Сайт: Электронная библиотека НиТ
Он обучался в колледже при Лондонском университете и в Вестминстерской школе, где проявил выраженную склонность к физике и технике, которыми он намеревался и дальше заниматься, поступив в 1935 г. в Тринити-колледж в Кембридже. Однако, пройдя курс по физиологии, он в 1937 г. перешел к медицинской программе и двумя годами позже стал исследователем-ассистентом у Алана Ходжкина в морской биологической лаборатории в Плимуте.
В это время Ходжкин изучает передачу электрических импульсов по аксонам (отросткам нейронов). В начале XX в. Джулиус Бернштейн, основываясь на работе Луиджи Гальвани и Вальтера Нернста, предположил, что нестимулированные нервные клетки несут на себе потенциалы покоя (разность электрических потенциалов между наружной и внутренней поверхностями клетки в покое), который обусловлен неодинаковым распределением ионов (заряженных частиц) в клеточной мембране. Концентрация положительно заряженных ионов натрия на внутренней поверхности мембраны ниже, чем на наружной; для положительно заряженных ионов калия характерна обратная ситуация. Многие из крупных молекул органических веществ внутри клетки заряжены отрицательно. Поры в мембране пропускают через нее ионы калия, но ионы натрия и ионы органических веществ, которые значительно крупнее, не могут проходить через мембрану клетки. Потенциал покоя возникает из-за тенденции положительно заряженных ионов калия перемещаться из области, где их концентрация высока (внутри клетки), в область с их меньшей концентрацией (снаружи клетки).
Бернштейн предположил, что нервный импульс представляет собой потенциал действия. Когда проницаемость мембраны временно изменяется, ионы с обеих сторон приходят в контакт и нейтрализуют потенциал покоя; затем проницаемость мембраны восстанавливается, при этом восстанавливается и исходный потенциал покоя. Для проверки теории Бренштейна Ходжкин и Х. погрузили микроскопические электроды в единичные изолированные аксоны кальмара и измерили относительные величины потенциалов покоя и действия. К своему удивлению, они обнаружили, что изменение в разности потенциалов мембраны во время потенциала действия фактически оказалось значительно большим, чем нужно для исчезновения потенциала покоя. Потенциал действия не просто приводил разность потенциалов клеточной мембраны к нулевой отметке, но фактически превышал потенциал покоя и изменял направление разности потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны клетки.
С началом второй мировой войны Х. и Ходжкин оставили свои исследования, и с 1940 по 1942 г. Х. проводил эксперименты для командования ПВО, а с 1942 по 1945 г. – аналогичную работу для военно-морского министерства. После войны он становится ассистентом профессора в физиологическом отделе Тринити-колледжа и при поддержке Исследовательского общества Тринити, выделившего ему стипендию в 1941 г., продолжает свою работу с Ходжкином по изучению передачи нервных импульсов.
Результаты исследований Ходжкина и Х., опубликованные в 1954 г., опровергли теорию Бернштейна, показав, что потенциал действия не может быть вызван перемещением только ионов калия: в этот процесс должен быть вовлечен и другой ион, чтобы потенциал действия превышал обусловленный ионом калия потенциал покоя. Из различных ионов, которые Х. и Ходжкин рассматривали на эту роль, наиболее вероятным им представлялся ион натрия. Они предположили, что клеточная мембрана содержит чувствительные к разности потенциалов натриевые каналы, или проходы, которые остаются закрытыми во время потенциала покоя и открываются при деполяризации аксона. Когда каналы открыты, ионы натрия устремляются из области с их относительно высокой концентрацией (наружная поверхность мембраны аксона) к области с относительно низкой концентрацией (внутренняя поверхность мембраны аксона), что приводит к временному положительному потенциалу на внутренней поверхности мембраны аксона. Если их гипотеза об участии натрия правильна, величина потенциала действия (но не потенциала покоя) должна строго зависеть от концентрации натрия вне клетки. Проверив это предположение, Ходжкин и Бернард Кац в 1947 г. показали, что они могут фактически изменять или устранять потенциал действия, воздействуя на концентрацию натрия вне клетки.
