Fyziolog Jan Evangelista Purkyně a význam fyziky pro jeho objevy

„Moje první milenka byla fyzika, které jsem se nikdy docela neodřekl „ vyznává Jan Evangelista Purkyně ve vzpomínkách na své mládí na sklonku svého života, kdy si připomínal studentská léta, v nichž vznikaly jeho plány do budoucnosti.

Purkyně studoval na piaristickém gymnáziu v Mikulově a tam se poprvé s fyzikou setkal. O náplni studia v mikulovském gymnáziu jsme přesně informováni; víme, že již In principiis, neboli v principálce, jak se první třídě tehdy říkalo, se v letním semestru na rozvrhu hodin objevil předmět Notiones rerum physicarum. Ve druhé třídě, tedy In Grammatica pokračoval v zimním běhu týž předmět. Výuce fyziky předcházelo opakování základů matematiky Aritmeticaerepetio a matematice se věnovala pozornost i v dalších ročnících.

Na mikulovském gymnáziu vyučoval fyziku a o kabinet fyzikálních přístrojů pečoval Silverius Foukal; Purkyně si jako novic piaristů zvolil řádové jméno Silverius, jeho profesor měl tedy na něho nepochybně velký vliv.

Purkyně v Mikulově skončil v roce 1804, kdy odchází do Staré Vody u Libavy a tam pokračuje ve studiu, aby se připravil na školní praxi ve svém budoucím povolání učitele, začíná v piaristické koleji ve Strážnici. Víme, že se sám učil cizí jazyky, zabýval se českou literaturou, ale především studoval díla současných filozofů.

Pro jeho budoucí život měl rozhodující význam spis Die Grundzuge uber die Bestimmung des Gelehrten, který napsal Fichte.

Ve svých vzpomínkách Purkyně píše:

„Přidalo se k tomu seznámení s filozofií Fichtovou, která živými slovy líčila povolání pravého učence ve společnosti lidské, … vzbudilo se ve mně hluboké tušení, že v přírodovědě, o níž arci jsem měl jen matné tušení, něco znamenitého vyvedu.“

„Popelka“ i fakultách

Purkyně roku 1807 vystupuje z řádu – nesložil ještě závazné řeholní sliby – a odchází do Prahy studovat na filozofickou fakultu.

V jaké formě a v jakém rozsahu se budoucí vědec setkal se svou milovanou fyzikou na univerzitě?

V prvé polovině 19. století nebylo na vysokých školách specializované studium fyziky. Na medicíně fyzika nebyla přednášena vůbec, na technice jen mechanika. Na filozofii byla přednášena fyzika ve druhém roce studií.

Pokud jde o úroveň tehdejší výuky fyziky a její kvalitu, ty ilustruje skutečnost, že profesor F. Schmidt, který tento předmět přednášel celých 25 let, nevydal ani jedinou tištěnou práci.

Atmosféru zájmu o fyziku po roce 1800 dokresluje populární publikace, kterou vydal J. Nejedlý, osvícenec a uznávaný autor českých básní, které Purkyně obdivoval. Spis vydaný roku 1806 je nazván Umění přirozených věcí.

V první polovině 19. století rakouské univerzity nepatřily k centru světové dění ve fyzice. To se týká jak Prahy, tak Vídně. Tehdejší úroveň fyziky je charakterizována tendencí ke spekulacím bez snahy o hlubší porozumění problému, přesto však čeští autoři se snažili publikovat učebnice či příručky, a tak postupně vychází v roce 1819 „Fyzika“ od P. Michálka, v roce 1825 „Přírodoskum aneb Fyzyka“ od K. Šádka a posléze v letech 1825–1828 Sedláčkovy „Základové přírodnictví“.

Výrazy „přírodoskum“, „přírodnictví“ nebo pozdější „sílozpyt“ jsou synonyma a dokazují nesnadné hledání vhodného českého názvu pro obor.

Schmidt byl vystřídán Halaškou, jehož nástupem se situace na univerzitě výrazně zlepšila (1). František Kassián Halaška (v německy psané literatuře uváděný jako Hallaschka) byl absolventem piaristických gymnázií a v roce 1802 se stává profesorem gymnázia v Mikulově. Je to doba, kdy v Mikulově studuje mladý Purkyně. Halaška byl velice aktivní, rozšířil své vzdělání na univerzitě a postupně přednášel jako profesor fyziky na univerzitě v Praze, odkud je později povolán do Vídně.

