Archibald Hill: Der Mathematiker, der den Muskel maß

Archibald Vivian Hill gewann einen Nobelpreis für den Nachweis der Wärme, die von einem sich zusammenziehenden Muskel abgegeben wird — Mengen, die so gering waren, dass er das Thermoelement verbessern musste, bevor er sie überhaupt sehen konnte. Schon als junger Mann hatte er die Gleichung niedergeschrieben, die bis heute beschreibt, wie Sauerstoff an Hämoglobin bindet. Zudem leitete er im Krieg eine Flak-Einheit mit dem Spitznamen „Hills Briganten“, saß in dem Ausschuss, der das Radar entwickelte, und half dabei, neunhundert Akademiker aus dem nationalsozialistischen Deutschland zu retten.

Bristol und Cambridge

Hill wurde am 26. September 1886 in Bristol als Sohn von Jonathan Hill und Ada Priscilla Rumney geboren. Er besuchte die Blundell's School und ging an das Trinity College in Cambridge, wo er Mathematik studierte und als Dritter in der Rangliste (Third Wrangler) abschnitt — unter den Besten seines Jahrgangs bei der anstrengendsten Prüfung Großbritanniens.

Dann wechselte er zur Physiologie. Dieser Schritt prägte ihn: Er brachte die mathematische Überzeugung in die Biologie ein, dass ein Phänomen erst dann verstanden ist, wenn es als Größe ausgedrückt wird.

1913 heiratete er Margaret Neville Keynes, die Tochter des Ökonomen John Neville Keynes und Schwester von John Maynard Keynes sowie des Chirurgen Geoffrey Keynes. Alle vier Kinder des Paares wurden Akademiker: Polly Hill als Ökonomin, David Keynes Hill als Physiologe, Janet Hill als Kinderpsychiaterin und Maurice Hill als Ozeanograf.

Die Gleichungen

Hills erste Beiträge entstanden, bevor er seine Ausbildung abgeschlossen hatte. 1909, noch Student, leitete er die heute als Langmuir-Gleichung bekannte Beziehung her, während er untersuchte, wie Nikotin und Curare an der neuromuskulären Endplatte binden. 1910 formulierte er die Hill-Gleichung, die beschreibt, wie Sauerstoff an Hämoglobin bindet.

Die Hill-Gleichung ist ein Jahrhundert später in der Biochemie nach wie vor ein Standard. Ihr Exponent — der Hill-Koeffizient — misst die Kooperativität, also das Ausmaß, in dem die Bindung an einer Stelle die Affinität der anderen verändert, ausgedrückt als Abweichung von der Michaelis-Menten-Kinetik. Sie ist das gängige Werkzeug zur Beschreibung, wie ein Molekül auf ein Signal reagiert, und ein junger Mann leitete sie her, bevor er überhaupt eine Karriere vorweisen konnte.

Hills Briganten

Der Erste Weltkrieg riss ihn aus dem Labor. Hill diente als Schießoffizier des Cambridgeshire-Regiments und trat Ende 1915 in das Ministerium für Munition ein. Die Flugabwehrartillerie im Jahr 1915 beruhte größtenteils auf Mutmaßungen, vor allem weil niemand die Höhe eines Flugzeugs verlässlich bestimmen konnte. Hill entwarf eine Zwei-Spiegel-Methode zu ihrer Messung und stellte die Flugabwehr-Versuchsabteilung zusammen — die Gruppe, die als „Hills Briganten“ bekannt wurde und präzise Schusstafeln für Flakgeschütze lieferte. 1918 wurde er zum Officer of the Order of the British Empire (OBE) ernannt.

Wärme im Muskel

1920 übernahm Hill den Lehrstuhl für Physiologie an der Victoria University of Manchester und wandte sich der Frage zu, die ihm den Nobelpreis einbringen sollte: Was geschieht energetisch, wenn sich ein Muskel zusammenzieht?

Mit selbst verbesserten Thermoelementen führte er präzise Messungen der von einem Muskel freigesetzten Wärme durch. Das Ergebnis war eindeutig und klar. Wärme entsteht während der Kontraktion, die einen Einsatz chemischer Energie erfordert; sie entsteht nicht während der Erschlaffung, die passiv verläuft. Damit wurde der Muskel in die gewöhnliche Bilanzierung der Thermodynamik eingereiht — eine Maschine, die chemische Energie in Arbeit und Wärme umwandelt, mit einem messbaren Ledger.

