Laureáti Nobelovy ceny

V roce 1962 se o Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu podělili tři neurofyziologové – Australan John Carew Eccles a Britové Alan Lloyd Hodgkin a Andrew Fielding Huxley.

ALAN LLOYD HODGKIN (1914–1998)

Nejstarší ze tří synů George Lloyda Hodgkina a Mary rozené Wilsonové se narodil 5. února 1914 v Banbury v Oxfordském hrabství. V sedmi kvakerských generacích jeho předků vynikli prapraděd chemik a amatérský „otec meteorologie“ Luke Howard (1772–1864), který vytvořil latinské názvosloví mraků, praprastrýc lékař Thomas Hodgkin (1798–1866), jehož jméno dodnes žije v názvu choroby, a děd historik Thomas Hodgkin (1831–1913) zaměřený na středověk. Když Alanův otec, rozhodný odpůrce válek účastnící se na pomoci Arménii, zemřel v roce 1918 v Bagdádu na úplavici, podporovalo příbuzenstvo jeho rodinu, dokud se vdova v roce 1932 neprovdala za rektora Edinburské akademie Arthura Smithe. Alanovým dětským koníčkem byli ptáci, o jejich chování psal vážná pojednání. Od devíti let navštěvoval přípravnou Downs School a od třinácti Gresham’s School, získal stipendium pro Trinity College na univerzitě v Cambridgi a tam se v roce 1932 zapsal na přírodovědu kvůli zoologii. Na radu studijního ředitele a zoologa Carla Pantina přidal pro první dva roky studia chemii a fyziologii a soukromě i matematiku a fyziku. Četba tehdejších novinek „Experimental Cytology“ Jamese Graye a „Chemical Wave Transmission in Nerve” Archibalda Viviana Hilla, přitáhla jeho pozornost k membránám, do druhého dvouletí pak už nastupoval rozhodnut pro fyziologii. V cambridgské fyziologické laboratoři nalezl živou tradici výzkumu mechanismu nervové činnosti, kterou tu kdysi založil přítel jeho otce Keith Lucas, před 19 lety v letadle zahynuvší průkopník myšlenky, že nervový vzruch je děj typu „vše, nebo nic.“

Na Trinity College zůstal Alan i po po obhájení doktorské práce o elektrickém základu nervového vedení (The Electrical Basis of Nervous Conduction. Fellowship dissertation. Library of Trinity College, Cambridge 1936). Elektrická povaha nervových vzruchů byla ovšem známa už od pokusů Luigiho Galvaniho. Na začátku 20. století přirovnal fyziolog Julius Bernstein z Halle neuron k baterii s klidovým potenciálem daným rozdílnou distribucí iontů skrze buněčnou membránu, působící jako izolant, při jehož přechodné poruše přijdou ionty z obou stran do styku a neutralizací klidového potenciálu vzniká nervový vzruch jako akční potenciál. Za jeho příčinu považoval Bernstein náhlý vzrůst prostupnosti membrány pro všechny druhy iontů, působící zkrat, takže vnitřní potenciál stoupne k úrovni zevního. Hodgkin nyní s lepším vybavením zdárně zopakoval neúspěšný studentský pokus o průkaz zvýšené elektrické vodivosti v žabím nervu blokovaném v polovině délky zmrazením (Evidence for Electrical Transmission in Nerve. Parts I, II. J Physiol 1937; 90: 183–210, 211–232). Na radu laureáta Nobelovy ceny Edgara Douglase Adriana užil pak snadno oddělitelné nemyelinizované axony kraba Carcinus maenas o průměru až 0,03 mm, konal pokusy s drážděním podprahovou voltáží a prokázal, že i proudy příliš slabé k podráždění nervu působí elektrické změny podobné těm v podmořském kabelu (The Subthreshold Potentials in a Crustacean Nerve Fibre. Proc Roy Soc B 1938; 126: 87–121). Alanův školitel, laureát Nobelovy ceny Archibald Vivian Hill, půjčil kopii jeho doktorské práce řediteli Rockefellerova ústavu Herbertu Spenceru Gasserovi a ten Hodgkina pozval do New Yorku. Z tohoto studijního pobytu v letech 1937–1938 byly pro Alana nejcennější týdny na stanici mořské zoologie Woods Hole ve státě Massachusetts, kde Kenneth Stewart Cole a Howard James Curtis z Kolumbijské univerzity měřili změny elektrické vodivosti buněčné membrány během vzruchu na obrovských axonech olihní rodu Loligo o průměru až 1 mm, které pro elektrofyziologii právě objevil John Zachary Young. Hodgkin si přitom vysloužil jedno spoluautorství (Membrane and Protoplasm Resistance in the Squid Giant Axon. J Gen Physiol 1939; 22: 671–687 59 s Colem).

