Текст книги "Нобелевские премии по физиологии или медицине за 100 лет"

ДЖОН КЭРЬЮ ЭКЛС, Австралия

(Sir JOHN CAREW ECCLES)

1903–1997

АЛАН ЛЛОЙД ХОДЖКИН, Великобритания

(ALAN LLOYD HODGKIN)

1914–1998

ЭНДРЮ ФИЛДИНГ ХАКСЛИ, Великобритания

(ANDREW FIELDING HUXLEY)

1917

1906

1932

1936

1938

1944

1949 (а)

1963

1970

1973

1981 (а)

2000

ФОРМУЛИРОВКА НОБЕЛЕВСКОГО КОМИТЕТА: «за открытия, касающиеся ионных механизмов, участвующих в возбуждении и торможении в периферической и центральной частях мембраны нервной клетки».

СУТЬ ОТКРЫТИЯ: за детальное описание электрических процессов, осуществляющихся в мембране нейрона, благодаря которым происходит его возбуждение (Ходжкин и Хаксли); и за раскрытие механизма проведения возбуждения от одного нейрона к другому (Эклс).

ПРЕДЫСТОРИЯ

Еще в конце XVIII столетия Луиджи Гальвани (Luigi Galvani, 1737–1798) показал, что нервные импульсы имеют электрическую природу В середине XIX века немецкий физиолог Эмиль Генрих Дюбуа-Реймон (Emil Henrich Dubois-Reymond, 1818–1896) установил, что нервный импульс является волной отрицательных электрических зарядов, распространяющейся вдоль нерва. Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (Herman Ludwig Ferdinand Helmholtz, 1821–1894) проделал первые измерения средней скорости распространения возбуждения по нервному стволу.

В 1920-е годы Эдриан (Нобелевская премия 1932 года) установил, что нейроны генерируют целые серии подобных импульсов. В каждом отдельном волокне нервный импульс имеет постоянную величину, но чем больше сила раздражителя, тем больше частота импульсов, проходящих по нерву.

В начале XX века И. Бернштейн (J. Bernstein) в Германии высказал гипотезу о том, что нервная клетка в покое, подобно гальваническому элементу, обладает электрическим зарядом. Бернштейн также предположил, что в момент возбуждения проницаемость клеточной мембраны для заряженных частиц увеличивается, заряд мембраны резко меняется (эту перемену заряда он назвал потенциалом действия). Центральное место в гипотезе занимало положение о том, что возбуждение распространятся в виде электрического тока. В соответствии с этим потенциал действия представлялся не просто внешним проявлением возбуждения, а его носителем.

Эрлангер и Гассер (оба – Нобелевская премия 1944 года) усовершенствовали в 1922 году катодно-лучевой осцилограф. а в 1932 году и усилитель импульсов; они записали, наконец, потенциалы действия в виде, дававшем возможность их анализа.

Еще в 1897 году Шеррингтон (Нобелевская премия 1932 года) ввел в нейрофизиологию понятие синапс, то есть контакт между двумя возбудимыми клетками. В конце 1920-х – начале 1930-х годов Лёви и Дейл (оба – Нобелевская премия 1936 года) показали, что проведение сквозь синапс может осуществляться химическим путем: мембрана возбужденной клетки выделяет молекулы ацетилхолина, которые проходят сквозь синапс и вызывают возбуждение другой клетки. Хотя эти факты были хорошо обоснованы, оставалось много неясного. Например, только ли ацетилхолин выполняет функцию трансмиттера (передатчика возбуждения), или существуют и другие трансмиттеры? Не слишком ли высока скрость передачи возбуждения сквозь синапсы для химического процесса?

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ:

ХОДЖКИН И ХАКСЛИ

В 1932 году, поступив в Тринити-коледж в Кембридже, Ходжкин заинтересовался строением и функциями нервов и начал читать книги Эдриана (Нобелевская премия 1932 года), Хилла (Нобелевская премия 1922 года) – эти авторы в разное время были сотрудниками Тринити-колледжа. Узнав о мембранной теории Бериштейна, Ходжкин решил проверить ее простым экспериментом. По совету Эдриана Ходжкин использовал для исследований аксон (длинный отросток) крупного нейрона морского краба. В 1938 году Ходжкин по рекомендации Хилла отправился к Гассеру (Нобелевская премия 1944 года) в Рокфеллеровский институт в Нью-Йорке. По дороге он заглянул в Институт океанографии, где ему посоветовали использовать описанный еще более крупный аксон кальмара (его диаметр в три раза больше, чем у аксона краба).

