아치볼드 힐: 근육을 측정한 수학자

아치볼드 비비안 힐(Archibald Vivian Hill)은 수축하는 근육이 방출하는 열을 감지하여 노벨상을 수상했습니다. 그 열의 양이 너무 작아서 그는 그것을 관찰하기 전에 열전대를 개선해야 했습니다. 그는 젊은 시절에 산소가 헤모글로빈에 결합하는 방식을 여전히 설명하는 방정식을 이미 작성했습니다. 그는 또한 "힐의 무법자들(Hill's Brigands)"이라는 별명을 가진 전시 포병 부대를 운영했고, 레이더를 탄생시킨 위원회에 참여했으며, 나치 독일로부터 900명의 학자를 구출하는 것을 도왔습니다.

브리스톨과 케임브리지

힐은 1886년 9월 26일 브리스톨에서 조나단 힐(Jonathan Hill)과 에이다 프리실라 럼니(Ada Priscilla Rumney) 사이에서 태어났습니다. 그는 블런들 스쿨(Blundell's School)에서 교육을 받았고 케임브리지 대학교 트리니티 칼리지에 진학하여 수학을 공부했으며, 영국에서 가장 혹독한 시험인 트라이포스(wrangler)에서 학년 최고 상위권인 3위를 차지했습니다.

그런데 그는 생리학으로 전향했습니다. 이 전향은 그를 정의하게 되었는데, 그는 현상이 양으로 표현될 때까지는 이해된 것이 아니라는 수학자의 고집을 생물학에 도입했습니다.

1913년 그는 경제학자 존 네빌 케인즈(John Neville Keynes)의 딸이자 존 메이너드 케인즈(John Maynard Keynes)와 외과 의사 제프리 케인즈(Geoffrey Keynes)의 여동생인 마거릿 네빌 케인즈(Margaret Neville Keynes)와 결혼했습니다. 그들의 네 자녀는 모두 학자가 되었습니다. 폴리 힐(Polly Hill)은 경제학자, 데이비드 케인즈 힐(David Keynes Hill)은 생리학자, 자넷 힐(Janet Hill)은 아동 정신과 의사, 모리스 힐(Maurice Hill)은 해양학자가 되었습니다.

방정식

힐의 첫 번째 공헌은 그가 교육을 마치기도 전에 이루어졌습니다. 1909년, 여전히 학부생이었을 때, 그는 니코틴과 쿠라레가 신경근 접합부에서 결합하는 방식을 연구하던 중 현재 랭뮤어 방정식(Langmuir equation)으로 알려진 관계를 유도했습니다. 1910년 그는 산소가 헤모글로빈에 결합하는 방식을 설명하는 힐 방정식을 공식화했습니다.

힐 방정식은 한 세기가 지난 지금까지도 생화학에서 표준으로 남아 있습니다. 그 지수—힐 계수—는 협동성, 즉 한 부위에서의 결합이 다른 부위의 친화력을 변화시키는 정도를 미카엘리스-멘텐 동역학에서의 일탈로 표현하여 측정합니다. 그것은 분자가 신호에 반응하는 방식을 설명하는 일반적인 도구이며, 한 젊은이가 경력을 시작하기도 전에 그것을 유도했습니다.

힐의 무법자들

제1차 세계 대전은 그를 실험실에서 끌어냈습니다. 힐은 케임브리지셔 연대(Cambridgeshire Regiment)의 사격술 장교로 복무했으며, 1915년 말 군수부에 합류했습니다. 1915년의 대공 포병은 주로 추측에 의존했는데, 주로 아무도 항공기의 높이를 신뢰성 있게 측정할 수 없었기 때문입니다. 힐은 그것을 측정하기 위한 두 개의 거울 방식을 고안했고, 대공 실험 부서—나중에 "힐의 무법자들(Hill's Brigands)"로 알려지게 된 그룹—를 조직하여 대공포를 위한 정확한 사표(range table)를 만들어 냈습니다. 그는 1918년에 대영 제국 훈장(OBE)을 수여받았습니다.