Do Cambridge se vrátil na podzim roku 1938 a několik měsíců si s pomocí tří psychologů sám konstruoval zesilovače stejnosměrného proudu, katodové sledovače a multivibrátory. Jeden zesilovač pak v roce 1939 použil ke zjištění, nakolik se akční potenciál blíží klidovému: se studentem Andrewem Fieldingem Huxleyem měřil zevní elektrické změny na krabích axonech ponořených v oleji, přičemž za klidový potenciál bral rozdíl potenciálů mezi oblastí intaktní a oblastí depolarizovanou poškozením, a zjistil akční potenciál mnohem vyšší než klidový. Na léto se pak přestěhoval do laboratoře Mořské biologické asociace v Plymouthu: Koupil přívěsný vozík a svým starým automobilem tam hromotlucké instrumentárium odtáhl. Později přijel Huxley s nápadem zasunout do obrovského axonu olihně mikrokapiláru s tenkou drátěnou elektrodou a takto měřit rozdíly membránových potenciálů: A opět byl klidový asi 50 mV, kdežto akční téměř 100 mV. Hodgkin s Huxleyem tak objevil, že akční potenciál nevrcholí pouhým vynulováním záporného vnitřního klidového potenciálu, nýbrž milisekundovým překmitem do kladných hodnot, a opravil Bernsteinovu teorii.

Tři týdny nato přepadl Hitler Polsko, Spojené království vyhlásilo Německu válku a badatelé byli nasazeni do služeb armády. Nález ještě spěšně zveřejnili v předběžném sdělení (Action Potentials Recorded from inside a Nerve Fibre. Nature 1939; 144: 710–711; s Huxleyem) a plnohodnotný článek se pak Hodgkin několik měsíců marně pokoušel po večerech sepsat v Ústavu Královského letectva v hampshirském leteckém středisku Farnborough, kam byl nasazen na výzkum „výškové nemoci“ (v dekompresní komoře konal pokusy na sobě samém), načež od února 1940 do července 1945 na různých místech Anglie, posléze v Malvernu se podílel na vývoji krátkovlnných palubních radarů a testoval je za letu. V roce 1944 se v USA po sedmileté známosti oženil s Marion de Kay Rousovou, dcerou patologa z Rockefellerova ústavu Francise Peytona Rouse, objevitele virové etiologie některých nádorů (později měli tři dcery a syna, molekulárního biologa). Od námořního dělostřelectva zajížděl do Malvernu Huxley, konečně tedy dopsali článek z roku 1939 (Resting and Action Potentials in Single Nerve Fibres. J Physiol 1945; 104: 176–195; s Huxleyem).