Nové osobnosti, nový styl

Halaška byl uznávaný znalec problematiky odborného a vysokého školství a byl jmenován referentem dvorské studijní komise ve Vídni pro filozofické školy, technické školy, reálky, námořní a hornické školy a lesnické akademie. Byl uznávaným odborníkem, publikačně aktivním. Již v roce 1813 vydal příručku „Elemente der Naturlehre“, kterou v Praze přepracoval na „Handbuch der Naturlehre“. Jako výrazná osobnost soudobé vědy s mezinárodním věhlasem byl nejen členem Královské české společnosti nauk od roku 1825, od roku 1827 dopisujícím členem Královské prusko-slezské společnosti pro vlasteneckou kulturu, ale o dva později i dopisujícím členem Společnosti pro přírodopis a zeměpis v Drážďanech.

Úspěšnou dráhu univerzitního profesora a organizátora školství opouští v roce 1828, kdy se stává proboštem kolegiální kapituly ve Staré Boleslavi. Umírá 12. července 1847. Před svou smrtí odkázal svou bohatou sbírku astronomických a fyzikálních přístrojů a svou knihovnu piaristické koleji v Mikulově, kde tyto přístroje tvoří dodnes součást expozice muzea Mikulovského zámku.

Významnou osobností v oboru fyziky v Praze se stal František Petřina (4), od roku 1844 profesor na filozofické fakultě. Svou vědeckou činnost věnoval téměř výhradně oblasti elektřiny a magnetizmu – měření elektrického proudu, elektrolýze, galvanickým článkům, později zdokonalení telegrafu. Byl schopný experimentátor a konstruktér laboratorních přístrojů, které si sám zhotovoval. Jako pedagog si zakládal na přednáškách doplňovaných názornými pokusy.

Ve srovnání s jinými obory se fyzika v 18. století vyvíjela se značným předstihem a ostatním přírodním vědám sloužila za jakýsi ukazatel cesty. Historici vědy zdůrazňují, že již koncem renezance došlo k extrapolaci jednoduchých fyzikálních zákonitostí do medicíny: pohyb končetin byl interpretován jako pohyb pákových soustav, oběh krve popisován ve spojitosti s aplikací hydraulických pouček apod.

Purkyněho první práce

Již v roce 1808 vzniká první Purkyňova vědecká práce. Týká se jevu, který Purkyně později sám nazval „primární zvukové obrazce“. Jde o kresby, které doplňují známé obrazce Chladniho, jež Purkyně sám nazývá obrazci sekundárními. Chladniho obrazce vznikají rozkmitáním vodorovně upevněné desky tak, že sypká hmota, která desku pokrývá, se na uzlových liniích seřadí a vytváří kresbu. Purkyně studoval obrazce, které vznikají rozkmitáním stejně upevněné desky, která je však pokryta tenkou vrstvou kapaliny. Zvlněním povrchu kapaliny vznikají současně s vyvoláním kmitu obrazce, které s jeho dozněním opět zmizí. Jde tedy o prchavý jev, tvořený velmi jemnou kresbou.

Zajímavé je, že Purkyňovi se podařilo tento prchavý jev na skleněných deskách zachytit. Purkyně se svou prací pokoušel stanovit závislost tvaru primárních obrazců na síle tónu, který rozkmitaná deska vydává (7).

Tato jeho práce nebyla nikdy vytištěna a nedochovala se ani v rukopise, přesto jsme o ní podrobně informování, dokonce z pera samého Purkyně.

Souvisí s dopisem, který Purkyně odeslal 7. února 1823 z Prahy J. W. Goethovi. List je především společenským poděkováním za laskavé přijetí, jehož se Purkyňovi dostalo v domě velkého básníka ve Výmaru i za krásné dva dny tam strávené. K dopisu je dále přiloženo několik listů poznámek a kreseb, které dokládají výsledky akustických experimentů, provedených Purkyněm.

Ve stručném pojednání, přiloženém k tomuto dopisu, píše Purkyně v úvodu, že akustické jevy studoval již v roce 1808. Napsal o nich sdělení, které odevzdal svému učiteli fyziky. Profesor Schmidt – jeho odbornou charakteristiku jsme uvedli výše – nemohl Purkyňovi poradit ani v dalším uspořádání pokusů, ani v konečné úpravě textu. Začínající vědec se neodvážil svou práci odeslat do tisku, neboť cítil, že hledaný cíl, totiž najít kvantitativní zákonité vztahy mezi výškou tónu, tvarem a hustotou „zvukových vln“ v obrazcích jím sledovaných, nebyl dokonale zpracován. Purkyně navíc Goethovi zaslal jako doklad svých experimentu obdélníková sklíčka, na nichž byly kopálovým lakem fixovány kresby dosažené v pokusech.

