Иван Петрович Павлов и его вклад в науку
Основной научной деятельностью Ивана Петровича Павлова были исследования рефлекторной регуляции пищеварения и выяснение механизмов образования условных рефлексов. Именно в этих направлениях он достиг наибольших успехов.
Пожалуй, ни один из русских ученых того времени, включая даже Менделеева, не был так широко известен за рубежом. Писатель и публицист Герберт Уэллс как-то сказал о Павлове: «Это звезда, которая освещает мир, проливая свет на еще не изведанные пути».
Его называли «романтической, почти легендарной личностью», «гражданином мира». Однако это будет потом, после Нобелевской премии по физиологии. Начало научного пути Павлова было не столь радостным. Тот факт, что условия, в которых работал Иван Петрович, менее всего благоприятствовали великим открытиям, еще раз подтверждает его гениальность. Ведь в XIX веке не существовало специальных техник для выполнения столь непростых научных работ, однако Павлов творил чудеса в своей тесной лаборатории в старом здании Императорского института экспериментальной медицины. Он также не прекращал работу в гражданскую войну, когда отсутствовало отопление, властвовал голод и существовал дефицит медицинского оборудования. Однако сейчас доподлинно неизвестно, что было труднее — пережить материальные трудности, непонимание и открытую враждебность со стороны коллег, отрицавших неопровержимые факты и смелые теории Павлова, указывающие на ошибочность слепой веры в «божественную силу», или внутреннюю борьбу, связанную с изменением моральных ценностей.
Опыты с мнимым кормлением и исследования пищеварения
В своих исследованиях Павлов совмещал несколько существующих подходов, которые прежде считались несовместимыми. Так, он считал, что такие сложные системы, как пищеварение или кровообращение, могут быть изучены с помощью поочередного исследования каждой из их частей. Вдобавок ученый полагал, что эти части сложной системы следует изучать у здорового животного. Следуя своим принципам, он выступал против методов хирургических операций над живыми животными, которые были традиционными в то время: тогда для наблюдения за работой отдельных органов лабораторных животных оперировали без наркоза. Павлов справедливо полагал, что умирающее на операционном столе животное, испытывающее боль, не может реагировать так, как здоровое. В результате хирургическое воздействие он проводил более гуманно, чтобы за работой внутренних органов можно было наблюдать, не нарушая их функций и состояния подопытного.
Мастерство Павлова было непревзойденным. Левша с рождения, он постоянно тренировал и правую руку. В результате настолько хорошо владел обеими, что приводил коллег в замешательство и восторг одновременно. Так о нем вспоминали те, кто имел честь находиться рядом в операционной или видеть физиолога за работой:
«Ассистировать ему во время операций было очень трудной задачей: никогда не было известно, какой рукой он будет действовать в следующий момент. Он накладывал швы правой и левой руками с такой скоростью, что два человека с трудом успевали подавать иглы с шовным материалом».
«Человеческим» можно назвать и послеоперационное отношение Павлова к подопытным. Его требования по соблюдению нужного уровня ухода, анестезии и чистоты для животных соблюдались неукоснительно. Ученый говорил: «После приведения организма животного в соответствие с нашей задачей мы должны найти для него modus vivendi (способ существования), чтобы обеспечить абсолютно нормальную и продолжительную жизнь. Только при соблюдении этих условий полученные нами результаты можно считать убедительными и отражающими нормальное течение этих феноменов».
В начале научной карьеры Павлова интересовало влияние нервной системы на деятельность внутренних органов. Для установления ее роли в регуляции желудочной секреции ученый в 1890 году применил оригинальную технику — так называемое мнимое кормление. В этом эксперименте у подопытной собаки надрезали пищевод, а концы его выводили наружу в районе шеи. Желудок также был прооперирован — сообщался с внешней средой с помощью специального отверстия (фистулы).
В итоге у собаки появлялись два искусственных отверстия: одно — в стенке желудка, другое — в пищеводе. Если животное начинало есть, то пища не попадала в желудок, а вываливалась из отверстия в пищеводе наружу. Одновременно по законам физиологии выделялся желудочный сок, так как желудок получал сигнал, что поступает еда. Этот сигнал проходил путь от расположенных в ротовой полости раздраженных рецепторов через продолговатый мозг, а оттуда — по нервным волокнам к желудку.