1922 führte er zwei Konzepte ein, die aus der Sportphysiologie nie mehr verschwunden sind: die maximale Sauerstoffaufnahme und die Oberschuld (Sauerstoffschuld). Jedes moderne Maß für die athletische Leistungsfähigkeit geht auf sie zurück. Seine Arbeit lief parallel zu Otto Fritz Meyerhofs Forschungen über die Chemie desselben Prozesses, und 1922 teilten sich die beiden den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, wobei Hills Begründung lautete: „für seine Aufklärung der Erzeugung von Wärme und mechanischer Arbeit in den Muskeln“.

Begründung einer Disziplin

Hill wurde 1923 Professor am University College London und blieb dort bis zu seiner Emeritierung 1951, in dem Jahr, als er dort eine Abteilung für Biophysik gründete. Er gilt neben Hermann Helmholtz als Begründer der Biophysik — der Überzeugung, dass lebendes Gewebe physikalischen Gesetzen gehorcht und dementsprechend instrumentell gemessen werden kann.

Die Ehrungen folgten Schlag auf Schlag: 1918 Fellow der Royal Society, 1926 die Royal Medal, 1928 der Actonian Prize, 1934 auswärtiges Mitglied der American Academy of Arts and Sciences und 1938 der American Philosophical Society, 1946 Companion of Honour sowie 1948 die Copley-Medaille.

Rettung

Als Hitler 1933 die Macht übernahm und die deutschen Universitäten begannen, jüdische Wissenschaftler zu vertreiben, gründete Hill zusammen mit William Beveridge und Lord Rutherford den Academic Assistance Council. Bis zum Ausbruch des Krieges hatte dieser 900 Akademiker vor der nationalsozialistischen Verfolgung gerettet; acht von ihnen erhielten später den Nobelpreis. Sein Enkel Nicholas Humphrey erinnerte sich, dass in Hills Haus in Highgate regelmäßig achtzehn im Exil lebende Nobelpreisträger gleichzeitig zu Gast waren.

Hill bewahrte eine Spielzeugfigur von Hitler in seinem Labor auf und erklärte, sie stehe für seine Dankbarkeit gegenüber den Wissenschaftlern, die Deutschland ihm übergeben hatte. „Lachen“, sagte er, „ist das beste Reinigungsmittel gegen Unsinn.“

Parlament und ein zweiter Krieg

Er gehörte 1935 dem Ausschuss an, der das Radar entwickelte, gemeinsam mit Patrick Blackett und Henry Tizard. Von 1940 bis 1945 saß er als unabhängiger Abgeordneter für die University of Cambridge im House of Commons. 1940 an die britische Botschaft in Washington entsandt, drängte er auf wissenschaftliche Zusammenarbeit und überredete seine eigene Regierung, ihre Forschung mit Vertretern der noch neutralen Vereinigten Staaten zu teilen — mit Ausnahme von Arbeiten über Atomwaffen. Zudem setzte er sich dafür ein, geflüchtete Wissenschaftler zu befreien, die Großbritannien als feindliche Ausländer interniert hatte.

Zwischen November 1943 und April 1944 bereiste er Indien, um dessen wissenschaftliche Forschung zu begutachten; seine Empfehlungen trugen zur Gründung der Indian Institutes of Technology bei.

Letzte Jahre

Hill präsidierte 1952 die British Association for the Advancement of Science und von 1955 bis 1960 die Marine Biological Association. 1967 zog er sich nach Cambridge zurück und verlor allmählich die Fähigkeit zu gehen. Er starb dort am 3. Juni 1977 im Alter von neunzig Jahren, tief geschätzt von mehr als einhundert wissenschaftlichen Nachkommen auf der ganzen Welt. English Heritage brachte am 9. September 2015 eine blaue Gedenktafel an seinem Haus in Highgate an.

Warum Hill wichtig ist

Hill machte die Physiologie quantitativ. Er maß die Energie im Muskel mit einer von niemandem zuvor erreichten Präzision, schenkte der Biochemie eine bis heute täglich genutzte Gleichung und gründete eine Abteilung sowie eine Disziplin, um diese Methode fortzuführen. Danach verbrachte er den Rest seines Lebens damit, dieselbe Ernsthaftigkeit auf Probleme außerhalb des Labors anzuwenden — Flakfeuer, Radar, Kriegsbündnisse und das Leben von neunhundert Akademikern, deren Vernichtung eine Regierung beschlossen hatte.