Более поздние исследователи в области химии жили в следующие годы: Блэк (1728–1799), Кавендиш (1731–1810), Пристли (1733–1804), Шееле (1742–1786), Лавуазье (1743, гильотинирован в 1794). Все они родились примерно в то время, когда Хейлс был в зените, и он не дожил [117] до того, чтобы увидеть великие результаты, которых они достигли. Но не следует забывать, что химические работы Хейлса облегчили тот триумфальный путь, по которому они прошли.
Я говорил о Хейлсе в связи с химиками и физиками, потому что, будучи по сути физиологом, он представляется мне скорее химиком и физиком, который применил свои знания к изучению жизни, нежели физиологом, обладавшим некоторыми химическими познаниями.
Уэвелл отмечает в своей «Истории индуктивных наук» [118a], что физиолог задает вопросы Природе в ином смысле, нежели физик. «Почему?» физика означало «Вследствие каких причин?», а «Почему?» физиолога — «С какой целью?». Это различие больше не является актуальным, и если применять его к Хейлсу, то это испытание покажет, что он был физиком. Ибо, как показывает Сакс, хотя Хейлс по необходимости был телеологом в теологическом смысле, он всегда искал чисто механические объяснения. Он был самым не-виталистическим из физиологов, и я думаю, что его объяснения страдали от этого. Например, он, по-видимому, считал, что сравнение воздействия тепла на растущий корень с действием той же причины на термометр [118b] — вполне удовлетворительный подход. И в «Статике растений» есть много других мест, где чувствуется, что его спекуляции слишком тяжеловесны для его знаний.
Необходимо сказать несколько слов об отношении Хейлса к его предшественникам и преемникам в ботанике. Самыми яркими из его непосредственных предшественников были Мальпиги (1628–1694), Грю (1628–1711), Рэй (1627–1705) и Мариотт (дата рождения неизвестна, умер в 1684 г.); причем трое первых родились за сто лет до публикации «Статики растений». Мальпиги и Грю были по сути анатомами растений, хотя оба занимались и физиологическими спекуляциями. Их работы были известны Хейлсу, но, по-видимому, не оказали на него влияния.
Мы видели, что как химик Хейлс — фигура несколько одинокая, стоящая между периодами, которые можно назвать периодами Бойля и Кавендиша. Это еще более заметно в его положении в ботанике, ибо здесь он стоит в одиночестве, свойственном всем великим первооткрывателям. Нам нужно вернуться к Ван Гельмонту (1577–1644), чтобы найти кого-то, сравнимого с ним как экспериментатора. Его преемники открыли многое, что было скрыто от него; но сознательно или бессознательно все они научились у него истинному методу и духу физиологической работы.
Можно возразить, что, превознося Хейлса, я несправедлив к Мальпиги. Возможно, справедливее было бы последовать за Саксом, связав этих великих людей вместе, и подчеркнуть удивительный факт: до книги Мальпиги 1671 года физиология растений оставалась на том же уровне, на каком ее оставил Аристотель, тогда как 56 лет спустя, в 1727 году, мы находим в книге Хейлса экспериментальную науку в современном смысле.
Не следует забывать, что исследователи физиологии животных согласны с ботаниками в признании величия Хейлса. Автор статьи в «Британской энциклопедии» называет его «истинным основателем современного экспериментального метода в физиологии».
Согласно Саксу, Рэй сделал несколько интересных наблюдений о передаче воды, но в целом то, что он говорит на эту тему, не является важным. Нет никаких доказательств того, что Рэй повлиял на Хейлса.
Физик Мариотт пришел к одному физиологическому выводу большого веса [119]: а именно, что различные качества растений, например, вкус, запах и т. д., зависят не от поглощения из почвы веществ с разным запахом или вкусом, как воображали аристотелики, а от специфических различий в том, как разные растения перерабатывают идентичный питательный материал — идея, которая лежит в основе здравого физиологического взгляда. Эти взгляды были опубликованы в 1679 году [120] и, возможно, были известны Хейлсу. Он, безусловно, интересовался подобными идеями, о чем свидетельствуют его попытки придать вкус фруктам, снабжая их медикаментозными жидкостями. Вероятно, он не ожидал успеха, ибо замечает (стр. 360): «Специфические различия овощей, которые все поддерживаются и растут за счет одного и того же питания, несомненно, обусловлены весьма различным строением их мельчайших сосудов, благодаря чему создается почти бесконечное разнообразие комбинаций общих принципов овощей». Он продолжает в следующем восхитительном отрывке: «И если бы наши глаза могли достичь созерцания удивительной текстуры частей, от которых зависят специфические различия в растениях, какую поразительную и прекрасную сцену неподражаемой вышивки мы бы увидели? Какое разнообразие мастерских штрихов механики? Какими очевидными признаками совершенной мудрости мы были бы развлечены?». Завершая сказанное о хронологическом положении Хейлса — Ингенхауз, главный основатель современного взгляда на питание растений, родился в 1730 году и опубликовал свою книгу «Об овощах» и т. д. в 1779 году. Так что сказанное о химическом положении Хейлса верно и в отношении его взглядов на питание; он не дожил до великих открытий, сделанных в конце XVIII века.
