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第40章 艾伦·劳埃德·霍奇金

1963年冬,诺贝尔奖金评选委员会将诺贝尔生理学及医学奖授予英国生理学家艾伦·劳埃德·霍奇金及其他两位生理学家,以表彰他们在研究神经的兴奋和传导方面的卓越成就。

早在两千多年前,人们就知道一些水生生物具有放电的本能。在公元1世纪,罗马医生斯克里波尼斯就曾建议利用电鳐放电治疗疾病。上个世纪末,人们发现人和动物的神经活动总伴有一定的电变化,在感官接受刺激或大脑发布命令时,在相应的神经纤维上,便能检出一定频率的电脉冲,生理学家称之为动作电位或神经冲动。他们相信,动作电位像电码一样,是神经传递信息的基本单位。

动作电位是如何产生的?又是如何沿着神经扩散的呢?这些问题长期以来一直是生理学家研究的重要课题。霍奇金和他的同事们采用精细的电生理技术,经过20多年的苦心研究,最后确认动作电位是神经细胞膜表面的跨膜电变化,是膜对钠、钾等离子的通透性变化的结果。霍奇金和赫克斯利关于神经冲动的理论使一些原则具体化,并应用于肌肉的冲动,包括心肌和心电图,所以具有重要的临床意义。霍奇金等人的这一发现,是人们理解细胞兴奋性本质的基础,它使人们开始从细胞学的角度出发,定量地研究机体的生命活动。

1914年2月5日,霍奇金出生于英国牛津郡。4岁那年,他父亲在第一次世界大战中阵亡,他从此便随祖父生活。他的祖父和叔父都是著名的历史学家,他们希望霍奇金继承祖业学习历史。但年轻的霍奇金对自然科学抱有浓厚的兴趣。他自幼喜爱小动物,经常利用课余时间捕捉青蛙,并很喜欢解剖蛙的神经。他爱上了生物这门科学,希望自己成为一名生物学家。

1932年至1936年,霍奇金就读于剑桥大学三一学院。剑桥大学是英国的一所著名学府,许多国际上知名的学者云集这里,他们博学多识、富有远见,这对霍奇金后来的成长有着重大的影响。

卡尔·佩汀教授是霍奇金的动物学教师。他认为一个科学家要取得成就,首先应有扎实而广博的基础知识。他建议霍奇金不仅要学好生物学课程,而且要选修较多的数学和物理学课程。霍奇金在罗什登教授那里学习了电缆理论;从瓦尔特教授那里学习了放大器原理……在此期间他还阅读了当时一些著名学者如鲁卡的作品广博的知识使霍奇金在以后的研究中得以把生物学、物理学及化学有机地结合在一起,从而获得了成功。

1936年,霍奇金大学毕业后,留任三一学院,开始了他的研究生涯。在一个偶然的场合,他发现能很容易地从螃蟹体内分离得到一根直径为0.3毫米粗的单一神经纤维。他用这种单一纤维为材料,开展了神经兴奋性的研究工作。

1938年,希尔教授把霍奇金的论文推荐给了美国著名学者加塞教授。这年夏天,霍奇金接受纽约洛克菲勒研究所加塞实验室的邀请,和科尔一起前往伍德赫尔做工作访问。在伍德赫尔的加塞实验室里,霍奇金看到了许多惊人的实验,视野大大地开阔了。他不仅学到了枪乌贼巨神经纤维的标本制作方法,还从阴极示波器的屏幕上清晰地看到了动作电位。回到伦敦后,他也开始用枪乌贼巨神经进行研究,这对他以后的成功产生了重要的影响。

1939年,霍奇金和他的学生赫克斯利做了一个有趣的实验:他们把螃蟹纤维放在油中,用阴极示波器观察膜外电变化。在实验过程中,他们发现了一个令人震惊的现象,即动作电位的电压值超过静息电位。可按照波恩斯坦的理论,神经兴奋时,仅是静息膜的破坏,动作电位的数值充其量应与静息膜电位相等,不可能大于静息电位。此外,他们还进一步证明了静息电位因外部钾离子浓度增加而消除,甚至反转,静息膜类似钾电极的行为。这一意想不到的结果,引起了霍奇金等人的极大重视。这项研究工作同时在大西洋两岸,美国的伍德赫尔和英国的普利茅斯两个研究小组中进行。正当这项研究工作日益取得进展的时候,第二次世界大战爆发了,实验被迫中止。霍奇金只得转入军事技术研究工作。

战争开始后的最初几个月,他在福伯赫从事航空医学研究。1940年以后,他在英国各地研究雷达技术。在这期间,他发明了一个适用于夜间战斗的检测系统。1944年他在美国参观时,和美国著名病理学家佩顿·劳斯的女儿玛利·劳斯结婚。

战争结束后,霍奇金回到剑桥大学,担任了生理实验室的领导工作,又开始与赫克斯利和凯恩等人合作,继续从事因战争而中断了的研究。他们的工作经常得到艾德里安的指导,并得到洛克菲勒基金会、鲁菲尔德基金会以及英国皇家学会的资助,这使他的研究工作有了充足的经费。1947年以后,霍奇金每年都到英国海洋生物协会所属的实验室工作两三个月,因为那里有研究乌贼神经纤维的方便条件。

霍奇金所领导的实验室为了查明动作电位产生的离子机制,进行了大量的工作。与此同时,霍奇金和赫克斯利合作,采用电压钳制的新技术仔细分析了兴奋过程的膜电流。从1947年到1951年,霍奇金采用电压钳制实验取得了大量数据,编制了一个计算动作电位各种参数的理论公式。霍奇金利用这一公式预测乌贼巨神经纤维的许多电行为,如:动作电位的形式、间歇期、振幅、传导速度、电导变化、离子运动等。预测的数据与实验结果十分接近。

霍奇金从计算得知:在一条500微米的巨神经纤维中,每一冲动期间,内部钾减少百万分之一。因此,一些粗大纤维可以传导许多冲动,而不需要代谢电池充电。另一方面,细胞要维持兴奋性,在电活动期间,还必须存在一种与上述离子变化相反的机制。从1952年开始,霍奇金及其同事们研究了巨神经纤维兴奋后的恢复过程。

霍奇金及其同事们经过20多年的不断努力,终于成为世界上第一批用精确的实验方法说明了人和动物神经传递信息机制的科学家。

因为霍奇金在科学研究中成就卓著,1948年,他被选为英国皇家学会成员;1951年成为皇家学会福勒登研究教授;1958年至1960年间任皇家学会理事会理事;1959年至1963年间任医学研究理事会理事;1961年至1967年间任生理学会外事秘书;1970年被任命为生物物理学约翰·汉弗来·帕勒姆教授;1966年起,他是海洋生物协会的会长;1971年担任利斯特大学的名誉校长。他还获得了其他国家的一些荣誉称号和奖赏。

机遇只偏爱有准备的头脑。为了使自己的年华不被虚度,就要学会做一个时刻准备着的人。

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