Purkyně ke svým pokusům používal sklíčka zřejmě vyříznutá z větších desek, patrně tehdejšího okenního skla. Měly tloušťku v rozmezí 0,9–1,6 mm, jejich plocha měla 2,45–43,20 čtverečních centimetrů. Používal prášků různých barev: červeného sirníku rtuťnatého, bílého síranu olovnatého, černého sirníku rtuťnatého. Kopálový lak užitý k fixaci dal sklíčkům žlutavé zabarvení.

Podle zachovaného popisu tyto pokusy zopakovali Skramlík a Kopecký (11). Zachycení a fixace tohoto prchavého jedu původní a vtipnou metodou představuje prvý pokus o analýzu zvuku.

Zmíněné skleněné destičky měly podivuhodný osud. Byly totiž původně v Goethově muzeu katalogizovány jako výsledky Goethových optických pokusů. Teprve nové Skramlíkovo studium Goethovy pozůstalosti upřesnilo a umožnilo správně zařadit dřevěné krabičky se sklíčky.

Purkyně a Goethe

Je však třeba vysvětlit okolnosti Purkyňovy návštěvy ve Výmaru. Podnětem k tomuto setkání byla Purkyňova doktorská dizertace. Příspěvky k poznání vidění ze subjektivního hlediska. Byla vydaná v Praze roku 1819 a vyvolala značný ohlas. Upoutala i velkého německého básníka J. W. Goetha, který se sám s velkým zájmem a zaujetím věnoval přírodním vědám. Zastával vlastní vyhraněná stanoviska v teorii barev a v otázce lomu světla, v nichž vehementně oponoval názorům Newtonovým.

Purkyňova dizertace Goetha zaujala a připravoval k této práci podrobný komentář, jak dokládají četné Goethovy poznámky vepsané do výtisku Purkyňovy dizertace. Je dodnes uložena ve Výmaru, jak nám sdělil badatelův vnuk Cyril Purkyně (7).

V roce 1822 se naskýtá možnost osobního setkání básníka a vědce. Purkyně se s podporou přátel uchází o uvolněnou stolici fyziologie a patologie ve Vratislavi. Odjíždí do Berlína, aby s odpovědnými představiteli osobně jednal. Koncem roku 1822 skutečně získal příslib svého jmenování. Při návratu do Prahy je jeho přáteli domluveno setkání s Goethem.

Setkání slavného básníka, který se sám považoval za přírodovědce, se začínajícím badatelem, jenž, mimochodem řečeno, se po celý svůj život aktivně zabýval poezií a literaturou, proběhlo velice šťastně. Goethe o Purkyňovi hovoří jako o pozoruhodném, přemýšlivém a skromném, vysoce vzdělaném muži, o osobnosti překvapující síly a píle.

Purkyně se k otázce subjektivních zrakových jevů znovu vrátil ve Vratislavi a svou publikaci vydanou v roce 1825, připsal s uctivým věnováním Goethovi. Ten v děkovném listě vyjádřil své uznání nad jasností Purkyňových výkladů i nad jeho úsilím a obětavostí, kterou vynaložil k tomu, aby přiměl přírodu odhalit svá tajemství. V tomto dopise jsou také často citována slova o pravé originálnosti, která se projevuje v tom, že jí stačí podnět, aby se aktivizovala tak, že je schopna samostatně sledovat vlastní nezávislou cestu.

Mezi přístupem Goethovým a Purkyňovým byl zásadní rozdíl. Goethe se staví k celému problému jako umělec: neuvědomuje si rozdíl mezi počitkem, dějem fyziologickým a psychologickým na jedné straně a objektivním fyzikálním dějem, který tento počitek vyvolává, na straně druhé. Purkyně naproti tomu si je jasně vědom základního rozdílu mezi fyzikálním podnětem a fyziologickým dějem smyslového vnímání (5, 6).

Purkyňovo kvalitní zázemí fyzikálních znalostí se uplatňovalo i v jeho další výzkumné práci. Z jeho ústavu ve Vratislavi vyšlo mnoho objevných histologických prací. Dokonalé využití mikroskopu i vypracování nových a zlepšení známých histologických technik vyplývá z jeho dobré znalosti optiky.