Мозг давал желудку команду готовиться к пищеварению, то есть усиленно выделять необходимый для переваривания пищи сок. Из опытов стало ясно, что желудочный сок начинает выделяться через несколько минут после начала мнимого кормления. В условиях опыта сок можно было легко собирать из отверстия, расположенного в желудке, а затем исследовать без остатков пищи. Было установлено, что выделение (секреция) сока может продолжаться в течение нескольких часов. Более того, оно не прекращается на протяжении двух-трех часов даже при кратковременном кормлении. В результате исследования от одной собаки за один сеанс мнимого кормления удавалось получить до литра чистого желудочного сока. Это давало большое поле для экспериментов. Например, пищу меняли и наблюдали, как одновременно меняется и химический состав желудочного сока.
Используя данный метод, Павлов показал, что каждый отдел пищеварительной системы — слюнные железы, желудок, поджелудочная железа и печень — добавляет к пище определенные вещества. Их различные комбинации расщепляют еду на элементарные составляющие (белки, жиры и углеводы), которые всасываются стенками пищеварительного тракта. Дополнительно, после выделения нескольких таких веществ, в частности пищеварительных ферментов, Павлов стал изучать способы, помогающие «подчинить» их, понять природу и принципы взаимодействия. В ходе экспериментов по изучению влияния центральной нервной системы на пищеварительную физиолог обнаружил немало удивительных фактов. Компоненты слюны можно разделить на две части: одна, водянистая, облегчает проглатывание пищи, вторая, богатая слизью (муцином), облегчает ее прохождение через пищевод. Например, было установлено, что работа пищеварительных желез «приспосабливается» к пище. Если собаке в рот положить мелкие и гладкие камешки, то слюна не выделяется, так как камешки — это не пища и их следует выплюнуть. Если положить в рот песок, то будет выделяться лишь водянистая часть слюны с минимальным содержанием муцина или вовсе без него: для того чтобы выплюнуть песок, лучше подходит именно такая слюна, а муцин не нужен — песок не глотают.
Работа ученым была проделана огромная.
И в результате Павлов впервые экспериментально установил, что работа желудка управляется нервной системой.
Все доказывалось очень просто: в опытах мнимого кормления пища не попадала непосредственно в желудок, однако он начинал работать. То, что команда от рецепторов ротовой полости к желудку поступала по нервам, было доказано обрезанием особых блуждающих нервов: стоило лишь перерезать их — и сок переставал выделяться. Павлов первым установил это, оставив позади одного из самых авторитетных физиологов того времени и своего учителя Рудольфа Гейденгайна.
В 1897 году Иван Петрович обобщил все собранные факты и результаты исследований в книге «Лекции о работе главных пищеварительных желез», а в 1904-м получил Нобелевскую премию.
Он стал первым физиологом и русским ученым, которого удостоили этой наивысшей награды.
Факты и законы условных рефлексов
Собственные эксперименты, касающиеся пищеварительной системы, а также работа Сеченова «Рефлексы головного мозга» побудили ученого заняться исследованием рефлексов. После 1902 года Иван Петрович полностью сконцентрировался на изучении высшей нервной деятельности и был поражен силой и важностью рефлексов, которые проливали свет на многие спорные вопросы психологии и физиологии.
Во времена Павлова действия раздражителей условно разделяли на прямое и удаленное. При этом эффект каждого из них изучала отдельная наука. Например, раздражение нервных окончаний во рту, которое вызывала поступающая пища, было прямым и сопровождалось слюноотделением, поэтому изучалось физиологией. Удаленное действие, например, когда слюна начинает рефлекторно вырабатываться не только во время попадания пищи в рот, но и если мы просто видим еду (всем знакомо выражение «слюнки текут»), было объектом исследования психологии. По воззрениям того времени, воздействие на расстоянии было возможно из-за наличия более «высоких» функций, таких как воля, желание и суждение. Например, животные «считали», что запах — это пища, и поэтому «желали» ее. Все эти заключения носили теоретический характер, так как тогда еще не существовало достоверных экспериментальных данных о психологии животных. На первых порах Павлов также придерживался такого мнения.
