Биология

Нобелевские лауреаты: Эндрю Хаксли

И снова о кальмарах

Английский нейрофизиолог и биофизик Эндрю Хаксли

Stephanie Wolek/NIH/Keystone/Getty Images/Indicator.Ru

Кого звали «бульдогом Дарвина», как его внук повторил его судьбу, а также как арифмометр и прибор для записи токов ионов помогли приблизить церемонию в Стокгольме, рассказывает новый выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Сэр Эндрю Филдинг Хаксли

Родился 22 ноября 1917 года, Лондон, Великобритания

Умер 30 мая 2012 года, Лондон, Великобритания

Нобелевская премия по физиологии или медицине 1963 года (1/3 премии, совместно с Аланом Ходжкином и Джоном Экклсом). Формулировка Нобелевского комитета: «За открытия, касающиеся ионных механизмов возбуждения и торможения в периферических и центральных участках нервных клеток (for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane)».

В выпуске про Ходжкина мы упомянули о его необычайно интеллектуальной «крови». Однако наш нынешний герой в этом своего коллегу значительно переплюнул.

Посудите сами. Отец — школьный учитель и писатель Леонард Хаксли, дед — знаменитый зоолог, известный своей ярой защитой эволюционной теории Чарльза Дарвина Томас Хаксли (за свои пламенные дискуссии он даже поймал прозвище «бульдог Дарвина»). Интересно, что почти все дети Томаса (трое сыновей и четыре дочери) также добились в жизни неплохих результатов — младший брат Леонарда стал толковым врачом общей практики, одна из дочерей обнаружила в себе талант художника, а их с инженером — строителем железных дорог Альфредом Эккерслеем сыновья стояли у истоков радио.

От предыдущего брака отца Эндрю получил в сводные братья Олдоса Хаксли, известного миру по коллекции острых новелл и антиутопии «О дивный новый мир», а также Джулиана Хаксли — автора синтетической теории эволюции и первого генерального директора, по сути — основателя ЮНЕСКО и создателя WWF.

Джулиан Хаксли

Baron/Getty Images

С юных лет Эндрю, младший из сыновей от второго брака Леонарда с Розалиндой Брюс, горел интересом к различного вида механизмам. Мудрые родители видели пыл ребенка и подкрепили его, подарив мальчику на 14 лет токарный станок. Как потом оказалось — совсем не зря, ведь первые неловкие опыты уже вскоре вылились в сборку двигателя внутреннего сгорания, а в дальнейшем умение собирать подсобное оборудование своими руками сильно помогло Хаксли в его научной работе. Совершенствованию навыков в обработке дерева и металла способствовала Розалинда, очень умелая в рукоделии и резьбе по дереву.

В школе Университетского колледжа Лондона и Вестминстерской школе были все возможности для того, чтобы получить внушительный багаж знаний. Эндрю был так успешен, что выиграл стипендию в Тринити-колледж в Кембридже, куда и поступил в 1935 году. У него даже не было сомнения, чем он будет заниматься — физика и математика манили, а сам он мечтал стать инженером. Однако, как это обычно водится, свою роль сыграл случай.

Первые два года образования предполагали, что студент будет заниматься не только основными дисциплинами, но и возьмет элективный курс. Из всего предложенного по душе Эндрю пришлась лишь физиология. Он прекрасно помнил чаяния своего деда, Томаса Хаксли, который тоже в свое время мечтал быть инженером-механиком, но увлекся физиологией и уже не смог от нее оторваться. Удивительно, как бывают схожи судьбы родных. С Эндрю приключилась та же история — физиология увлекла его с головой, не оставив физике шансов. Хотя он не раз впоследствии пользовался ее услугами.

«Мой последующий интерес к физиологии точно описывается фразой "машиностроение живых машин", и существенной частью моей работы было проектирование и конструирование инструментов, необходимых для моих исследований», — писал Хаксли в своей автобиографии.

Два следующих года — 1937 и 1938 — Эндрю занимался анатомией, даже намереваясь получить медицинскую степень. Однако на последнем курсе он встретил Ходжкина, который к тому моменту уже вернулся из США, полный знаний и желания изучать электрические свойства мембран нервных клеток и принцип прохождения по ним электрического импульса. Алан настолько воодушевляюще рассказывал о своих планах, что Хаксли, на тот момент увлеченный нервной системой с подачи лауреата Нобелевской премии по физиологии или медицине 1932 года Эдгара Дугласа Эдриана, принял решение присоединиться к нему.

Ходжкин уже понимал, аксон какого живого существа может дать им максимум информации. Он представлял дизайн исследования, но эксперименты были слишком сложными технически — ему не хватало физического инструментария, сборкой которого как раз в совершенстве владел Хаксли. Вместе они отправились в лабораторию Морской биологической ассоциации в Плимуте и в течение нескольких месяцев занимались опытами на гигантских аксонах прибрежного кальмара Doryteuthis pealeii, составлявших почти миллиметр в диаметре — на порядки раз больше, чем у мыши или человека. Для этого Хаксли даже придумал и смастерил voltage clamp — некое подобие (очень раннее) инструмента, который сейчас носит название patch-clamp, или метода локальной фиксации потенциала. Впоследствии за его изобретение в 1991 году даже дадут Нобелевскую премию по физике.