В его письме есть прозрачная правдивость и простота, бессознательно украшенная милыми словами XVIII века и полудеревенскими оборотами, которые придают ему непреходящее очарование. И поскольку я желаю представить Хейлса не только как человека, заслуживающего уважения, но и как того, кого следует любить, будет уместно рассказать о том, что известно о личной стороне его характера, прежде чем переходить к подробному изложению его работы.
Как мы видели, он поступил в колледж Корпус-Кристи в Кембридже в июне 1696 года. В феврале 1702–3 года он был принят в члены колледжа. Именно во время своего пребывания в качестве члена колледжа он начал заниматься химией в том, что он называет «лабораторией в Тринити-колледже». Сейчас это помещение занимает старший казначей, и оно является частью прекрасного ряда зданий на площадке для игры в шары, которые, очищенные от штукатурки и другого осквернения, предстают в своем древнем облике благодаря благочестию сына Тринити и мудрости руководства колледжа. Именно здесь, по словам доктора Бентли, «вороватые казначеи старого состава присваивали строевой лес колледжа» [121], и именно эта комната была оборудована как «элегантная лаборатория» в 1706 году для Джона Фрэнсиса Вигани, итальянского химика, который несколько лет неофициально преподавал в университете, а в 1703 году стал первым профессором химии в Кембридже.
Судя по его книге «Medulla Chymiae» (1682), Вигани был в высшей степени практичным человеком, который очень заботился о правильном устройстве печи и форме реторты, но не был обременен теориями.
Хейлс оставил свое членство в колледже и стал священником или бессменным викарием Теддингтона [122] в 1708–9 годах, где и прожил до самой смерти пятьдесят два года спустя. Он был женат (вероятно, в 1719 г.), и его жена умерла бездетной в 1721 году.
Он привлек внимание королевской семьи и получал растения из королевского сада в Хэмптон-корте. Говорят, что Фредерик, принц Уэльский, отец Георга III, любил заставать его врасплох в его лаборатории в Теддингтоне. Должно быть, это уникальная привычка для принца, но мы можем вспомнить слова из шутливой эпитафии принцу: «Раз это всего лишь Фред, больше нечего сказать». Он стал духовником вдовствующей принцессы, и эта «мать лучших из королей», как она сама себя называла, установила ему памятник в Вестминстерском аббатстве. Хейлс имел честь получить медаль Копли от Королевского общества в 1739 году, а Оксфорд присвоил ему степень доктора богословия в 1733 году.
Несколько лет назад я совершил паломничество в Теддингтон и нашел в приходских книгах много интересных записей, сделанных его рукой; последняя, дрожащим почерком, датирована 4 ноября 1760 года, за два месяца до его смерти. Он был явно активным приходским священником. Он заставлял своих прихожанок приносить публичное покаяние, когда считал, что они этого заслуживают. Он многое сделал для церковного здания. «В 1754 году [123a] он помог приходу с приличным водоснабжением и, что характерно, записал в приходской книге, что поток был таков, что наполнял двухквартовый сосуд за «три колебания маятника, отбивающего секунды, причем этот маятник был длиной 39 и 2/10 дюйма от подвесного гвоздя до середины грузика». Под башней, которую он помог построить (она сейчас служит крыльцом), похоронен Стивен Хейлс, и камень, покрывающий его тело, стирается ногами верующих. Благодаря благочестию нескольких ботаников рядом с могилой была установлена мемориальная доска, на которой восстановлена эпитафия.
Гораций Уолпол назвал Хейлса «бедным, добрым, примитивным созданием», а Поуп [123b] (который был его соседом) сказал: «Я буду очень рад видеть доктора Хейлса, и всегда люблю видеть его, он такой достойный и добрый человек». Питер Коллинсон пишет о «его постоянном спокойствии и бодрости духа»; также записано, что «он мог смотреть даже на злых людей и тех, кто причинял ему неприятности, без всякого проявления особого негодования; не из-за отсутствия проницательности или чувствительности, но он имел обыкновение рассматривать их лишь как те эксперименты, которые, как он обнаружил при испытании, никогда не могут быть применены для какой-либо полезной цели, и которые он поэтому спокойно и бесстрастно откладывал в сторону».