К этому времени в Институте существовало устройство, позволявшее измерять электропроводность мембраны во время прохождения возбуждения по аксону и наблюдать ее изменение на экране электронно-лучевой трубки. Ходжкин назвал, проведенные с помощью этой методики эксперименты «сенсационными». Их результаты показывали, что при возбуждении электропроводимость клеточной мембраны резко повышается. Это указывало на увеличение проницаемости ее для ионов. Но какие именно это были ионы, оставалось выяснить.

Бернштейн и др. предполагали, что при возбуждении мембрана как бы повреждается. Но если это действительно так, то максимум потенциала действия не должен был превышать потенциал покоя. После возвращения Ходжкина в Англию он привлек к работе Хаксли, в это время заканчивавшего обучение в Тринити-колледже. В начале 1939 года они проверили эту часть гипотезы Бернштейна в опытах на аксоне краба, соединенном через усилитель постоянного тока с катодной лучевой трубкой. К большому удивлению экспериментаторов величина потенциала действия (например, 73 мВ) оказалась значительно больше потенциала покоя (37 мВ). Это указывало на участие в процессе, кроме ионов калия, еще какого-то фактора. Ходжкин и Хаксли предполагали, что это были ионы натрия. Летом того же года они уже работали в Морской биологической лаборатории в Плимуте на аксонах кальмара, но прежде, чем результаты были опубликованы, разразилась война.

По возвращении к мирной жизни Ходжкин и Хаксли благодаря поддержке Эдриана получили возможность продолжить работу. К ним присоединился Кац (Нобелевская премия 1970 года), ранее работавший в Австралии под руководством Эклса, и в 1947 году они вместе проверили «натриевую гипотезу». Значительным подспорьем стало использование стеклянных микропипеток, диаметр кончика которых составлял 2 мкм. Это позволяло ввести его внутрь клетки, существенно не повреждая ее. Такие пипетки использовали для введения в клетку различных растворов и в качестве электрода для измерения потенциалов мембраны.

В результате совместной работы было установлено, что в покое мембрана возбудимой клетки обладает высокой проницаемостью для ионов калия и низкой – для ионов натрия. Неравенство концентраций этих ионов внутри клетки и снаружи приводит к появлению электрического заряда клеточной мембраны – потенциала покоя. Возбуждение сопровождается резким повышением натриевой проницаемости небольшого участка клеточной мембраны, что приводит сначала к выравниванию заряда, и сразу же – к его реверсии. После этого натриевая проницаемость быстро возвращается к исходному уровню, а калиевая – относительно медленно нарастает, приводя к восстановлению исходного потенциала покоя. Ходжкин и Кац дали математическое описание этого процесса (основанное на формуле Нернста), Хаксли придал описанию окончательную форму. К 1952 году основная часть работы была закончена, формулы достаточно точно описывали экспериментальные данные.

В 1960 году Ходжкин с сотрудниками записали потенциалы действия в гигантском аксоне кальмара, из которого они удаляли аксоплазму (цитоплазму аксона) и взамен заливали различные ионные растворы. При заполнении волокна раствором калия получалась картина, близкая к нормальной, при заполнении раствором натрия – обратная нормальной.

ЭКЛС

Эклсу данные о химической передаче возбуждения через синапсы казались неубедительными, ему была ближе идея электрической передачи. Накануне Второй мировой войны он вместе с Кацем (Нобелевская премия 1970 года) и Стефеном У. Куффлером (Stephen W. Kuffler, 1913–1980) воздействовал различными веществами на синапсы, через которые возбуждение передается от нервов к мышцам. Он изучал, как при этом изменяется проведение возбуждения. К 1942 году Эклс вынужден был признать, что передача в данном виде синапсов действительно может осуществляться с помощью ацетилхолина. Потом Эклс был занят работой оборонного характера, но в 1944 году, переехав в Новую Зеландию, продолжил исследования, используя синапсы между нейронами спинного мозга кошки. На этот раз он окончательно убедился в своей ошибке: передача возбуждения через синапс осуществлялась действительно химическим путем. Известный философ Карл Поппер (Sir Karl Popper, 1902–1975) убедил Эклса в том, что опровержение собственных гипотез как раз и является истинным двигателем знания.

