В. Я. Данилевский доказал, что «отрицательное уклонение температуры» объективно существует. Вместе с тем им была установлена ошибочность объяснения этого феномена Мейерштейном и Тири. В. Я. Данилевский экспериментально установил, что при растяжении мускула без его возбуждения происходит нагревание, связанное с физическим деформированием, т. е. с изменением физической структуры, а следовательно, и внутренней энергии. При активном сокращении химическая энергия затрачивается на физиологические процессы, связанные с поднятием груза, но вместе с тем часть ее поглощается на восстановление физической структуры и внутренней энергии, имевших место до растяжения мышцы грузом. Следовательно, при активном сокращении мускула, растянутого грузом, имеют место два явления: нагревание в результате повышения интенсивности физиологических процессов и охлаждение, связанное с устранением деформации, вызванной растяжением. Поэтому температура мускула после сокращения (W) оказывается меньшей, чем это соответствует количеству теплоты, освободившейся в результате физиологического процесса... Поправка а может быть устранена только в том случае, если в опыте, результатом которого является внешняя механическая работа, и в опыте, к концу которого внешняя механическая работа равна нулю, конечное физическое состояние (эластическое напряжение) мышцы будет тождественным. Для достижения этой цели В. Я. Данилевский соответствующим образом осуществил постановку обоих опытов.
Мышца лягушки с термостолбиком помещается во влажную камеру. Через щель в дне камеры осуществляется соединение мышцы с рычагом миографа. Последний служит для регистрации движений мышцы и вместе с тем является грузом, растягивающим ее с определенной силой. Это соединение при двух вариантах опыта производится одновременно двумя способами. I способ (общий для обоих вариантов): соединенная с мышцей нерастяжимая нитка заканчивается на нижнем конце крючком. На него свободно надевается второй крючок, от которого тянется нерастяжимая нить, присоединенная к рычагу миографа. Наряду с I способом в первом и во втором вариантах опыта имеются два другие способа соединения: IIа и IIб. Соединение IIа — нерастяжимая нить, более длинная, чем все соединение I. Соединение IIб — 2—4 тонкие полоски очень эластического каучука, более длинные, чем все соединение I.
Первый вариант опыта: соединения I и IIа. Одиночным размыканием тока вызывается сокращение мышцы. В момент предельного уменьшения ее длины крючок нити, связанной с рычагом, срывается с крючка нити, связанной с мышцей. Рычаг падает. Нить IIа, быстро натягиваясь, сотрясает и растягивает мышцу.
Второй вариант опыта: соединения I и IIб. Процесс сокращения мышцы осуществляется в условиях, тождественных тем, которые имели место при первом варианте. Но после разъединения крючков соединения I рычаг, падая, сначала растягивает более податливые каучуковые нити соединения IIб. Затем устанавливается прежнее растяжение мышцы и рычаг принимает такое же положение, какое имеет место к концу первого варианта опыта.
Таким образом, в первом варианте опыта возвращение рычага в исходное положение и некоторое дальнейшее его опускание совершается за счет быстрого растягивания мускула падающим грузом. Оно сопровождается резким встряхиванием, приводящим мышцу к длительным колебаниям вокруг положения равновесия. В результате этого мышца оказывается растянутой до исходного положения и вся энергия груза переходит в тепловую энергию мышцы.
При втором варианте опыта падающий груз соединен с мышцей каучуковыми полосками. Они воспринимают сотрясение, вызывающееся падающим грузом, и соответственно нагреваются. Лишь вслед за этим происходит равномерное растяжение мышцы до исходного положения.
Сравнивая оба варианта опыта, мы видим следующее:
1. В обоих случаях в конце опыта мышца деформирована, растянута грузом, так же как и в начале его. Поэтому общее изменение энергии вследствие физической деформации равно нулю; вся работа произведена только за счет изменения химической энергии.
