Nejen nekrolog Alana Hodgkina

Je dobrým zvykem tohoto časopisu, že každoročně po udělení Nobelových cen seznamuje čtenáře jak s laureáty, tak s jejich vědeckou činností. Je proto jeho smutnou povinností vzpomenout velikány moderní vědy také ve chvíli, kdy z tohoto světa odcházejí. Alan L. Hodgkin, který zemřel 20. prosince minulého roku, byl jedním z nich. Mnoho vědců se stalo slavnými a známými až po udělení Nobelovy ceny. Hodgkinovy práce (a zejména ty, které publikoval ve spolupráci s Huxleyem a Katzem) by k slávě a světovému uznání svých autorů tuto cenu nepotřebovaly. Tak výjimečná byla jejich vědecká úroveň. Přínos A. L. Hodgkina klasické elektrofyziologii nejlépe vynikne, zasadíme-li jeho základní objevy do historie vývoje znalostí o nervovém systému. V sedmnáctém století René Descartes přišel s myšlenkou, že v organizmu se informace šíří jakýmisi vlákénky. Fyzikální podstata těchto signálů mu však byla záhadou. Až o sto let později se Galvanimu na žabích nervech podařilo prokázat, že tyto signály mají cosi společného s elektřinou. A dalších sto let trvalo, než Julius Bernstein změřil a publikoval první záznam elektrického vzruchu v nervovém vlákně. Od té chvíle bylo jisté, že informace se organizmy šíří elektrickými impulzy, přesný mechanizmus jejich vzniku však zůstával vědcům utajen. Těsně před druhou světovou válkou vstoupili na vědeckou scénu dva mladí elektrofyziologové, Alan L. Hodgkin a Andrew F. Huxley, a hned jejich první větší společná práce slavila úspěch. Podařilo se jim zavést elektrodu do nervového vlákna a změřit, co se děje s elektrickým potenciálem uvnitř nervové buňky v okamžiku vzruchu. Několik týdnů po této premiéře vypukla válka, během níž Hodgkin pracoval na vývoji radaru, tehdy revolučního přístroje, který pak během války podstatně ovlivnil výsledky mnoha bitev. Roku 1946 se vrátil k práci v laboratoři, kde se snažil využít své válečné zkušenosti. Vlastnoručně vyráběl a upravoval řadu elektronických přístrojů, které mu umožnily aplikovat na nervové buňky metody používané až doposud pouze v elektronice. Zajímavé na tom je, že vlastně s A. F. Huxleym nic nového nevymysleli. Byli však vedeni jakousi intuicí, vlastní všem velkým osobnostem vědeckého světa, že elektrické vlastnosti biologických membrán se asi nechovají jako pouhý pasivní ohmický odpor. A vzhledem k tomu, že již před válkou se jim podařilo vyvinout metodu umožňující zavedení elektrody do vnitřního prostředí nervového vlákna, nic jim nebránilo aplikovat na buněčnou membránu metodu měření voltampérových charakteristik. V té době byla v elektronice již běžná a používala se pro měření vlastností řady elektronických komponent.

Hned první výsledky potvrdily, že elektrická vodivost membrány je skutečně neobyčejně překvapivým způsobem závislá na potenciálu, který je na membránu aplikován. Navíc se ukázalo, že membránové vodivosti pro ionty draselné a sodné jsou různé a na sobě nezávislé, a že každá z těchto vodivostí má svou specifickou voltampérovou charakteristiku. Kinetiku aktivace a dezaktivace těchto vodivostí popsali Hodgkin a Huxley systémem nelineárních diferenciálních rovnic, všeobecně známých jako H-H rovnice. Spolu s experimentálními výsledky je publikovali v sérii článků, vycházejících během roku 1952 v londýnském Journal of Physiology. Myslím, že dnes neexistuje elektrofyziolog, který by během své kariéry alespoň jednou nenahlédl do některé ze zmíněných, dnes již klasických prací. Pro dokreslení důvtipu, inteligence a nadšení těchto průkopníků moderní elektrofyziologie bych zde rád uvedl svědectví jednoho z jejich tehdejších spolupracovníků. ¹⁾ Pro toho, kdo H-H rovnice zná, není třeba dlouhého úvodu. Pro ty, kteří neměli příležitost se s nimi seznámit (a těch je asi většina), řeknu jen stručně, že jde o soustavu diferenciálních rovnic s řadou nelineárních parametrů. Jsou to rovnice analyticky téměř neřešitelné. Přesto v práci ²⁾ uvádějí H. a H. srovnání svých experimentálních dat s teoretickými výsledky vypočítanými podle jejich matematického modelu. Dnes máme každý na svém pracovním stole „pécéčko“ nahuštěné řadou programů, které jsou schopny nalézt vhodnou numerickou metodu a příslušný výpočet uskutečnit.