Kinesiskop, neboli pohybohled

S praktickým využitím zákonů optiky souvisí i přístroj zhotovený Purkyněm v roce 1840, jehož konstrukci usnadnily i dlouholeté zkušenosti, získané při studiu fyziologie smyslů. Již ve svých prvých pracích o vidění byl Purkyně blízko objevu stroboskopického principu. Ve Vratislavi se pak seznámil se stroboskopy. Přístroje, které zhotovil Plateau a Stampfer, zlepšil tím, že zavedl dva kotouče na společné ose, jeden obrázkový, druhý štěrbinový, přičemž odpadlo nepraktické zrcadlo. Toto zdánlivé malé zdokonalení, zavedlo do techniky oživlého obrazu poprvé rotující závěrku, která pak hrála významnou roli i v dalším vývoji a jejíž princip je dodnes užíván v kamerách a projektorech. Purkyně svůj přístroj nazval forolyt.

Po návratu do Prahy v roce 1850 Purkyně dále rozvíjí svou myšlenku a ve spolupráci s optikem Durstem vyvinul nový přístroj, který nazval kinesiskop, neboli pohybohled. Cílem Purkyňovy práce bylo umožnit promítání pohyblivých, pomocí laterny magiky zvětšených obrázků na zeď, tak, aby je mohlo sledovat více lidí současně. Protože Purkyně vynalezl způsob, jak zastavit na zlomek vteřiny štěrbinový kotouč, objevil princip krokového posunu obrázkové série.

V Riegrově Slovníku naučeném – k jehož spoluautorům Purkyně náležel – nacházíme u hesla Kinesiskop text s podrobným vysvětlením principu přístroje doplněným jasnozřivou předpovědí:

Tento strojek tak zařízen jest, že když se osa, na kteréž obrázek jest, točí, to stává se přestávkami (krokový posun), což má tu výhodu, že v tu chvíli oko předměty vidí v jejich úplném poklidu, a třeba i lupou na ně hleděti může. Tyto a jím podobné stroje nazval Purkyně kinesiskop, čili pohybohled. Tímto upravením otevřeno jest dosti široké pole mnohonásobným spůsobům upotřebení toho, možná říci, čarovného nástroje; zvláště důležito jest, že i většímu obecenstvu prostředkem svítilny magické nejrozmanitější pohyby přírodních, historických a uměleckých představení uváděti se dají, i povstane z toho zvláštní odvětví průmyslu vědeckého, ve školách i vůbec pro poučení i zábavu užitečného. Na př. z oboru fysiky dají se představiti všeliké spůsoby vlnění tekutin, zvuků, světla, nejsložitější mašiny ve svých pohybech; z oboru fysiologie pohyby srdce, oběh krve, proudění nervní, činnosti svalů; z přírodopisu pohyby velikých zvířat na zemi i ve vzduchu, nejrozmanitější hraní barev, jevy fisiognomické na tváři lidské, posuny dramatické, roštění rostlin a jiných organických těles. Nadíti se jest, že tato věc mistrnosti umělců stane se časem zvláštním odvětvím výtvarného umění, kdy již nepostačí vytvořiti jediný moment činu se vyvíjejícího, nýbrž i celý děj a celé dějství.“

Tato předpověď budoucnosti kinematografie v nepodepsaném článku je všeobecně připisována Purkyňovi. Krokový posun obrázkové série, jehož přednosti Purkyně poprvé vyslovil a přesně definoval, se stal principem platným při konstrukci filmových kamer a projektorů.

Purkyňovými pracemi z doby „kinematografického pravěku“ se systematicky zabýval J. Brichta (3). Nalezl v kabinetu reálky v Písku v roce 1937 původní Purkyňův pohybohled a v roce 1952 objevil v mnichovském technickém muzeu forolyt v inventáři nepřesně zařazený.

Třetí tón a barevný klavír

Purkyňova spolupráce s Durstem vedla k úspěšné konstrukci mikroskopu. Autoři vycházeli z koncepcí Plösslových. Dolní část mikroskopu vychází ze staršího typu Hartnackova, ale mikromechanický šroub posunuje nikoliv tubus nýbrž stolek. Objektivy jsou dva, jeden rozkládací složený ze čtyř čoček. Je možno užívat buď všechny, a to pro silnější zvětšení, a/nebo používat jen tří nebo dvou, přičemž pro zvětšení nejslabší dostačuje čočka jediná.

Čočky jsou achromatické, přičemž jejich chromatická vada není větší než u soudobých objektivů Plösslových. Silnější objektiv zvětšuje sám o sobě 45krát a s okulárem 10krát zvětšujícím lze dosáhnout 450 násobné zvětšení. Dále jsou k dispozici další dva okuláry, které zvětšují 5krát a druhý 10krát.