Х., Ходжкин и Кац начали изучать ионный транспорт через мембрану аксона при различных электрических условиях. Используя вольтметр, систему для поддержания мембранного потенциала на установленных уровнях в период наблюдения за потоком ионов, они проследили перемещение различных ионов при помощи радиоактивных изотопов и изменения концентрации ионов. Исследования были проведены на гигантских аксонах кальмаров, которые достаточно велики (до миллиметра в диаметре) для того, чтобы ввести электрод в мембрану, и достаточно прочны, чтобы выдержать без повреждения мембраны замещение внутренней жидкости различными комбинациями ионов.
Результаты этих экспериментов позволили исследователям сконструировать математическую модель потенциала действия. Х. проделал многочисленные расчеты на ручном арифмометре; позднее более сложные и точные расчеты были получены при помощи первых цифровых вычислительных машин (компьютеров). Согласно модели, которую ученые описали в ряде статей в 1952 г., потенциал действия в аксоне кальмара возникает при деполяризации мембраны до некоего порогового уровня. Деполяризация открывает натриевые каналы, ионы натрия устремляются внутрь аксона, и внутренняя поверхность мембраны на короткое время становится заряженной положительно. Тогда чувствительные к изменению разности потенциалов калиевые каналы открываются, хотя и более медленно, чем натриевые, а последние со временем закрываются. Ионы калия устремляются из аксона, и внутренняя поверхность мембраны аксона постепенно становится заряженной отрицательно по сравнению с наружной поверхностью. В течение короткого рефракторного периода мембрана гиперполяризуется (приобретает более отрицательный потенциал, чем обычно), т. к. выход калия превышает потенциал покоя. Затем потенциал покоя восстанавливается за счет натрий-калиевого насоса, который использует энергию клетки для перемещения ионов калия внутрь клетки, а ионов натрия – из клетки, и таким образом поддерживается равновесие потенциала покоя. Модель Х. и Ходжкина была выдающейся, поскольку биохимические методы для изучения компонентов мембраны (каналов и насоса) не были разработаны до 80-х гг.
После создания математической модели потенциала действия Х. начал интересоваться механизмом мышечного сокращения, чему способствовала его дружба с Арчибалдом В. Хиллом. В совместной работе Х. сконструировал новый тип интерференционной световой микроскопии для изучения изолированных мышечных волокон.
«За открытия, касающиеся ионных механизмов возбуждения и торможения в периферических и центральных участках мембраны нервных клеток», Х. и Ходжкин получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1963 г.; они разделили ее с Джоном Эклсом, который осуществил сходное исследование, касающееся нервных импульсов. «Выясняя природу единых электрических явлений в периферической и центральной нервной системе, – сказал Рагнар Гранит из Каролинского института при вручении премии, – вы довели понимание нервных импульсов до уровня ясности, которую ваши современники не ожидали увидеть при жизни».
С 1952 по 1960 г. Х. был руководителем исследований в Тринити-колледже; с 1951 по 1959 г. работал помощником директора по исследовательской работе и читал лекции по экспериментальной биофизике в период с 1959 по 1960 г. В 1960 г. он становится профессором физиологии в Университетском колледже Лондона, а в 1969 г. назначается профессором Королевского исследовательского общества в Лондонском университете, где в 1983 г. становится заслуженным профессором. С 1974 по 1980 г. Х. возглавляет Медицинский исследовательский комитет по мышечной дистрофии; он – член Совета по сельскохозяйственным исследованиям (1977...1981), Международного совета физиологических обществ (с 1983) и Британского национального комитета по физиологическим наукам (1979...1980). Х. является членом правления Британского и Научного музеев.
Награжден медалью Копли Лондонского королевского общества (1973), член Королевского общества и избран почетным или иностранным членом Королевского общества Эдинбурга, Американской академии наук и искусств и Бельгийской королевской академии медицины. Он удостоен почетных степеней Оксфордского университета и университетов Шеффилда, Лестера, Лондона, штата Андрю, Астона, Кембриджа, Бирмингема, Марселя, Йорка и Восточной Австралии.
