Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

2. Нормальное распределение тонуса. У живого животного не только эти мышцы обладают тонусом, но и другие мышцы тела, в особенности их антагонисты, то есть сгибатели. Между этими двумя наборами мышц существует определенный баланс тонуса, так что ни один из них не получает тонуса слишком много или слишком мало.

3. Поза. Положение различных частей тела должно гармонировать между собой; если одна часть тела смещается, остальные тоже меняют положение так, чтобы в результате каждого начального смещения возникали различные хорошо сбалансированные позы.

4. Функция выпрямления. Если в результате собственных активных действий или действия какой-то внешней силы тело животного выводится из обычной позы покоя, то в дело вступает серия рефлексов, при помощи которых тело вновь принимает нормальную позу^{17}.

«Функция выпрямления» в исследовании Магнуса относилась первоначально к тем рефлексам, которые поддерживают стоячую позу животного, а не к кошачьему рефлексу переворачивания в воздухе, хотя Магнус быстро связал одно и другое. В этом исследовании ему помогал Адриан де Клейн — голландский исследователь, поступивший помощником в лабораторию Магнуса в 1912 г., и Г. Г. Й. Радемакер — голландский хирург, присоединившийся к коллективу исследователей много позже. В 1922 г. ключевым результатом их исследования стало открытие того, что мы сегодня называем шейными рефлексами Магнуса — де Клейна. Это набор проприоцептивных рефлексов, запускаемых поворотом головы: конечности на той стороне тела, куда поворачивается голова, напрягаются, а конечности на противоположной стороне расслабляются. Этот рефлекс проявляется сильнее всего у животных, испытывающих децеребральную ригидность, и считается частью функции выпрямления: если голова животного поворачивается в одну сторону, то животное изменяет тонус своих мышц таким образом, чтобы не упасть в ту же сторону. Ученое сообщество сочло эту работу такой значимой в науке о рефлексах, что до безвременной кончины Магнуса в 1927 г. в возрасте 53 лет Магнус и де Клейн считались серьезными претендентами на Нобелевскую премию по физиологии.

Исследование шейных рефлексов Магнус проводил в основном на кошках, так что в качестве следующего естественного шага он попытался разобраться, не играют ли эти самые шейные рефлексы какую-либо роль в запуске рефлекса переворачивания у кошки в свободном падении. Магнус опубликовал исследования на эту тему в 1922 г. в статье под заголовком «Как падающая кошка переворачивается в воздухе»^{18}.

Для проверки своей гипотезы Магнусу потребовались собственные высокоскоростные фотографии падающей кошки. Магнус, хотя и слышал о работе Марея, первоначально не имел доступа к его изображениям, поэтому в конечном итоге он начал делать фотографии сам. Ученый использовал для этого систему камер, приобретенную у Генриха Эрнеманна — антрепренера, который еще в 1904 г. начал производить кинокамеры для любителей; технология кинопроизводства полным ходом двигалась к коммерциализации. Опубликованные Магнусом изображения показаны на рисунке.

В статье Магнус описывает процесс работы шейного рефлекса:

Согласно сказанному, реакция в свободном падении связана с лабиринтом головы, посредством которого голова отворачивается от нормального положения. После поворота возникает шейный рефлекс, посредством которого тело поворачивается вслед за головой, сначала грудной клеткой, затем тазом. Таким образом, происходит чрезвычайно быстрое винтовое движение животного, которое начинается с головы.

Говоря коротко, Магнус представил себе, что ускорение «лабиринта» (еще одно название для области расположения вестибулярной системы) заставляет кошку начать поворот головы. Этот поворот головы запускает шейный рефлекс Магнуса — де Клейна, который вынуждает остальное тело следовать за головой в повороте, более или менее заставляя кошку целиком закручиваться в штопор, пока ее тело не окажется в правильном положении.

Магнус не был физиком, и мы увидим, что его объяснение данного рефлекса противоречит не одному, а двум различным физическим принципам: принципу эквивалентности и закону сохранения момента импульса. Доказать это предстояло лишь десятилетие спустя, но в результате последовавших испытаний удалось распознать недооцененное ранее, но принципиально важное движение, которое использует кошка для переворачивания в падении.