Смысл метода заключался в том, чтобы изолировать участок мембраны клетки и постараться записать токи ионов, проходящие сквозь него, причем не только в покое, но и при возбуждении нейрона, что было очень сложно, ведь оно длилось всего несколько секунд. Тем не менее это осуществить получилось.

Однако после публикации промежуточных результатов — скорее, даже методологии эксперимента — в журнале Nature в 1939 году ученым пришлось на некоторое время расстаться и забросить свои научные экзерсисы. Надвигалась Вторая мировая война, и крепкие технические умы понадобились на фронте. Хаксли рекрутировало британское зенитное командование, там он работал над радарным управлением зенитными орудиями. Позже его перевели в Адмиралтейство для работы с военно-морской артиллерией.

Продолжить изучение нейронов удалось только в 1946 году. В течение шести последующих лет исследование трех физиологов (к ним присоединился Бернард Кац, тоже ставший лауреатом Нобелевской премии, но в 1970 году) разрешило загадку, берущую свое начало еще в 1771 году, когда Луиджи Гальвани воздействовал на лапку мертвой лягушки электричеством, заставляя ее дергаться. Уникальность работы проявлялась еще и в том, что выводы, которые сделали Ходжкин и Хаксли, были чисто теоретическими, основанными на измерениях.

Они предположили, что для генерации потенциала действия электрически заряженные атомы, называемые ионами, должны перемещаться через шарнирные ворота (каналы) в клеточной мембране. При этом мембрана изнутри и снаружи должна быть заряжена по-разному — и из-за разницы этих потенциалов, по их мнению, как раз рождался ионный ток. Причем более тяжелые и крупные ионы натрия могли войти в аксон через предназначенные для них ворота только тогда, когда разница потенциалов уменьшалась до определенного порога.

Как только порог достигался, одновременно открывались все ворота для натрия, он устремлялся внутрь клетки, и заряд мембраны резко менялся на противоположный. Затем баланс снова так же быстро восстанавливался, а ионы натрия удалялись через специальный ионный насос, работающий на энергии клетки. Одновременно с ними тем же насосом в клетку закачивались «убежавшие» из нее во время электрического импульса ионы калия.

Ни один прибор в то время не был способен обнаружить ионные ворота. Поэтому в качестве проверки своих объяснений ученые разработали ряд дифференциальных уравнений, чтобы увидеть, могут ли законы физики предсказать изменения напряжения на мембране, которые они наблюдали в своих экспериментах с кальмарами. И тут математический гений Хаксли безупречно сыграл свою партию.

«EDSAC I, первый электронный компьютер в Кембридже (и один из первых в мире), не был доступен в то время, потому что его модернизировали, поэтому я делал вычисления вручную», — писал исследователь в автобиографии. Российский биофизик Андрей Цатурян, который лично с ним общался, рассказал авторам этого текста, что, по словам Хаксли, очередь на компьютер выстроилась на многие месяцы. Ходжкин согласился подождать, а вот конкретно Хаксли так сильно горел желанием проверить свои умозаключения, что приступил к вычислениям вручную, при помощи арифмометра. «Конечный результат был удовлетворительно похож на потенциалы действия, зарегистрированные на реальных волокнах», — заключал ученый.

Серию статей, в последней из которых была полностью описана модель Ходжкина — Хаксли, ученые опубликовали в 1952 году. Их ионная гипотеза, существенно не изменившаяся и по сей день, помогла решить один из ведущих вопросов нейронауки того времени. Она объясняла ошеломляющие эффекты анестетиков, которые блокируют ионные каналы, и дала старт созданию устройств, которые используют нейронное электричество для работы протезов конечностей. Их исследование также привело к идентификации целой группы генетических заболеваний — каналопатий, которые развиваются из-за дефектов в ионных «воротах».

На этом Хаксли не остановился. С 1946 по 1951 год, во время основной работы в сотрудничестве с Ходжкиным, он начал трудиться над миелиновыми нервными волокнами. А после завершения работы над моделью в 1952 году он обратил свой научный взор на сокращение мышц и даже разработал интерференционный микроскоп для изучения рисунка исчерченности в изолированных мышечных волокнах. Этим направлением он занимался до конца жизни. Кроме того, он также разработал микротом для секций электронного микроскопа и микроманипулятор.

В 1980 году он продолжил знаменитую традицию, по которой выдающиеся «нейронобелиаты» возглавляли Королевское научное общество. Мы уже писали о том, что сэр Чарльз Шеррингтон был 44-м президентом (1920–1925), сэр Генри Дейл — 48-м (1940–1945), Эдгар Дуглас Эдриан, первый барон Эдриан, — 50-м, сэр Алан Ходжкин, ученик Эдриана, — 54-м (1970–1975). Сэр Эндрю Филдинг Хаксли стал 56-м Президентом старейшего научного общества мира.

Автор: Анна Хоружая

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.