Работу Хейлса можно разделить на три раздела:
I
Физиологический, животный и растительный;
II
Химический;
III
Изобретения и прочие эссе.
В разделе № I я рассмотрю только его работу с растениями. Последнего раздела (№ III) я коснусь лишь вскользь, но разнообразие и изобретательность его публикаций разного рода, возможно, стоит упомянуть здесь как показатель качества его ума. Мне кажется, что в нем было что-то общее с разносторонней изобретательностью Эразма Дарвина и его внука Фрэнсиса Гальтона. Разносторонняя работа также показывает Хейлса как филантропа, который страстно заботился об улучшении здоровья и комфорта своих ближних, улучшая условия их жизни.
Его главная книга с физиологической и химической точки зрения — «Статика растений». Будет удобно начать с физиологической части этой книги, а к химии обратиться позже. «Статика растений» — это небольшая книга в 8-ю долю листа на 376 страниц, датированная на титульном листе 1727 годом. «Imprimatur Isaac Newton Pr. Reg. Soc.» датирован 16 февраля 1720 года, и эта дата представляет некоторый интерес, ибо Ньютон умер 20 марта, и «Статика растений» должна была быть одной из последних книг, которые он подписал.
Посвящение адресовано Джорджу, принцу Уэльскому, впоследствии Георгу III. Автор не может совсем избежать стиля своего времени, например: «И как Соломон, величайший и мудрейший из людей, не погнушался [124] исследовать природу растений, от кедра ливанского до иссопа, произрастающего из стены: так, полагаю, это будет не неприемлемым развлечением для Вашего Королевского Высочества» и т. д.
Но подлинный интерес посвящения заключается в ясном изложении его взглядов на питание растений. Он утверждает, что растения получают питание не только из земли, «но также более сублимированную и возвышенную пищу из воздуха, этой чудесной жидкости, которая имеет такое важное значение для жизни овощей и животных» и т. д. Мы увидим, что его более позднее утверждение не столь определенно, и хорошо бы спасти это прямое утверждение от забвения.
Его книга начинается с исследования, по которому он наиболее известен, а именно — с транспирации. Он взял подсолнечник, растущий в цветочном горшке, покрыл поверхность земли пластиной из тонкого вальцованного свинца и зацементировал ее так, чтобы пары не могли проходить, оставив отверстие с пробкой, чтобы можно было поливать растение. Он не принял мер для предотвращения потерь через горшок, но в конце эксперимента срезал растение, зацементировал пенек и обнаружил, что «неглазурованный пористый горшок» испаряет 2 унции за 12 часов, и на это он сделал соответствующую поправку.
Растение, подготовленное таким образом, он начал взвешивать через определенные промежутки времени. Он определил площадь листьев, разделив их на группы в соответствии с их размерами и измерив один лист [125] из каждой группы. Потеря воды за 12 часов в пересчете на метрическую систему составляет 1,3 куб. см на 100 кв. см поверхности листа; и это того же порядка величины, что и результат Сакса [126a], а именно 2,2 куб. см на 100 кв. см.
Далее он измеряет поверхность корней [126b] и оценивает скорость поглощения на единицу площади. Расчет не имеет ценности, поскольку он не знал, какая малая часть корней является всасывающей и насколько сильно увеличивается поверхность этой части за счет наличия корневых волосков. Затем он оценивает скорость потока воды вверх по стеблю; это было бы 34 кубических дюйма за 12 часов, если бы стебель (сечением в один квадратный дюйм) был полой трубкой. Затем он позволил стеблю подсолнечника завянуть и полностью высохнуть и обнаружил, что он потерял 3/4 своего веса, и, предположив, что 1/4 оставшихся «твердых частей» бесполезна для передачи воды, он увеличивает свои 34 на 1/3 и дает 45 1/3 кубических дюйма за 12 часов в качестве скорости. Но твердое вещество, которым он пренебрег, содержало сосуды, и он был бы ближе к истине, если бы скорректировал свои цифры на этой основе. Самый простой план — сравнить его результаты с результатами, полученными Саксом [126c], который позволял растениям поглощать растворы солей лития. Если поток происходит через каналы, эквивалентные площади в четверть квадратного дюйма, жидкость поднимется за 12 часов на высоту 4+34 или 136 дюймов, или за один час на 28,3 см [126d]. Это результат, сравнимый с результатом Сакса для подсолнечника, хотя и намного меньший, а именно 63 см в час.
Данные, однако, вряд ли стоит рассматривать таким образом. Но исторически интересно отметить, что, когда Сакс работал над своей «Физиологией растений», опубликованной в 1865 году, он был вынужден вернуться почти на 140 лет назад, чтобы найти результаты, с которыми он мог бы сравнить свои собственные.