V srpnu 1945 se Hodgkin vrátil do Cambridge jako „lecturer“ fyziologie. Několik měsíců po něm přišel i Huxley. Společná práce o nepřímé metodě měření úniku draslíku z aktivního nervového vlákna (Potassium Leakage from an Active Nerve Fibre. J Physiol 1947; 106: 341–367; s Huxleyem) je připoutala ke kvantitativnímu uvažování o pohybech iontů během nervového vzruchu. Vymýšleli důmyslná schémata, ale Huxleyovy propočty všechna rozmetaly kromě vzestupu permeability pro ionty sodíku či pro nějaký vnitřní anion jako nejpravděpodobnější příčiny překmitu. Tehdy se přidal fyziolog Richard Darwin Keynes a vznikla skupina studující iontové mechanismy v neuronech. Koncem roku 1946 poslal Bernard Katz z londýnské University College Hodgkinovi rukopis, v němž dokazoval, že krabí axony ztrácejí v bezsolných roztocích vzrušivost. To přimělo Hodgkina k pokusům, jimiž prokázal, že akční potenciál kolísá se zevní koncentrací sodíku (The Effect of Sodium Ions on the Electrical Activity of the Giant Axon of the Squid. J Physiol 1949; 108: 37–77; s Katzem).

V roce 1947 vynalezl Coleův kolega ve Woods Hole George Marmont metodu kontroly voltáže přes membránu axonu technikou „napěťového zámku,“ spočívající ve zpětnovazebném udržování nastaveného membránového potenciálu na zvolené úrovni a v měření intenzity a časového průběhu zpětně aplikovaného proudu, nutného k udržení potenciálu. Sám výzkum opustil a metody se ujal Cole, své nepublikované výsledky ukázal na jaře 1948 Hodgkinovi a přidal domněnku, že vnější proud má vztah k draslíku. V létě pak Hodgkin s Katzem a Huxleyem zahájil v Plymouthu se zpětnovazebním zesilovačem dlouhou řadu měření metodou „napěťového zámku“ a dokončil ji v létě 1949, kdy odděloval složky proudů iontů Na⁺ a K⁺ skrze kanálky v membráně, ovládané změnami membránového potenciálu, a s Huxleyem pak během dvou let vytvořil iontovou teorii nervového vzruchu na základě poznatků, že vně neuronu je asi 15× víc Na⁺, uvnitř 30× víc K⁺, sodíko-draslíková pumpa směňuje 3 ionty Na⁺ za 2 ionty K⁺, vně tedy převažuje kladný náboj, uvnitř pro převahu proteinů a aniontů záporný, a tím je dán klidový membránový potenciál, elektrický i koncentrační spád pro ionty Na⁺ míří do buňky, sodíkové kanály jsou všakuzavřeny, ionty K⁺ mají elektrický spád dovnitř, kdežto koncentrační z buňky, obě síly jsou v rovnováze při membránovém potenciálu asi -90mV, pokles na asi -65 mV porušuje neprostupnost membrány, otevírají se sodíkové kanálky, Na⁺ proudí do buňky a působí depolarizaci, při níž potenciál překmitne do transpolarizace +35 až +50mV, načež se kanály pro Na⁺ uzavírají a K⁺ je odčerpáván z buňky, což vede k repolarizaci (až hyperpolarizaci) do klidové polarity membrány. Hodgkin s Huxleyem vytvořil matematický model akčního membránového potenciálu, jehož základem jsou Hodgkin-Huxleyovy rovnice.

V roce 1948 byl ve věku 34 let zvolen členem Královské společnosti a v roce 1951 jako její „Foulerton Research Professor“ osvobozen od výuky. Po dvou letech analýz publikoval výsledky předloňských měření v jednom článku za Katzova spoluautorství (Measurement of Current-Voltage Relations in the Membrane of the Giant Axon of Loligo. J Physiol 1952; 116: 424–448; s Huxleyem a Katzem) a ve čtyřech dalších článcích se svým nejbližším spolupracovníkem (Currents Carried by Sodium and Potassium Ions through the Membrane of the Giant Axon of Loligo. J Physiol 1952; 116: 449–472, The Components of Membrane Conductance in the Giant Axon of Loligo. J Physiol 1952; 116: 473–496, The Dual Effect of Membrane Potential on Sodium Conductance in the Giant Axon of Loligo. J Physiol 1952; 116: 497–506, A Quantitative Description of Membrane Current and Its Application to Conduction and Excitation in Nerve. J Physiol 1952; 117: 500–544; vše suxleyem). Pohyb iontů v nervových vláknech studoval také pomocí radioizotopových indikátorů (Movement of Radioactive Potassium and Membrane Current in a Giant Axon. J Physiol 1953; 121: 403–414; s Huxleyem, nebo Movements of Labelled Calcium in Squid Giant Axons. J Physiol 1957; 138: 253–281; s Keynesem). V letech 1959–1963 byl členem Rady pro lékařský výzkum.

