Galvani e "l'elettricità animale"
di Christine Blondel e Bertrand Wolff
Traduzione di Alessandro Orlandi
Come provocare le contrazioni muscolari
Nel corso di tutto il XVIII secolo la questione dei fenomeni fisici e chimici che agiscono durante il movimento muscolare viene largamente dibattuta dai naturalisti e più in generale nel mondo della scienza. Le interpretazioni meccanicistiche, in voga alla fine del XVII secolo, spiegano tale movimento, come aveva fatto Descartes, con la teoria degli "spiriti animali". Questi fluidi sottili emessi dal cervello, diramandosi lungo i nervi assimilati a dei tubi, provocherebbero un rigonfiamento dei muscoli determinando così le contrazioni muscolari.
Queste interpretazioni vengono progressivamente abbandonate e si aprono nuove vie di ricerca, che prevedono sia la chimica che l'elettricità. Così Lavoisier dimostra che, durante uno sforzo muscolare, l'organismo aumenta il suo consumo di ossigeno e, simultaneamente, la sua produzione di anidride carbonica e di vapore acqueo.
Quanto alla possibile azione del "fluido elettrico" sui corpi viventi, è la scoperta della bottiglia di Leida a metà del secolo a porre il problema, suscitando immediatamente un interesse che va molto al di là del mondo degli scienziati.
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[Vedere L'énigme de la bouteille de Leyde e il video La terrible secousse...
Dato che le scariche della bottiglia di Leida provocano forti contrazioni muscolari e sensazioni inattese, non potrebbero avere anche il potere di guarire le paralisi e altre malattie? Sui giornali appaiono molti casi di guarigione mediante l'elettricità e alla fine del secolo si moltiplicano le macchine elettriche utilizzate negli ospedali. Inoltre l'elettricità viene utilizzata a scopo terapeutico da persone che non sono né medici né fisici. [Vedere L'électricité médicale dans le Journal des Savants]. Marat (il futuro rivoluzionario), alcuni preti, e persone che eseguivano esperienze "dilettevoli" con l'elettricità, si improvvisano elettricisti-guaritori. Ma la veridicità delle guarigioni osservate viene messa in discussione da numerosi scienziati, come l'abate Noillet e Benjamin Franklin. La questione restava aperta. Mentre gli "elettricisti guaritori" sperimentavano sugli esseri umani, gli anatomisti applicavano l'elettricità alle membra animali sulle loro tavole di dissezione. La giovanissima "scienza dell'elettricità" fa irruzione nel dominio della fisiologia animale. Così nel 1756, a Padova, Caldani studia gli effetti della scarica elettrica sul cuore e su diversi muscoli. La rana si rivela l'animale più sensibile per mettere in evidenza l'azione dell'elettricità sui nervi. Si afferma l'idea di una analogia tra fluido nervoso e fluido elettrico: stessa invisibilità, stessa capacità di attraversare i corpi senza lasciare tracce, stessa straordinaria velocità di trasmissione. Ma tale analogia nell'azione dei due tipi di flluido non è sufficiente a dimostrare che essi abbiano la stessa natura. Così Albrecht von Haller, la più grande autorità dell'epoca in fisiologia, scrive negli articoli Nerf e Fluide nerveux |
"Una fibra solida potrebbe essere in effetti percorsa da una corrente elettrica, ma i fenomeni del corpo animale non sembrano consentire che lo spirito animale sia un fluido elettrico". In effetti la sostanza elettrica segue altre leggi (rispetto a quelle che regolano il fluido nervoso) : essa non potrebbe essere trattenuta da dei legamenti, non potrebbe restare all'interno di un nervo, si espanderebbe negli spazi contigui privi di una simile sostanza per ristabilire l'equilibrio."
Gli argomenti di Von Haller, in particolare l'interruzione del fluido nervoso da parte di un semplice legamento, difendono con forza la specificità del fluido nervoso e testimoniano l'intensità del dibattito.