Эклс обнаружил, что при прохождении возбуждения через синапс на постсинаптической мембране образуется возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП). Несколько таких ВПСП, образованных работой близко расположенных синапсов, могут складываться, и когда их суммарная величина достигает критического (порогового) уровня, возникает потенциал действия, который затем распространяется до следующего синапса и так далее. Не менее важным было открытие тормозных синапсов. В них на постсинаптической мембране образуется тормозным постсинаптический потенциал (ТПСП) за счет открытия хлорных ионных каналов, усиливающий заряд клеточной мембраны, в результате чего она становится менее возбудимой. ВПСП и ТПСП складываются алгебраически, и в зависимости от того, какой из постсинаптических потенциалов преобладает, происходит или не происходит возбуждение клетки. Так Эклс окончательно опроверг свою же гипотезу электрического проведения возбуждения в синапсах.

ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

Результаты работ Ходжкина, Хаксли и Эклса в сумме с прежними достижениями Лёви и Дейла (оба – Нобелевская премия 1936 года) удивительно точно сложились в единую картину, благодаря которой стало ясно, как возбуждение возникает, как проводится, как передается на другую клетку, как затормаживается и многое другое. То, что было талантливой догадкой Бернштейна и его последователей, было проверено, доказано и уточнено.

Из работ Ходжкина, Хаксли, Эклса и их коллег возникла новая область физиологии – электрофизиология нервной и мышечной систем, на результаты которой широко опирается современная клиническая неврология. Открытая Эклсом возможность воздействовать различными веществами на синаптическую передачу создала основу для разработки тысяч лекарственных препаратов – миорелаксантов, гипотензивных, транквилизаторов и многих других. Без них невозможно представить себе современную фармакологию (особенно психофармакологию) и фармацевтическую промышленность. Применение этих средств продлило жизнь десяткам, если не сотням, миллионов людей.

БИОГРАФИИ:

ЭКЛС

Эклс родился 27 января 1903 года в Мельбурне, Австралия, в семье Уильяма Джеймса Эклса (William James Eccles) и Мери Кэрью (Mary Carew). Начальную подготовку он получил дома: его родители были школьными учителями. В 1925 году он с отличием окончил медицинский факультет Мельбурнского университета и, получив стипендию Родса, отправился в колледж Св. Магдалины, Оксфорд, Англия, для завершения образования под руководством Шеррингтона (Нобелевская премия 1932 года). В 1927 году, получив за работу в области естествознания стипендию и грант для молодых исследователей, Эклс начал работать у Шеррингтона над исследованием рефлексов. С 1928 по 1931 годы он помогал Шеррингтону и опубликовал с ним несколько совместных работ. Эклс сотрудничал также с Гранитом (Нобелевская премия 1967 года) в двух научно-исследовательских работах. В 1929 году в Оксфорде Эклс получил степень доктора философии за диссертацию, посвященную механизмам возбуждения и торможения. Дальнейшие исследования Эклса в Оксфорде касались синаптической передачи в центральной нервной системе и периферических симпатических ганглиях. В этих работах он использовал недавно созданные методы, основанные на применении усилителей и осциллографов. Это был период, когда конкурировали несколько химических и электрических теорий синаптической передачи.

В 1937 году Эклс вернулся в Австралию, чтобы возглавить небольшое медицинское исследовательское отделение в Сиднее, где ему посчастливилось сотрудничать с Кацем (Нобелевская премия 1970 года) и Куффлером. Этот период с 1937 по 1943 годы был посвящен электрофизиологическому анализу нервно-мышечных контактов у кошек и лягушек. Позднее и до конца войны Эклс занимался только прикладной наукой, связанной с военными целями. Впоследствии как профессор физиологии в университете Отаго в Новой Зеландии (1944–1951) он возвратился к изучению синаптической передачи в центральной нервной системе. В 1951 году Эклс вместе с сотрудниками впервые ввели микроэлектрод в нервную клетку.