Нам не нужно следовать за Хейлсом в его сравнении «испарения» подсолнечника с испарением человека, ни в другие его эксперименты по транспирации на капусте, винограде, яблоне и т. д. Но следует отметить один или два момента. Он обнаружил [127a], что «средняя скорость испарения» подсолнечника за 12 часов дневного света составляет 20 унций, а в «сухую теплую ночь» — около 3 унций; таким образом, дневная транспирация была примерно в семь раз выше ночной. Эту разницу можно объяснить закрытием устьиц ночью — явление, неизвестное Хейлсу.
Хейлс [127b] отмечает еще один момент, который могло бы объяснить знание поведения устьиц, а именно: при «скудном поливе испарение значительно уменьшалось»; он не пытается дать объяснение, а просто называет это «здоровым диапазоном испарения у этого подсолнечника».
В ходе своей работы с подсолнечниками он замечает, что цветок следует за солнцем. Однако он говорит, что это происходит «не путем поворота вслед за солнцем», т. е. что это не скручивание стебля, и называет это нутацией, что должно быть locus classicus для термина, используемого в этом смысле.
Стоит описать эксперимент [128a], который, насколько я помню, нигде больше не цитировался. Он интересен тем, что показывает масштаб, в котором планировалась его работа. Яблоневая ветвь длиной пять футов была прикреплена к вертикальной стеклянной трубке длиной девять футов. Поскольку трубка находилась сверху, а ветвь свисала вниз, давление столба воды действовало согласованно с всасыванием транспирирующих листьев, а не в противовес этой силе. Затем он разрезал голый стебель своей ветви пополам, поместив апикальную половину образца (с боковыми ветвями и листьями) срезанным концом в стеклянный сосуд с водой; базальная и безлистная половина ветви оставалась прикрепленной к вертикальной трубке с водой. За следующие 30 часов через безлистную ветвь просочилось только 6 унций, тогда как облиственная ветвь поглотила 18 унций. Это, как он говорит, показывает огромную силу испарения. И хотя он не продолжает эксперимент, он заслуживает внимания как попытка, подобная попыткам Янсе [128b] и других, соотнести поток воды под давлением с потоком, обусловленным транспирацией.
Интересно обнаружить, что Хейлс использовал три метода оценки транспирации, которые применялись в современную эпоху — а именно: (i) взвешивание, (ii) грубый вид порометра, (iii) заключение ветви в стеклянный баллон и сбор осажденной влаги, хорошо известный план, которому следовали различные французские наблюдатели.
Он (Vegetable Staticks, стр. 51) завершил свой баланс потерь и приобретений у транспирирующих растений, оценив количество доступной воды в почве на глубине трех футов и рассчитав, как долго его подсолнечник просуществует без полива. Далее он заключает (стр. 57), что годового количества осадков в 22 дюйма «достаточно для всех целей природы в таких равнинных странах, как эта, вокруг Теддингтона».
Он постоянно отмечает небольшие интересные моменты, например (стр. 82), что у срезанных ветвей поглощаемая вода уменьшается с каждым днем и что прежняя энергичность поглощения может быть частично восстановлена путем среза свежей поверхности [129a].
Он также показал (стр. 89), что транспирационный ток может прекрасно течь от верхушки к основанию, когда апикальный конец погружен в воду.
Это знакомые нам факты, но мы должны осознавать, что мы обязаны ими трудолюбию и изобретательности Хейлса. В повторении (стр. 90) последнего эксперимента мы имеем первое упоминание фундаментально важного факта. Он взял две ветви (которые с церковным оттенком называет M и N) и, удалив кору с части ветви, окунул концы в воду, N — большим концом вниз, а M — вверх ногами. Таким образом он показал, что кора не является необходимой для поглощения или передачи воды [129b]. Я подозреваю, что одна ветвь была перевернута из уважения к гипотезе циркуляции сока. Возможно, он думал, что вода может перемещаться апикально по древесине, но только по коре в противоположном направлении.
Следующим по порядку (стр. 95) идет его известный эксперимент по давлению, оказываемому горошинами, увеличивающимися в размере по мере впитывания воды. Однако в этом результате есть подводные камни, о которых Хейлс не подозревал, и, возможно, главный интерес для нас сейчас заключается в том, что он считал впитывание горошин [130a] явлением того же порядка, что и поглощение воды срезанной ветвью — несмотря на то, что он знал, что поглощение в значительной степени зависит от листьев [130b]. Можно заметить, что Сакса в его имбибиционном взгляде на транспорт воды можно считать последователем Хейлса.