Il laboratorio di Galvani
Luigi Galvani (1737 - 1798), professore di anatomia a Bologna, si interessa a sua volta all'influenza dell'elettricità sui nervi. Non ci si deve quindi stupire del fatto che nel suo laboratorio ci siano una macchina elettrica, delle bottiglie di Leida e delle rane "preparate alla solita maniera", cioè non conservandone che le membra inferiori, con i nervi crurali collegati alla spina dorsale (Tavola I, angolo inferiore sinistro)
Figura Ω :Rana preparata per l'esperienza; Figura 1: macchina elettrica.
Figura 2 : Il filo di ferro E attraversa la spina dorsale ed è in contatto con una bacchetta di ferro G e viene prolungato dal lungo filo di ferro conduttore KK.
Figura 3 : Una rana preparata è chiusa in un recipiente di vetro A, un filo di ferro EEE molto lungo può essere raccordato in C al filo di ferro B piantato nella spina dorsale della rana.
Figura 5 : Bottiglia di Leida. ; Figura 6 : Dei piombini da caccia giocano lo stesso ruolo del filo conduttore a contatto con un nervo o un muscolo.
(Galvani, Commentarius..., 1791, Tavola I)
Le sue note di laboratorio mostrano che egli comincia queste esperienze a partire dal novembre 1780 ma è soltanto nel 1791, quando è certo di aver accumulato una quantità sufficiente di prove a favore di una elettricità di origine animale, che Galvani rende noti i risultati di una sperimentazione tenace e scrupolosa, spesso condotta con l'aiuto di sua moglie e dei suoi due nipoti. La sua opera viene pubblicata in latino, come era ancora uso comune nel campo della medicina: De viribus electricitatis in motu musculari. Commentarius. Sia i suoi manoscritti che alcune memorie non pubblicate, ma lette davanti all'Accademia delle Scienze di Bologna, ci consentono di farci un'idea della cronologia delle sue scoperte.
L'azione a distanza della scintilla elettrica sulla rana
Il suo punto di partenza è un'osservazione stupefacente, menzionata nelle sue note del 1781, e così riportata nella sua Memoria:
"Avevo dissecato e preparato una rana [e] l'avevo messa su una tavola, ove era una macchina elettrica (Fig. 1, Tav. I), lasciandola però del tutto separata dal conduttore di questa, anzi posta a non breve distanza [il conduttore C della tavola I, sostenuto qui da un piccolo candeliere isolante]; non appena uno dei miei aiutanti, per caso, toccò colla punta di una lancetta, pur lievemente, i nervi interni crurali della rana, sùbito si videro tutti i muscoli degli arti contrarsi in tal modo, da sembrar caduti in convulsioni violente provocate dal tetano. Un altro di coloro che ci assistevano in questi esperimenti elettrici ebbe l'impressione che il fenomeno avvenisse nel momento in cui dal conduttore della macchina scoccava la scintilla. [...] Allora fui preso da un'incredibile curiosità e desiderio di ritentare io stesso l'esperimento e di spiegare il mistero del fenomeno. Perciò io personalmente toccai colla punta della lancetta l'uno o l'altro nervo crurale, mentre uno dei presenti faceva scoccare la scintilla. Il fenomeno si ripeté proprio nello stesso modo. [...] Colpiti dalla stranezza dell'osservazione, decidemmo di ripetere in diversi altri modi l'esperimento, [...] né questa nuova fatica riuscì vana, poiché comprendemmo che tutto dipendeva da quelle, fra le varie parti della lancetta, che stringevamo fra le dita: finché tenevamo il manico della lancetta, che era d'osso, nessun movimento si manifestava allo scoccar della scintilla, mentre si determinava il movimento quando toccavamo colle dita la lama metallica della lancetta o i chiodini di ferro, che la tenevano fissa al manico.."