Однако, по мере того как продвигалась его работа по изучению пищеварения, открытые факты все больше стали противоречить бытующей теории о психическом раздражении.
Объяснение этих явлений с позиции всеруководящей «божественной силы» Павлова не устраивало, в результате он решил исследовать их с точки зрения физиологии, то есть объективными научными методами.
Так, с точки зрения физиологии факты кормления собак песком и камнями могут быть описаны по-другому. Нервы, ведущие к слюнным железам, способны регулировать содержание воды и муцина в слюне. К тому же некоторые участки ротовой полости являются рецепторами, которые определяют свойства поступающей пищи и то, как ее следует принять. Такой механизм взаимодействия формировался на протяжении веков (вспомним теорию Дарвина) и приспособился к окружающей среде наилучшим образом. Против «божественной силы» свидетельствовали и другие факты, полученные в ходе исследования пищеварения. Например, избирательное выделение слюны наблюдалось и при психическом (удаленном) раздражении слюнных и пищеварительных желез. Если показать собаке камешки, это не вызовет у нее слюноотделения (камни — не пища), если песок — вызовет обильное выделение водянистой слюны (желание выплюнуть его), если сухую пищу — возникнет обильное выделение слюны, содержащее вдобавок и муцин, способствующий прохождению пищи, если влажную — появится умеренное слюноотделение. Удивительными оказались случаи дистанционного раздражения рефлексов собаки — они могли быть достигнуты не только явными признаками, например, видом и запахом пищи, но и раздражителями, отличными от свойств еды. Например, вид миски для кормления, шаги человека, несущего еду, также вызывают выделение слюны.
Суммируя результаты исследований реакции подопытных собак на внешние раздражители, Павлов сделал важный вывод, что взаимодействие организма с внешней средой, а не «божественная сила» играет ведущую роль. Непосредственное окружение животного постоянно влияет на него, заставляя приспосабливаться к меняющейся обстановке. Итог такого приспособления вызывает новые, неврожденные рефлексы, то есть приобретаемые в течение жизни.
Результатом этих опытов стало второе крупнейшее открытие в области физиологии — разделение рефлексов на условные, которым животные обучаются в течение своей жизни, и безусловные, то есть присущие от рождения.
Павлов был захвачен своим открытием и продолжил изучение условных рефлексов. В институте в местечке Колтуши, что находился неподалеку от Санкт-Петербурга, он создал первую и единственную в мире лабораторию по изучению высшей нервной деятельности. В процессе исследований физиолог пришел к выводу, что подопытных собак на время эксперимента следует максимально изолировать от воздействия внешних раздражителей. В результате родилась идея «Башни молчания», которая представляла собой отдельное здание с несколькими камерами, связанными винтовыми лестницами и переходами с бесшумным покрытием, и позволяла полностью изолировать подопытное животное от внешнего мира.
В таких условиях вместе со своими коллегами Павлов стал подробно изучать хорошо знакомый ему условный рефлекс: выделение слюны и желудочного сока до кормления на вид и запах пищи. Чтобы всесторонне изучить правила образования условных рефлексов, сотрудники лаборатории вырабатывали у собак все новые и новые условные рефлексы. В «Башне молчания» подача условных раздражителей производилась с помощью нажатия клавиш специального пульта, подача пищи — с помощью сложного по тем временам механизма, обеспечивающего поворот чашек в кормушке, где находилась мясо-сухарная питательная смесь. Наблюдали за опытом через перископ.
Интересен тот факт, что часто против всех ожиданий собаки срывали эксперимент — засыпали.
Подобное поведение натолкнуло ученого на мысль, что нормальная работа мозга невозможна без постоянных внешних раздражителей, потому как длительное однообразие и монотонность выполняемых заданий и получаемых впечатлений снижают тонус коры мозга, что вызывает сонливое состояние.