В 1953–1955 годы Эклс занимался биофизическими характеристиками синаптических связей. С 1952 по 1966 год он был профессором физиологии Австралийского национального университета, с 1966 года работал в Институте биомедицинских исследований в Чикаго, а после 1968-го – в Государственном университете Нью-Йорка в Буффало.

Он был удостоен многих наград, в том числе – рыцарского звания (1958).

В 1928 году Эклс женился на Ирене Миллер (Irene Miller). У них родилось четыре сына и пять дочерей. В 1968 году Эклс развелся, чтобы жениться на Гелене Табориковой (Helene Taboricova) из Праги, нейрофизиологе и докторе медицины.

Сэр Джон умер 2 мая 1997 года в возрасте 94 лет.

ХОДЖКИН

Ходжкин родился 5 февраля 1914 года в Бенсбери, Оксфордшир, Англия. Его родителями были Джордж Ходжкин (George Hodgkin) и Мэри Вильсон (Mary Wilson). Алан получил образование в школе в Малверне, Холте и в Тринити-колледже в Кембридже (1932–1936). Дедушка Алана, Томас Ходжкин (Thomas Hodgkin) и дядя, Робин Ходжкин (Robin Hodgkin) были историками, поэтому Алан колебался в выборе между историей и естествознанием. Победил интерес к биологии и химии. Учитель зоологии в колледже советовал Алану как можно основательнее изучать математику и физику, что, в дальнейшем, сильно помогло ему. Алан начал любительские эксперименты на нерве лягушки и продолжал их несколько лет, сначала как студент, а позднее как сотрудник колледжа. В тот период в коллектив колледжа входили Джозеф Джон Томсон (Joseph John Thomson, 1856–1940, Нобелевская премия по физике за 1906 год), Резерфорд (Нобелевская премия по физике за 1908 год) и Эдриан (Нобелевская премия 1932 года) и др. В физиологической лаборатории он изучал кабельную теорию и работу усилителей.

Хилл (Нобелевская премия 1922 года), рецензировавший диссертацию Ходжкина, отправил копию Гассеру (Нобелевская премия 1944 года), который пригласил автора работать в своей лаборатории в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке. В течение этого периода (1937–1938) Ходжкин провел несколько недель, изучая работу аксона кальмара. Он вернулся в Кембридж в 1938 году и в следующем году начал сотрудничество с Хаксли.

В течение первых месяцев войны Ходжкин работал в области авиационной медицины в Фарнборо и с февраля 1940 по июль 1945 года занимался устройством радаров в различных частях Англии, а также проектом системы сканирования и отображения с разрешением 10 см для ночных истребителей.

После войны Ходжкин вернулся в Кембридж преподавателем кафедры физиологии, куда Хаксли возвратился несколькими месяцами позднее, они продолжили сотрудничество, прерванное войной. Эдриан очень помогал их работе, облегчая преподавательскую нагрузку и договариваясь с Рокфеллеровским фондом о финансировании работ.

Профессор Ходжкин был избран членом Королевского общества в 1948 году, а в 1970-м стал его президентом. В 1971 году он был назначен ректором Лейчестеровского университета.

Он был удостоен многих наград, в том числе – рыцарского звания (1972).

В 1938 году Ходжкин познакомился с Роусом (Нобелевская премия 1966 года). Его дочь Мэрион де Кей Роус (Marion de Kay Rous) стала женой Ходжкина в 1944 году. У них был сын и три дочери.

Сэр Алан умер 20 декабря 1998 года в возрасте 84 лет.

ХАКСЛИ

Хаксли родился 22 ноября 1917 года в Лондоне. Его дед, Томас Генри Гексли (Thomas Huxley) был биологом, соратником Ч. Дарвина; отец, Леонард Хаксли (Leonard Huxley), преподавал в школе, а позднее сделал литературную карьеру, написав множество биографий и работая редактором журнала. От первого брака у Леонарда Хаксли было два сына. Овдовев, отец Эндрю женился на Розалине Брюс (Rosaline Bruce). В этом браке было двое детей, из которых Эндрю – младший.