Dne 10. prosince 1963 ve Stockholmu představil Ragnar Granit z Karolinského ústavu dílo tří badatelů poctěných Nobelovou cenou za fyziologii nebo lékařství rovným dílem „za své objevy iontových mechanismů navozujících vybuzení a útlum v periferní a centrální části buněčné membrány neuronů.“ Zmínil, že Hodgkinova a Huxleyova iontová teorie nervového vzruchu platí i pro kosterní i srdeční svalovinu a přínos obou Angličanů označil za milník na cestě k pochopení povahy vzrušivosti. Nobelovskou přednášku (The Ionic Basis of Nervous Conduction. Science 1964; 145: 1148–1154) měl Hodgkin 11. prosince 1963. O dějích v neuronu při vedení vzruchu vydal v následujícím roce útlou knížku (The Conduction of the Nervous Impulse. Liverpool: Liverpool University Press 1964).

Nobelova cena mu přinesla spoustu událostí a závazků: V letech 1966–1976 byl předsedou Mořské biologické asociace, 1970–1975 předsedou Královské společnosti, 1970–1981 působil jako „John Humphrey Plummer Professor“ biofyziky v Cambridgi, 1971–1984 byl rektorem Leicesterské univerzity, v roce 1972 se stal rytířem a v roce 1973 dostal řád Za zásluhy. Mechanismus nervové činnosti studoval dále na zrakovém ústrojí obojživelníků a plazů především se stanfordským Denisem Baylorem (počínaje prací Properties of Cones in the Retina of a Terrapin. J Physiol 1972; 226: 2P; s Baylorem a Cookem) a přispěl k objasnění mechanismu odpovědi tyčinek a čípků sítnice obratlovců na světlo.

V letech 1978–1984 působil jako rektor Trinity College, která s jeho nástupem do úřadu otevřela studium i pro dívky. Nadále zkoumal fyziologii zraku, začal však také přehlížet svůj život (Beginning: Some Reminiscences of My Early Life (1914–1947). Annu Rev Physiol 1983; 45: 1–16). Po odchodu na odpočinek mu práci v laboratoři ztěžovala řada chorob, ale s pomocí Briana Nunna, spoluautora 11 publikací (od článku Effect of Ions on Retinal Rods from Bufo marinus. J Physiol 1984; 350: 649–680; s McNaughtonem, Nunnem a Yauem) pokračoval ve výzkumu fyziologie zraku až do Nunnovy předčasné smrti v roce 1987. Výhřez meziobratlové destičky, který si v roce 1989 vynutil operaci, Hodgkina téměř znehybnil, ještě mu však zbývalo psaní. S půlstoletým odstupem zachytil nejprve vzpomínky na válečnou práci na vývoji radarů k uctění památky kolegů, z nichž někteří při zkušebních letech zahynuli. Teprve pak se rozepsal o dalších obdobích svého života (Chance and Design: Reminiscences of Science in Peace and War. Cambridge: Cambridge University Press 1992). Nakonec obohatil soubor vlastních životopisů osobností neurovědy (Squire LR (ed.) The History of Neuroscience in Autobiography, vol. 1. Washington, D.C.: Society for Neuroscience 1996; 251–292). Sir Alan zemřel 20. prosince 1998 v Cambridgi.

MUDr. Pavel Čech

Kabinet dějin lékařství 3. LF UK

Ruská 87, 100 00 Praha 10

e-mail: pavel.cech@lf3.cuni.cz