Механизмы образования условных рефлексов вкупе с многочисленными удивительными фактами и особенностями были детально изучены Павловым вместе с коллегами. В ходе экспериментов, которые даже сегодня вызывают удивление, было доказано, что условно-рефлекторная деятельность осуществляется при участии коры больших полушарий головного мозга.
Например, перед кормлением голодной собаки в помещении включали лампочку, а затем давали пищу. Опыт повторяли несколько раз. Смысл заключался в следующем. Включение света фиксирует зрительный центр, пища вызывает безусловный рефлекс и возбуждение пищеварительной зоны коры. Повторение опыта способствует возникновению временной связи между пищеварительной и зрительной зонами. В результате свет лампочки возбуждает в коре зрительный и пищеварительный центры, что способствует выделению у собаки слюны и без подачи пищи. Появление корма подкрепляет ожидание. Но без такого постоянного подкрепления временная связь между нервными центрами исчезает, а условный рефлекс угасает.
В ходе экспериментов Павлов выявил и другие интересные закономерности условных рефлексов. Например, чтобы получить раздражение на расстоянии, животное должно быть голодным, то есть подготовленным к будущему пищевому раздражению (требуется определенное внутреннее состояние организма). Это оберегает организм и дает животному возможность реагировать на другие, не менее важные раздражители (например, оборонительные или половые). Если показывать собаке пищу без последующего закрепления, то реакция слюнных желез будет с каждым разом слабеть, пока не исчезнет вовсе. Но стоит покормить животное, как реакция слюнных желез полностью восстанавливается. Этот факт играет важную роль в приспособлении: он отучает реагировать на раздражитель, который не ведет к результату. Действие нескольких раздражителей всегда определяется наиболее сильным. Например, одновременная демонстрация сырого мяса (отсутствие слюноотделения) и сухого хлеба (обильное слюноотделение) приведет к отсутствию слюноотделения, так как сырое мясо для собаки — более сильный раздражитель. Это тоже важная характеристика приспособления: реакции организма эффективны только в том случае, когда он отзывается на самый сильный раздражитель, а не делит внимание между несколькими.
Достижения Павлова и психология человека
Работая с подопытными животными, Павлов верил, что полученные знания будут решающим звеном в открытии новых законов психической жизни человека. Читая лекции, посвященные выявленным условным рефлексам, ученый высказал мысль, что рано или поздно они приоткроют завесу тайны и над человеческой психикой. Несмотря на то что вся научная деятельность физиолога была связана с собаками, он как-то заметил:
«В сущности, интересует нас в жизни только одно: наше психическое содержание».
Ученый всю жизнь стремился к тому, чтобы найти ответ на главную загадку или заложить основу ее будущего решения.
Только на закате жизни Иван Петрович стал регулярно обследовать клинических больных. В итоге он нашел качественное отличие между высшими нервными процессами у животного и человека. Это не что иное, как речевая функция, которая обусловливает появление новых принципов работы больших полушарий мозга.
Именно речь дает человеку особую систему рефлексов, значительно большую, чем у животных.
Так, собаки реагируют на внешнее воздействие, связанное с жизненными потребностями. Человек тоже имеет эту особенность, но он может реагировать на слова, которые являются для него уникальными условными раздражителями. На основании этого открытия Павлов выделил два уровня сигнальной системы, назвав второй сигнальной системой функцию речи, присущую только человеку, а первой сигнальной системой — чувственные сигналы, посылаемые внешней средой.
На примере это выглядит так: когда вы услышите или прочтете слово «шоколад» и представите, какой он вкусный и сладкий, у вас, возможно, возникнет желание съесть его и объем слюны во рту увеличится.
В этом процессе будут задействованы сразу две системы: вторая сигнальная нарисует основанный на жизненном опыте обобщенный образ, связанный с произнесенным или увиденным словом, а образ, в свою очередь, через первую сигнальную систему подаст знак организму, словно перед вами появилась плитка шоколада.
Вторая сигнальная система сформировалась у человека в процессе эволюции как дополнение к первой, которая досталась в наследство от животного.