Эндрю получил образование в Университетской и Вестминстерской школах, а затем в 1935 году поступил в Тринити-колледж в Кембридже. Его интересы эволюционировали от классической культуры к науке. В 1932 году он поехал в Кембридж, чтобы изучать физику. Среди предметов, кроме физики, Хаксли выбрал химию и математику, но правила требовали, чтобы он изучал еще один предмет, и тогда он выбрал физиологию. Хаксли нашел физиологию интересной и, частично из-за этого, а частично из-за общения с Эдрианом он решил специализироваться в физиологии. В августе 1939 года Хаксли начал работу с Ходжкиным в Морской биологической лаборатории в Плимуте, где они преуспели в регистрации электрических импульсов в гигантском аксоне кальмара.

В течение первого года войны Хаксли изучал медицину, но когда обучение медиков в Лондоне было остановлено воздушными налетами, он занялся исследованиями для нужд противовоздушной обороны, а позднее – морской артиллерии.

В начале 1946 года он вернулся в Тринити-колледж, где работал на различных должностях до 1960 года, когда возглавил кафедру физиологии в Лондонском университетском колледже. В 1969 году он получил звание профессора Королевского общества. С 1946 до 1951 года Хаксли работал главным образом в сотрудничестве с Ходжкиным над проблемой проводимости нерва. В 1952 году вернулся к изучению сокращения мышцы, и разработал интерференционный микроскоп для изучения полос в изолированных слоях мышцы. Хаксли также создал микротом для изготовления срезов для электронного микроскопа и микроманипулятор.

Хаксли был редактором “Journal of Physiology” с 1950 по 1957 год и редактором “Journal of Molecular Biology”. Он стал членом Королевского общества в 1955 году, работал в лаборатории Вудс-Холл в Массачусетсе (1953), читал лекции в Медицинской школе Джонса Хопкинса (1959) и в Колумбийском университете (1964). Он был удостоен многих наград, в том числе – рыцарского звания (1974).

В 1947 году Хаксли женился на Джоселин Риченде Гэммел Пис (Jocelyn Richenda Gammell Pease). У них шестеро детей.

В 1997 году Хаксли был почетным гостем XXXIII Международного конгресса физиологических наук в Санкт-Петербурге.

ЛИТЕРАТУРА

Работы Эклса:

Физиология нервных клеток. М., 1959;

Физиология синапсов. М., 1966;

Синапс ⁄ Молекулы и клетки. М., 1966. С. 167–185;

Тормозные пути центральной нервной системы. М., 1971;

Reflex Activity of the Spinal Cord. London, 1938;

The Neurophysiological Basis of Mind. Oxford, 1965;

The Cerebellum as a Neuronal Machine. Berlin, 1967;

The Physiology of Nerve Cells. Baltimore, Maryland, 1968;

The Inhibitory Pathways of the Central Nervous System. Liverpool, 1969.

О нем:

Robinson J. 100 Most Important People in the World Today. New York, 1970. P. 237–240;

Current Biography Yearbook. New York, 1972. P. 119–122;

Ito M. John C. Eccles (1903-97). Neuroscientist who discovered synaptic inhibition // Nature. 1997. V. 387. N. 6634. P. 664.

Работы Ходжкина:

Нервный импульс. М., 1965;

Properties of nerve axons. I. Movement of sodium and and potassium ions during nervous activity // Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 1952. V. 17. P. 43–52 (with A. Huxley);

The Conduction of the Nervous Impulse. Liverpool, 1971;

The Pursuit of Nature: Informal Essays on the History of Physiology. Cambridge, 1977.

О нем:

Biographical Encyclopedia of Scientists. New York, 1981. P. 386;

Z Alan Hodgkin (1914-98)//Nature. 1999. V. 397. N. 6715.P. 112.

Работы Хаксли:

Ionic currents underlying the activity in the giant axon of the squid // Arch. Sci. Physiol. 1949. V. 3. P. 129–150 (with A. Hodgkin, B. Katz);

Movement of radioactive potassium and membrane current in a giant axon // J. Physiol. (London). 1953. V. 121. P. 403–414 (with A. Hodgkin);

Reflections on Muscle. Priceton, New Jersey, 1980.

О нем:

Biographical Encyclopedia of Scientists. New York, 1981. P. 404;

О них:

Nobel Prize: 1963 award honours three for research on nerve functioning // Science. 1963. V. 142. N. 3591. P. 468–470;

Nobel medical awards. The 1963 Nobel Prize in Medicine was awarded to two British researches and an Australian scientist for their discoveries on how nerve cell operate // Sci. News Lett. 1963. V.84.N. 17. P. 259;