Ale jak to proboha dokázali v padesátých letech? Odpověď zní, že úplně stejně. Numerické metody k řešení diferenciálních rovnic byly známé již tehdy. Hodgkin s Huxleym nejprve prošli laboratoře vlastního ústavu, pak i ústavů přilehlých, a vypůjčili si všechny provozuschopné kalkulačky, v tehdejší době pochopitelně mechanické (to jsou takové ty přístroje s kličkou po straně, které se ještě občas dají sehnat u starožitníků). Pak zmobilizovali veškeré pracovníky, o nichž se dalo předpokládat, že budou schopni provádět na kalkulačce jednoduché matematické výpočty, a usadili každého před jednu z nich. Poté rozložili numerický výpočet svého systému diferenciálních rovnic na řadu jednoduchých operací, přibližně tak, jak to dnes dělají programy moderních počítačů, a každému členu výpočetního týmu přidělili jeden z těchto dílčích výpočtů. Celý proces začínal u prvního člena týmu, který svůj výsledek předal sousedovi, a tak výpočet pokračoval dlouhými chodbami fyziologické laboratoře Cambridžské univerzity, až konečný výsledek došel zpět na stůl A. L. Hodgkinovi. Ten porovnal výsledek výpočtu s experimentem a do oběhu poslal nový lísteček s poopravenými výchozími konstantami.

Tak se tomuto živému počítači podařilo po několika týdnech dojít k výsledkům, které plně potvrdily správnost modelu. Pozoruhodné bylo na modelu zejména to, že teoreticky předpověděl později skutečně objevené gating currents, vznikající pohybem nabitých částic uvnitř membrány a zodpovědné za aktivaci a dezaktivaci výše zmíněných iontových propustností. Za tuto a ostatní práce, publikované zejména během roku 1952, byla v roce 1963 A. L. Hodgkinovi společně s A. F. Huxleym a J. Ecclesem udělena Nobelova cena. S odstupem několika desítek let můžeme dnes říci, že to patrně byla jedna z nejzaslouženějších. Jejich výsledky totiž skutečně přinesly tak dlouho hledané vysvětlení jednoho z nejdůležitějších mechanizmů v živých organizmech, totiž způsob, jakým vzniká a jakým se šíří informace živými systémy. Navíc posloužily jako základ pro pozdější molekulární řešení této problematiky. V osmdesátých letech byla vyvinuta metoda terčíkového záznamu (patch clamp), která umožnila pochopení mechanizmů odpovědných za Hodgkinem a Huxleym popsané napěťové závislosti membránových vodivostí. Není bez zajímavosti, že i za tyto práce získali jejich autoři E. Neher a B. Sakman roku 1991 Nobelovu cenu. ³⁾ To však už není historie, ale současnost. Až příště zapnete zesilovač do polohy voltage-clamp a začnete mikromanipulátorem pomalu přibližovat mikroelektrodu k vyhlédnutému neuronu, či až pak budete charakterizovat právě naměřený membránový proud konstantami vypočtenými z H–H rovnic, vzpomeňte na chvíli Alana Hodgkina, rozhodně si to zaslouží.