Galvani varia in molti modi le condizioni dell'esperienza e conclude:
"Da questa osservazione ci fu chiaro che a produrre il fenomeno non solo era necessario un corpo conduttore a contatto dei nervi, ma che esso fosse anche d'una certa grandezza e d'una certa lunghezza."
Il conduttore costituito dall'insieme di bisturi e sperimentatore può allora essere sostituito da un lungo filo di ferro (Tavola I, fig. 2, filo KK). E' in questo modo che l'esperienza è stata realizzata nel video Des expériences de Galvani à la pile de Volta 
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Ma come può avvenire che una scintilla possa a distanza una contrazione della coscia? Non potrebbe esserci una "via al al fluido elettrico della macchina, che in qualunque modo potesse agire sull'animale e sui conduttori di esso"? Per "impedire con vari mezzi ogni via al fluido elettrico della macchina" Galvani immaginò diversi tipi di dispositivi, come quello della fig. 3 in cui la rana è stata messa in un vaso, dall'altro lato di un muro attraversato da un filo di ferro EE. E se, malgrado tutto, "la macchina, l'animale e il suo conduttore comunicassero tra di loro per mezzo dell'aria dell'ambiente?" Galvani sistema allora il dispositivo a due vasi della fig. 6 sotto la campana di una pompa a vuoto:
"...facevo poi scoccare la scintilla, sia quando vi era aria, sia quando essa era stata estratta: nell'uno e nell'altro caso si ottennero contrazioni..."
Il fenomeno resiste a qualsiasi spiegazione, nel quadro delle conoscenze dell'epoca. Si dovrà attendere la fine del XIX secolo per stabilire che una scintilla elettrica provoca una breve emissione di onde elettromagnetiche. Tale fenomeno è all'origine dei disturbi prodotti nelle emissioni radio in modulazione di ampiezza dalle scariche temporalesche o dai motori elettrici mal protetti. Il filo conduttore collegato al nervo della rana di Galvani aveva così la funzione di antenna di ricezione e stimolava elettricamente il nervo.
L'azione dell'elettricità atmosferica
Galvani, che possiede nella sua biblioteca numerose opere sull'elettricità, sa bene che un fulmine durante un uragano è una scarica di elettricità della stessa natura dell'elettricità "artificiale" prodotta dalle macchine.
"Dopo aver raggiunte le scoperte, da noi finora esposte, intorno alla forza dell'elettricità artificiale nelle contrazioni muscolari, fu nostro vivo desiderio indagare se la cosiddetta elettricità atmosferica producesse, oppure no, i medesimi fenomeni: cioè se, seguendo i medesimi artifici, lo scoccare dei fulmini eccitasse contrazioni muscolari, così come quelle della scintilla."
Figura 7 : La rana è posta in un recipiente di vetro C, AA è un filo di ferro isolato. Una estremità del filo di ferro D tocca le zampe e l'altra si immerge nell'acqua del pozzo.
Figura 8 : La rana è posta su di una tavola ricoperta da un rivestimento oleoso, un filo di ferro la collega al muro. I fenomeni sono identici.
(Galvani, Commentarius..., 1791, Tavola II)
In un giorno di tempesta, nel 1786, predispone delle rane preparate, ciascuna munita di un filo conduttore, sulla sua terrazza (Tavola II):
"Ogni volta che balenavano i fulmini, nel medesimo istante tutti i muscoli subivano violente e numerose contrazioni, così che, come i baleni dei fulmini sogliono precedere il tuono, e quasi preavvertirlo, così i movimenti e le contrazioni muscolari di quegli animali"
Anche in questo caso Galvani moltiplica i tentativi variandone le condizioni. In particolare constata che un cielo tempestoso, anche se non cadono fulmini, conduce talvolta ai medesimi effetti. In questo caso gli elettrometri sensibili che aveva piazzato sulla sua terrazza "davano evidenti indizi di elettricità". Egli ne conclude che:
"Pertanto, considerando con diligenza l'osservazione, appare simile il modo di comportarsi dell'elettricità artificiale e di quella atmosferica"
Contrazioni muscolari senza una sorgente di elettricità !