Ее работа основана на возбуждении органов, участвующих в общении, она помогает обобщать жизненный опыт и затем использовать его. Именно она дает людям возможность общаться и мыслить, что также является общением, но только с самим собой (так называемая внутренняя речь). Именно поэтому многие исследователи склоняются к мысли, что вторая сигнальная система возникла именно в процессе коммуникации. Павлов считал, что без ее сигналов не может быть ни психической деятельности, ни мысли.
Ученый подчеркивал, что вторая сигнальная система обусловливает более качественную связь человеческого организма с окружающей средой. Например, животные могут учиться только на собственном жизненном опыте с помощью первой сигнальной системы. Человек же открыт для любого стороннего опыта и может черпать его из всего мирового знания с помощью написанных или произнесенных слов, передающихся из поколения в поколение. Сочетания слов могут передавать самые сложные чувства, четко отражать внешнюю действительность спустя многие столетия. Такое видение дало Павлову все основания считать, что психология имеет большой потенциал, который может быть расширен при тесной связи с физиологией.
После того как была сформулирована идея о сигнальных системах, Павлов сделал еще одно открытие, связанное с защитной функцией нервной системы. Согласно его теории клетки мозга — самые активные клетки человеческого организма, что сказывается на их свойствах, а именно: они подвержены утомлению, перегрузке и повреждению. Природой был создан уникальный механизм защиты этих клеток.
Павлов назвал этот механизм защитным торможением, более известным нам как сон. Во время сна клетки нервной системы восстанавливаются после дневного утомления, при этом организму требуется определенное количество часов сна в течение каждого двадцатичетырехчасового периода. Кроме этого, физиолог обнаружил, что так называемое искусственно вызванное защитное торможение в форме глубокого и продолжительного сна — эффективное лечение некоторых неврозов и психозов.
Иван Петрович Павлов оставил богатейшее наследие для многих наук, среди которых не только физиология, медицина, психология и психиатрия, но и педагогика, философия и другие родственные области знания о человеке. Его идеи и мысли по инерции продвинули советскую науку вперед. Однако перед последующими поколениями стоит не менее ответственная задача — сохранить и приумножить полученные знания и направить их в мирное русло.
Краткая биография
Иван Петрович Павлов родился 14 (26) сентября 1849 года в Рязани в семье священника, поэтому по желанию родителей посещал начальный курс духовной семинарии, а в 1860-м поступил в духовное училище, где продолжил изучение естественных наук, интересовавших его больше всего. Прочитанная в юношестве книжка Г. Г. Леви «Физиология обыденной жизни» с картинками так глубоко запала в душу, что, если бы не она, вполне возможно, Павлов не стал бы физиологом. По счастливой случайности русское правительство разрешило студентам духовных семинарий продолжать образование в светских учебных заведениях. Поэтому Павлов в 1870 году незамедлительно поступил в Императорский Санкт-Петербургский университет на естественное отделение физико-математического факультета. Получив через пять лет звание кандидата естественных наук, Павлов поступил на третий курс Санкт-Петербургской медико-хирургической (с 1881 года — военно-медицинской) академии, а затем устроился ассистентом на кафедре физиологии ветеринарного отделения данной академии. В 1883-м защитил диссертацию на соискание степени доктора медицины, после отправился на работу в Лейпциг с двумя наиболее выдающимися физиологами того времени Рудольфом Гейденгайном и Карлом Людвигом. После двух лет работы вернулся в Россию. С 1891-го заведовал физиологическим отделом Института экспериментальной медицины и одновременно руководил физиологическими исследованиями в Санкт-Петербургской военно-медицинской академии. В 1904-м Павлову вручили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за работу по физиологии пищеварения, благодаря которой было сформировано более ясное понимание жизненно важных аспектов этого вопроса». В 1915 году Павлов был награжден французским орденом Почетного легиона, а затем получил медаль Копли Лондонского королевского общества. Иван Петрович был членом Академии наук СССР, иностранным членом Лондонского королевского общества и почетным членом Лондонского физиологического общества. Всего он был почетным членом 130 академий и научных обществ. Умер великий физиолог 27 февраля 1936 года в Ленинграде от пневмонии.