2. В первом варианте опыта мышца выделила количество тепла W. Во втором варианте опыта мышца выделила количество тепла W и совершила работу Р-Н (то, что эта механическая энергия впоследствии превратилась в тепловую энергию каучука, не имеет значения, так как мы рассматриваем выделение тепла только мышцей). ...Разработанный Фиком и усовершенствованный Данилевским метод термоэлектрических измерений позволял достаточно точно определить Wa W; Р и Н вычисляются без всякого труда. Следовательно, может быть вычислено А по формуле...
Средние величины, вычисленные для А из ряда повторных измерений, составляли в одном случае 525, в другом 550. Они были достаточно близки к значению, полученному при исследовании чисто физических явлений в неживой природе. Такое достаточно хорошее совпадение (расхождение около 20 %) доказывает, что закон сохранения энергии справедлив не только для неживой природы, но и для животных организмов. Обсуждая результаты своих экспериментов, В. Я. Данилевский напоминал, что в первых опытах физиков точность измерения была даже меньшей, чем у него.
Итак, В. Я. Данилевский был первым ученым, которому удалось экспериментально доказать приложимость закона сохранения энергии к физиологическим процессам в животном организме. С полным основанием П. П. Лазарев ставит его в почетный ряд творцов современной биофизики. «Закон сохранения энергии, — пишет он, — сразу ставит таким образом учение об обмене веществ в организме и о питании на точную физико-математическую почву, которая создала все современные успехи точных наук.
«Ломоносов, как мы видели, принял участие и в развитии закона сохранения массы и закона сохранения энергии, являющихся основой биофизики, и мы с полным правом можем считать его вместе с Эйлером родоначальником приложения физики к биологии, основателем биофизики.
«Изучение механического эквивалента тепла различными методами поставило перед исследователями задачу измерения этой величины на физиологических объектах. Эту задачу впервые разрешил В. Я. Данилевский. С законом сохранения энергии связаны работы И. М. Сеченова и его ближайшего ученика и сотрудника М. Н. Шатерникова».
Так К. А. Тимирязев (1875) и В. Я. Данилевский (1880) — русские ученые-материалисты — нанесли с помощью точного опыта сокрушительный удар по витализму. Они опровергли основной тезис идеализма в биологии — утверждение о происхождении в организме силы «из ничего». К. А. Тимирязев показал это в отношении эндотермических процессов в растительных организмах, В. Я. Данилевский — в отношении экзотермических процессов в животных организмах. Удар был настолько серьезным, что витализму пришлось отступить на новые позиции и отказаться от открытого пропагандирования учения о «жизненной силе».
В течение последующих лет В. Я. Данилевский продолжал работать над уточнением полученных им к 1880 г. данных, касающихся энергетики работающей мышцы. В 1889 г. им были опубликованы статья и доклад на III Пироговском съезде, содержащие эти материалы. В указанных сообщениях приведены точные цифры, касающиеся развития теплоты при растяжении мускула и его охлаждения при укорочении после снятия груза. Так, при нагрузке в 60 г, которая давалась икроножной мышце лягушки, в двух опытах произошло ее нагревание на 0.0063 и 0.00521°, а после снятия груза — охлаждение соответственно на 0.0056 и 0.00527°.
Аналогичные явления имели место и при тетанизировании, когда первоначально происходило охлаждение мускула, за которыми следовало его нагревание. Так, в одном из опытов в начале минимального тетанизирования мускула произошло его охлаждение на 0.00052°, а через 40 сек. нагревание на 0.0027°. При усилении раздражения снова наступило охлаждение на 0.0024°, а через 60 сек. нагревание на 0.0031°. После прекращения раздражения повышение температуры продолжалось еще 30—60 сек. Очень усталая мышца не давала отрицательного теплового эффекта. Такая мышца, равно как и мышца, находившаяся вне организма 36—48 час, не реагировала на раздражение сокращением, но усиливала теплообразование — вся расходуемая химическая энергия превращалась в теплоту.