Durante le esperienze condotte sulla sua terrazza è accaduto a Galvani di osservare delle contrazioni occasionali anche quando il tempo era sereno.
"Perciò, avendo a volte notato che le rane, preparate e munite di uncini di rame infissi nel midollo spinale, quando erano messe sulle ringhiere di ferro circondanti un giardino pensile della nostra casa, manifestavano le consuete contrazioni, non solo a cielo tempestoso, ma talora anche a cielo sereno, stimai che quelle contrazioni traessero origine dalle mutazioni, che durante il giorno avvengono nell'elettricità atmosferica."
Era possibile che in un giorno senza temporali potesse verificarsi una accumulazione di elettricità atmosferica nella rana? Per venirne a capo Galvani proseguì le sue osservazioni "per numerosi giorni" "Stanco di una inutile attesa" egli mette a contatto gli uncini di rame infissi nel midollo spinale con la ringhiera di ferro e osserva allora "frequenti contrazioni" che gli sembrano "senza alcun riferimento al diverso stato dell'atmosfera e dell'elettricità."
"Tuttavia io, avendo notato codeste contrazioni soltanto all'aperto [...] fui quasi convinto che esse fossero dovute all'elettricità atmosferica introdottasi nell'animale e in esso accumulatasi, la quale, al contatto dell'uncino colla ringhiera di ferro, rapidamente si scaricasse: infatti, è facile ingannarsi nel fare esperimenti e credere di aver visto e di aver trovato ciò che desideriamo vedere e trovare."
Per verificare o escludere che l'elettricità atmosferica potesse avere un ruolo importante, Galvani ridiscende nel suo laboratorio:
"... avendo trasportato l'animale in una stanza chiusa, e avendolo posto su un piano di ferro, provai ad accostare a questo l'uncino infisso nel midollo spinale: ed ecco manifestarsi le medesime contrazioni, i medesimi movimenti."
L'elettricità atmosferica viene allora esclusa! Galvani moltiplica le esperienze. Tra le altre cose egli varia la scelta dei metalli, mettendone uno a contatto col nervo, l'altro a contatto col muscolo e costituendo quello che chiama "arco conduttore" e che verrà in seguito denominato arco galvanico. Le contrazioni si producono ogni volta che questi due metalli vengono messi a contatto mediante le loro estremità libere.
"...l'uso di parecchi e differenti corpi metallici, invece di uno solo ed uniforme...dà risultati di gran lunga maggiori ad ottenere ed accrescere le contrazioni muscolari. [...] Se [...] un elemento è di ferro, l'altro di rame o meglio d'argento [...] sùbito si produrranno le contrazioni ed esse saranno più notevoli e di gran lunga più durature."
[Nel video l'esperienza è realizzata con rame e zinco]
Figura 9 : L'animale viene posto su di un piano di ferro , una lamina di piombo è collocata in A e una lamina di ottone in C. Le contrazioni si producono quando queste due lamine vengono collegate mediante l'arco conduttore D (rame ricoperto d'argento).
Figura 10 : L'uncino C è di rame, l'arco AA è costituito da due parti, una delle quali è isolante. Non vengono osservate contrazioni.
Figura 11 : "Se la rana è tenuta sospesa con le dita per una zampa, in modo che l'uncino fisso nel midollo spinale tocchi un piano d'argento e l'altra zampa scorra liberamente sul medesimo piano, appena questa zampa tocca il piano, ecco che i muscoli si contraggono, onde la zampa sussulta e si solleva: sùbito dopo la zampa, spontaneamente rilassandosi e ricadendo sul piano, appena lo tocca, di nuovo per lo stesso motivo si solleva, e così, di volta in volta, alternativamente continua a sollevarsi e a ricadere, talché sembra - con meraviglia e con divertimento di chi osserva - che questa zampa si comporti a guisa di un pendolo elettrico.."
