه استفاده کرد و رطوبت بین چنین فلزاتی باعث ایجاد جریان می‌شود. همه این کارها برای کشف باتری الکتریکی که استفاده از بسیاری از وسایل الکتریکی را میسر می‌کند، انجام شد. در مقاله فهرستی چاپ شد، که قدرت مواد مختلفی را که می‌‌شد از آن‌ها همچون فلزی در باتری استفاده کرد با هم مقایسه می‌کرد. برای نمونه کربن و فلزی که روی نامیده می‌شد از این دسته جدا بودند. بدین معنی که باتری قویتری می‌ساختند. امروزه نوع متداول باتری خشک، از کربن و روی است.

ولتا متوجه شد که باتری الکتریکی که در آن فلزات غیر مشابه یکی بر روی دیگری قرار می‌گیرد، نمونه‌ای از قسمت‌های الکتریکی بدن نوعی ماهی تولید‌کننده شوک الکتریکی است. این مطلب نشان می‌داد که سخنان گالوانی تا اندازه‌ای صحیح بوده است.

در سال ۱۸۷۹، یعنی ۸۱ سال بعد از فوت گالوانی، این مسأله آشکار شد، که قلب بشر هنگام تپیدن، الکتریسیته تولید می‌کند. امروزه ما می‌دانیم که همه موجودات زنده الکتریسیته ایجاد می‌کنند و به نظر می‌رسد که ما به کشف چیزهای شگفت‌آوری درباره اهمیت الکتریسیته بدنمان نزدیک باشیم.

نام گالوانی را به یادگار بر روی چندین کلمه انگلیسی گذاشته‌اند. «گالوانیک» به معنی تولید جریان الکتریسیته است و «گالوانومتر» وسیله‌ای برای اندازه‌گیری جریان الکتریسیته است. اما نام ولتا را بر روی کلمه مهمتری گذاشته‌اند، «ولت» واحد اندازه‌گیری مقدار نیرویی است که جریان الکتریکی تولید می‌کند. ولت جریان پیوسته الکتریکی را جایگزین جرقه کوتاه آزاد شده از دستگاه الکتریسیته ساکن کرد. جریان الکتریسیته مسلماً از هنگامی که ولتا فلزات غیر مشابه را به هم وصل کرد و نشان داد که آن‌ها تولید الکتریسیته می‌کنند، در حرکت بود – الکتریسیته‌ای که نخستین بار لوئیجی گالوانی با حرکت عجیب پاهای قورباغه کشف کرد.

منابع: کتاب کشف‌های تصادفی در علم – دانیل استفان هالاسی – انتشارات روزنه – مدخل گالوانی در سایت راسخون