Die Entdeckung des Froschschenkel-Nervenzuckens durch Luigi Galvani im späten 18. Jahrhundert war ein Meilenstein in der Erforschung der Elektrizität und führte zu einem wissenschaftlichen Disput, der die Welt veränderte. Dieser Artikel beleuchtet die Ursachen dieses Phänomens, die Experimente Galvanis und Voltas sowie die Auswirkungen auf die moderne Wissenschaft und Technologie.
Die Entdeckung des Froschschenkel-Nervenzuckens
Luigi Galvani, ein italienischer Arzt und Anatomieprofessor in Bologna, führte ab 1780 Experimente zur Nervenreizung durch. Dabei machte er eine zufällige Entdeckung: Ein präparierter Froschschenkel zuckte zusammen, wenn gleichzeitig an einer in der Nähe befindlichen Elektrisiermaschine ein Funken übersprang.
In der ersten Biografie des Luigi Galvani wird berichtet, dass diese Beobachtung nicht von ihm, sondern von seiner Frau Lucia Galeazzi, der Tochter eines Professors, gemacht wurde. So soll es in Bologna Stadtgespräch gewesen sein und auch Inhalt eines Sonetts:
Sie wars, nicht Du, die neue LebenstriebeIn hautentblösster Frösche Gliedern fand.
Galvani untersuchte diese Erscheinung weiter und fand heraus, dass der Froschschenkel auch dann zuckte, wenn er mit einem Kupferhaken an einem Eisengitter hing und dieses berührte.
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Galvani beschrieb seine Beobachtungen über die tierische Elektrizität folgendermaßen:
Dann brachte ich aber das Tier in einen geschlossenen Raum und legte es dort auf eine Eisenplatte; und als ich die Platte mit dem in das Rückenmark eingeführten Kupferhaken berührte, beobachtete ich dasselbe krampfartige Zucken wie vorher. Versuche mit anderen Metallen zu verschiedenen Stunden und an verschiedenen Tagen ergaben ähnliche Ergebnisse.
Versuche mit Nichtleitern, wie z. B. Glas, Harz, Steinen und trockenem Holz ergaben keine Wirkungen. Das war ziemlich überraschend und erweckte in mir den Verdacht, es könnte die Elektrizität im Tier selbst vorhanden sein. Dieser Verdacht wurde auch von einer Beobachtung bekräftigt, daß nämlich eine gewisse Art von Strömung subtilen Nervenfluidums (ähnlicher Art, wie das Strömen elektrischen Fluidums in den Versuchen mit Leidener Flaschen) den Nerv mit dem Muskel verbindet, wenn die Zusammenzuckungen auftreten.
(Aus GALVANI: De viribus electricitatis in motu musculari commentarius, 1791)
Galvanis Theorie der tierischen Elektrizität
Galvani deutete diese Erscheinung als "tierische Elektrizität" und vermutete die Quelle der Elektrizität im Muskel selbst. Er glaubte, dass eine Art von Nervenfluidum, ähnlich dem elektrischen Fluidum in Leidener Flaschen, den Nerv mit dem Muskel verbindet und die Zusammenzuckungen verursacht.
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Er folgerte, dass die Ursache für die Bewegung des Froschschenkels in diesem selbst lag. Er bezeichnete die vom Frosch ausgehende Elektrizität als animalische Elektrizität.
Voltas Widerlegung und die Erfindung der Batterie
Alessandro Volta, ein Physikerkollege Galvanis, griff dessen Theorie der tierischen Elektrizität an. Er argumentierte, dass die Elektrizität nicht vom Tier selbst, sondern von den verwendeten Metallen erzeugt wird.
Volta führte eigene Experimente durch und entdeckte, dass Elektrizität entsteht, wenn zwei unterschiedliche Metalle in Kontakt miteinander und mit einer leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt) stehen.
Im Jahr 1800 mündeten diese Erkenntnisse in die Erfindung der ersten Batterie, der Voltaschen Säule. Volta schichtete Kupfer- und Zinkscheiben übereinander und platzierte dazwischen in Salzlösung getränkte Filzstückchen. Dadurch entfaltete sich zwischen den Metallplättchen eine chemische Wirkung, die elektrische Ladung von der einen zur anderen Metallsorte beförderte. Als Volta die Scheiben mit einem Draht verband, floss ein Strom.
Volta beschrieb den Aufbau seiner Säule wie folgt:
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"Ich beschaffte mir einige Dutzend kleiner runder Platten oder Scheiben aus Kupfer, Messing oder besser Silber, . . . und eine gleiche Anzahl Platten von Zinn oder was noch viel besser ist, Zink, von annähernd gleicher Gestalt und Größe; . . . man muss nur Acht geben, dass man sie bequem über einander in Gestalt einer Säule ordnen kann. Ich verfertige außerdem eine genügende Zahl runder Scheiben von Pappe, Leder oder anderem porösen Material, welches fähig ist, viel Feuchtigkeit oder Wasser aufzunehmen oder zurückzuhalten, womit sie gut getränkt sein müssen, damit der Versuch gelingt".
Weiter schreibt er an anderer Stelle:
"Ich lege also horizontal auf einen Tisch oder irgend eine andere Unterlage eine der metallischen Platten z.B. eine von Silber und auf diese passe ich eine von Zink, hierauf lege ich eine der feuchten Platten, darauf eine zweite Silberplatte, worauf unmittelbar eine von Zink folgt, auf die ich wieder eine feuchte Platte lege."