Figura 12 : "Le contrazioni sono ottenute più distintamente e più prontamente" quando si utilizzano due archi metallici, l'uno in rame e l'altro in argento.
Figura 13 : Questo dispositivo permette di escludere che vi sia una stimolazione meccanica nell'attimo in cui un metallo viene messo a contatto con un nervo o con un muscolo. La rana viene posta su un piano di vetro le cui due facce sono coperte da rivestimenti metallici. In H i nervi e la spina dorsale sono incurvati in modo tale che vi sia contatto con il rivestimento inferiore, mentre i muscoli poggiano sul rivestimento superiore. Nell'attimo in cui i due rivestimenti vengono collegati mediante il conduttore costituito dalle due aste metalliche e dal corpo dell'operatore, le contrazioni si producono senza che l'animale sia stato toccato.
Figura 14 : Il tubo di vetro K viene riempito con differenti liquidi. Quando si tratta di liquidi oleosi (isolanti) le contrazioni non si verificano.
(Galvani, Commentarius..., 1791, Tavola III)
Figura 17 :Si osservano contrazioni anche se il conduttore ha una lunghezza notevole (che qui include i due personaggi)
Figura 18 : La rana è posta su di un piano di vetro armato con due rivestimenti metallici differenti, F in argento e G in rame.
Figura 19 : BB due recipienti in vetro pieni d'acqua fanno parte dell'arco conduttore.
Figure 20 e 21 : La contrazione muscolare può essere ottenuta con due animali a sangue caldo.
Fig. 21 : Si tratta di una zampa di pollo, in B il nervo crurale e in D i muscoli della coscia.
(Galvani, Commentarius..., 1791, planche IV)
E' importante osservare - questo giocherà un ruolo importante nella controversia che seguirà - che in un primo resoconto dell'osservazione fatta sulla terrazza in assenza di temporali, gli uncini piantati nella spina dorsale sono di ferro così come la ringhiera del balcone. Nel suo laboratorio Galvani osserva delle contrazioni anche servendosi di un arco costituito da un solo metallo, ma queste sono molto più deboli di quando utilizza due metalli diversi. Invece, quando egli sostituisce uno dei metalli con un isolante nulla accade e ciò prova ai suoi occhi la natura elettrica del fenomeno. Ma dato che non si tratta né dell'elettricità "artificiale" generata da una macchina, né dell'elettricità atmosferica, qual è l'origine di questo tipo di elettricità?
"Un simile esito ci cagionò non lieve meraviglia e cominciò a farci nascere il sospetto di un'elettricità propria dell'animale. [E, dopo una lunga serie di esperienze...] ... da questi risultati avevo capito che questa elettricità [...] si trovava nello stesso animale preparato [...]"
Galvani formula qui l'ipotesi di una "elettricità animale" che sarebbe emanata dal cervello e che si scaricherebbe quando nervi e muscoli vengono collegati tra loro con i metalli. Gli esperimenti precedenti, sugli effetti della scintilla generata dalla macchina elettrica o del fulmine, mostrano che questa elettricità animale "viene eccitata dall'elettricità comune".