F. K. Studnička nalezl a popsal tento typ mikroskopu, který byl umístěný ve skříňce nesoucí na vnitřní straně víka nápis „Jan Ev. Purkyně, v Praze 1856, Ferdinand Durst“ (12).

Zájem o akustiku, který projevil Purkyně již ve své první experimentální práci, jej přivedl i ke studiu takzvaného Tartiniho třetího tónu (10).

Guiseppe Tartini, italský houslista i skladatel, ale i významný hudební teoretik žil v letech 1692– 1770. Autor mnoha koncertů a sonát uveřejnil i studie o teorii hudby, zejména o harmonii. V roce 1714 popsal své pozorování, totiž že při znění dvou konsonujících vyšších tónů, vzniká třetí hlubší tón, který s nimi tvoří dokonalý akord. Purkyně o tomto fenoménu napsal:

„Když na houslích dva vyšší souzvučné tóny čistě vyvedené a ve stejné síle déle vydržujeme, ozve se ve sluchu jakýsi hlučný třetí, souzvučný tón, jako průvodní bas. Tenť byl arci již dříve zván (Sorge, Romieu), že však od Tartiniho, svého času nejslavnějšího houslisty, se zvláštní pilností a pozorován a popsán byl, dáno mu jméno tohoto výtečníka. Mezi jiným zdál se mě míti nahoře vyložený zvuk Tartiniho jakýsi charakter subjektivnosti.

Mimo to, že co se týče jeho místnosti, zřetelně a bezprostředně poznáváme, že uvnitř ucha své sídlo má, můžeme se o tom ještě následujícím způsobem přesvědčiti.

Nechme dva čisté diskantové hlasy v intervalu velké tertio hodnou chvíli a stále se silným hlasem zazníti. Postavši se na blízko těchto hlasů, uslyšíme Tartiniho tón jako uvnitř hlavy se ozývající. Potom vzdalujme se poznenáhlu od zpěváků, postavme se brzy vlevo, brzy vpravo, naslouchejme brzo jedním, brzo druhým uchem a pokusme se udati místo, odkuď onen třetí zvuk pochází. Nepodaří se nám místnost tuto určitě udati, jak to lehce bývá, kde zvuk z objektivního zřídla pochází. Kdykoli se o to pokusíme, budeme vždycky k vlastnímu uchu vedeni jako k hlavnímu sídlu tohoto zvuku.“

Purkyně tedy uzavírá, že tento Tartiniho třetí tón je zcela subjektivní jev.

Zajímavým způsobem se Purkyňův zájem o optiku a akustiku prolíná v jeho zájmu o takzvaný barevný klavír.

Byla to představa francouzského vědce L. B. Castela (1688–1757) vycházející z domnělé shody vjemu tónu a barev, navazoval na starší představy vrcholného baroka o identitě barev a tónů. Castelův klavír byl nástroj s dvanácti klávesami v jedné oktávě, které odpovídaly sedmi hlavním barvám a pěti vedlejším. Tyto představy brzy zapadly v zapomenutí, ale Purkyně vzpomíná, jak ve svých mladých letech doslova blouznil o takovém nástroji.

* * *

Po návratu do Prahy Purkyně při slavnostním otevření fyziologického ústavu přednáší o pojmu fyziologie (9). Z jeho proslovu ocitujeme několik slov, které dobře osvětlují význam fyzikálních znalostí pro fyziologii, obor, v němž se Purkyně nejvýznamněji proslavil.

„Kostra živočicha je soustava mnohonásobných pák, jimiž jisté síly podle zákonů mechanické statiky a dynamiky hýbají. Postava celého těla, pohybování paží a rukou při rozmanitých pracích uměleckých a řemeslných, pohyby zvířecích končetin při chůzi a běhu, skákání, letu a plování, obraty krku i hlavy, spořádání rozličných řas v ústech, hýbání jazykem, změny ve světlosti průdušnic a hlasové štěrbině při mluvení a zpěvu, to vše se děje podle zprvu psaných zákonů fyziologické statiky a mechaniky. Kromě toho musí se výklad i vidění a slyšení opírat o fyzikální pravidla, čemuž fyziologická optika a akustika učí. Mokré části se pohybují dle zákonů hydrauliky“.

doc. MUDr. Otakar Brázda, CSc.
Stomatologická klinika
1 LF UK a VFN Praha
Kateřinská 32
120 00 Praha 2
e-mail: otakar.brazda@centrum.cz