Der wissenschaftliche Streit zwischen Galvani und Volta
Die unterschiedlichen Interpretationen des Froschschenkel-Nervenzuckens führten zu einem heftigen wissenschaftlichen Streit zwischen Galvani und Volta. Die wissenschaftliche Gemeinschaft spaltete sich in "Galvanisten", die an die tierische Elektrizität glaubten, und "Voltaisten", die Voltas Theorie der metallischen Elektrizität unterstützten.
Volta, Professor für Physik, kam zu einer ganz anderen Erkenntnis als die Mediziner: »Es ist klar, dass die Ursache dieses elektrischen Stromes die Metalle selbst sind, sie sind im eigentlichen Sinn Erreger und Motoren der Elektrizität, während das thierische Organ, ja die Nerven selbst, passiv sind.« Nach der Auffassung Voltas wurde die Elektrizität nicht von den Muskeln und Nervenfasern erzeugt, sondern von den beiden Metallen, die sich berührten.
Volta ordnete die Metalle in einer »Spannungsreihe« nach der Heftigkeit ihrer elektrischen Reaktionen. Als Messinstrument benutzte er seine Zunge. Brachte man sie mit zwei unterschiedlichen Metallen in Berührung, machte sich die Elektrizität als prickelnder saurer Geschmack bemerkbar.
Voltas Triumph und die Anerkennung seiner Leistung
Voltas Erfindung der Batterie revolutionierte die Erforschung der Elektrizität. Er wurde nach Paris eingeladen, um seine Säule Napoleon vorzuführen. Dieser war von Voltas Erfindung begeistert und verlieh ihm eine Goldmedaille und Ehrungen.
Die Voltasche Säule war die erste Apparatur, die kontinuierlich Strom liefern konnte und trieb die Erforschung der Elektrizität deutlich voran. Sie ermöglichte Experimente zur Wasserzersetzung und zur Erzeugung von Wasserstoff.
Napoleon Bonaparte, entschied den Streit der Wissenschaftler seine Weise. Er forderte Volta auf, in einer Sondersitzung der »Academie Royale des Sciences«, seine Experimente vorzuführen. Im Gegensatz zu den Wissenschaftlern war Napoleon von den Vorführungen Volta begeistert. Er schlug vor, Volta für seine wissenschaftlichen Leistungen Goldmedaille zu verleihen. Hochgeehrt kehrte Volta nach Italien rück. Er wurde zum Senator ernannt 1810 von Napoleon sogar in den Adelstand erhoben.
Galvanis Vermächtnis
Obwohl Volta den wissenschaftlichen Streit gewann, blieb Galvanis Name in der Wissenschaft erhalten. Der Begriff "Galvanismus" wird heute noch für die Erzeugung von elektrischem Strom durch chemische Reaktionen verwendet.
Der Name Galvanis ist heute u. a. Name wurde zur physikalischen Einheit erhoben.
Die moderne Sicht auf das Froschschenkel-Nervenzucken
Aus heutiger Sicht ist das Froschschenkel-Nervenzucken auf die elektrochemischen Prozesse im Körper des Frosches zurückzuführen. Das Salzwasser im Gewebe der Froschschenkel wirkt als Elektrolyt und ermöglicht den Fluss von Ionen zwischen den Metallen. Dieser Ionenfluss erzeugt einen elektrischen Strom, der die Muskeln zur Kontraktion anregt.
Die Froschschenkelkontraktion ist im lebenden Frosch, die Reaktion des Froschschenkelmuskels auf einen elektrischen Nervenimpuls, oder besser gesagt auf ein Aktionspotenzial in einer motorischen Nervenzelle, die diesen Muskel innerviert. (Natürlich handelt es sich nicht nur um eine sondern um mehrere Nervenzellen, die das tun.) Ein Aktionspotenzial entsteht in der Nervenzelle dadurch, dass sich Natriumkanäle der Membran öffnen, sodass Natriumionen von außen in das Zellinnere einströmen können. Die Natriumionen werden durch zwei Kräfte angetrieben: erstens durch den Konzentrationsgradienten der Natriumionen, der ja von außen nach innen weist, und zweitens durch den elektrischen Gradienten. Die negativen Ladungen des Zytoplasmas, im Inneren der Zelle, ziehen die positiven Natriumionen elektrostatisch an. Die Natriumionen gelangen durch Ionenkanäle in die Zelle. Für die Ausbildung von Aktionspotenzialen sind die spannungsgesteuerten Natriumionen-Kanäle wichtig. Diese sind so gebaut, dass sie bei einem Membranpotenzial von -70 mV, dem Potenzial einer ruhenden Nervenzelle, verschlossen sind. Es gibt aber einen Schwellenwert, bei dem sich diese Kanäle öffnen. Dieser liegt im Bereich um die -40 mV. Wird der Schwellenwert überschritten, öffnet sich der Kanal. Wird der Schwellenwert nicht erreicht, öffnet sich der Kanal nicht. Hier gilt also das berühmte Alles-Oder-Nichts-Gesetz.
Die Bedeutung der Entdeckung für die moderne Technologie
Die Entdeckung des Froschschenkel-Nervenzuckens und die Erfindung der Batterie waren entscheidend für die Entwicklung der modernen Elektrotechnik und Elektronik. Batterien sind heute allgegenwärtig und treiben Smartphones, Notebooks, Elektroautos und viele andere Geräte an.
Erst ab circa 1830 nutzte man die Batterie in der Technik, zum Beispiel für die Stromversorgung von Telegrafen.
Smartphones, Notebooks, Elektroautos: all das kann nur funktionieren, weil es Batterien gibt.
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