Alcuni resoconti tracciano un ritratto di Galvani secondo il quale egli avrebbe cercato fin dall'inizio dei suoi esperimenti la conferma a un'ipotesi formulata a priori, sull'elettricità animale. Non è quindi inutile ricordare una nota del 1781 nella quale, in accordo con colui che chiama "l'immortale Haller", egli afferma che il fluido che risiede nei nervi non è elettrico e che gli spiriti animali non si identificano con il fluido elettrico. Tuttavia questo punto di vista non è rigido, perché gli accadeva anche, durante certi corsi pubblici, di presentare come probabile l'identità tra fluido nervoso e fluido elettrico. Dopo le sue esperienze sull'azione a distanza delle scintille e dei fulmini, egli considera la rana come un semplice rivelatore di elettricità. Essa costituisce "l'elettrometro più sensibile mai scoperto", ma non è essa stessa una fonte di elettricità. E' la serie di esperienze condotte con l'arco metallico che lo porta ad adottare nel 1791 l'ipotesi dell'esistenza di una elettricità propria all'animale. La contestazione di questa ipotesi da parte di Alessandro Volta porterà, al termine di una lunga polemica, all'invenzione della pila [Vedere La controversia Galvani - Volta e l'invenzione della pila]
"Congetture e conclusioni"
E' questo il titolo dell'ultima parte del Commentarius in cui Galvani espone le sue conclusioni, lungamente argomentate. Mezzo secolo più tardi esse sono considerate fondamentali dal celebre fisiologo tedesco Emile Dubois-Reymond (1818-1896), che le riprende in questo modo:
1. Gli animali hanno un'elettricità che è loro specifica, detta elettricità animale.
2. Essa sarebbe emanata soprattutto dal cervello e distribuita attraverso i nervi.
3. E' la sostanza interna al nervo a condurre l'elettricità, mentre la sostanza oleosa esterna costituisce un isolante che ne impedisce la dispersione.
4. L'elettricità viene ricevuta dai muscoli, che possono essere assimilati a un gran numero di bottiglie di Leida: la superficie esterna di ogni fibra muscolare è assimilata all'armatura negativa della bottiglia e la superficie interna all'armatura positiva. L'arco conduttore è il mezzo "più efficace per provocare la scarica" di questa bottiglia di Leida.
5. Il movimento muscolare viene causato dalla scarica della "bottiglia di Leida muscolare" attraverso il nervo.
Ma Galvani, al di là di ciò che gli sembra "sufficientemente stabilito", sottolinea i punti oscuri della sua interpretazione, formula delle ipotesi e propone delle prospettive terapeutiche: - Quali sono i punti in comune e le differenze tra l'elettricità animale e l'elettricità ordinaria? L'elettricità della torpedine è diversa da quella degli altri animali o è solo più potente? [Si credeva che il forte shock provocato da questo pesce stupefacente, conosciuto fin dall'Antichità, potesse alleviare alcuni dolori e la sua natura elettrica era stata dimostrata negli anni '70 del XVIII secolo dall'inglese Walsh.]
- Cosa accade a una fibra muscolare quando si contrae? Questo è "troppo difficile da sapersi e completamente oscuro". Come agisce l'elettricità animale nel corso dell'azione meccanica su un nervo, o durante l'azione a distanza di una scintilla? E come agisce durante i movimenti volontari, comandati dal cervello? [Tutte queste questioni restano aperte].
- Alcune malattie come l'apoplessia o l'epilessia non potrebbero essere originate da degli squilibri elettrici? Le alterazioni dell'elettricità atmosferica non potrebbero avere un'influenza sulla nostra salute? Quali sono gli effetti specifici dell'elettricità positiva e dell'elettricità negativa? La comprensione dell'elettricità animale dovrebbe consentire "di trovare metodi di applicazione dell'elettricità nuovi e più utili rispetto a quelli finora adottati."
"Ma poniamo termine alle congetture", conclude Galvani, "Erano soprattutto queste scoperte intorno alle forze dell'elettricità ...nel movimento muscolare....quelle che io volevo comunicare agli scienziati.".
Ulteriori letture
GALVANI, Luigi. Commentary on the effect of electricity on muscular motion, trad. Robert Montraville Green, Cambridge, Mass. : E. Licht, 1953. [Leggere su Internet Archive]
Vedere La controversia Galvani - Volta e l'invenzione della pila
COHEN, I. B., Introduction to GALVANI, Luigi. Commentary on the effects of electricity on muscular motion, Norwalk: Burndy Library, 1953.
PERA, Marcello. The Ambiguous Frog : The Galvani-Volta Controversy on Animal Electricity, Princeton: Princeton University Press, 1996
Una bibliografia delle "fonti secondarie" sulla storia dell'elettricità.