근육 속의 열

1920년 힐은 빅토리아 맨체스터 대학교의 생리학 주임 교수가 되었고, 그에게 노벨상을 안겨줄 질문으로 돌아섰습니다. 근육이 수축할 때 에너지 측면에서 무슨 일이 일어나는가?

그가 직접 개선한 열전대 장비를 사용하여, 그는 근육이 방출하는 열을 정밀하게 측정했습니다. 결과는 명확하고 결정적이었습니다. 열은 수축하는 동안 생산되며, 이는 화학 에너지의 투자를 필요로 합니다. 수동적인 이완 중에는 생산되지 않습니다. 따라서 근육은 열역학의 일반적인 회계 장부에 놓이게 되었습니다. 즉, 화학 에너지를 일과 열로 변환하는 기계이자, 측정 가능한 장부를 가진 기계였습니다.

1922년 그는 운동 생리학에서 결코 사라지지 않은 두 가지 개념을 도입했습니다. 최대 산소 섭취량과 산소 빚입니다. 모든 현대적인 운동 능력 측정은 이들로부터 비롯됩니다. 그의 연구는 오토 프리츠 마이어호프(Otto Fritz Meyerhof)의 동일 과정 화학에 관한 연구와 평행하게 진행되었고, 1922년 두 사람은 노벨 생리의학상을 공동 수상했습니다. 힐의 수상 업적은 "근육에서의 열 발생과 기계적 일에 대한 그의 해명"이었습니다.

학과의 창설

힐은 1923년 유니버시티 칼리지 런던(University College London)의 교수가 되었고 1951년 은퇴할 때까지 그곳에 머물렀으며, 그 해에 그곳에 생물物理학부를 설립했습니다. 그는 헤르만 폰 헬름홀츠(Hermann Helmholtz)와 함께 생물리학의 창시자로 여겨집니다. 즉, 살아있는 조직은 물리 법칙을 따르며 그에 따라 계측될 수 있다는 주장이었습니다.

영예가 꾸준히 뒤따랐습니다. 1918년 왕립 학회 펠로(Fellow of the Royal Society), 1926년 로열 메달, 1928년 액토니언 상(Actonian Prize), 1934년 미국 예술 과학 아카데미 외국인 회원, 1938년 미국 철학 학회 회원, 1946년 컴패니언 오브 아너(Companion of Honour), 1948년 코플리 메달을 받았습니다.

구조

1933년, 히틀러가 권력을 잡고 독일 대학들이 유대인 학자들을 축출하기 시작했을 때, 힐은 윌리엄 베버리지(William Beveridge), 러더퍼드 경(Lord Rutherford)과 함께 학술원조위원회(Academic Assistance Council)를 공동 설립했습니다. 전쟁이 발발할 무렵 이 위원회는 나치의 박해로부터 900명의 학자를 구출했으며, 그 중 18명은 노벨상을 수상했습니다. 그의 손자 니콜라스 험프리(Nicholas Humphrey)는 힐의 하이게이트 집이 한 번에 18명의 망명한 노벨상 수상자를 정기적으로 주최했다고 회상했습니다.

힐은 실험실에 히틀러의 장난감 피겨를 보관하며, 그것이 독일이 그에게 넘겨준 과학자들에 대한 그의 감사를 상징한다고 설명했습니다. "웃음은," 그가 말했다, "헛소리에 대한 가장 좋은 세제이다."

의회와 제2차 세계 대전

그는 패트릭 블래킷(Patrick Blackett), 헨리 티자드(Henry Tizard)와 함께 1935년 레이더를 개발한 위원회에서 복무했습니다. 1940년부터 1945년까지 그는 케임브리지 대학교의 무소속 하원의원으로 하원에 재직했습니다. 1940년 워싱턴 주재 영국 대사관에 파견되어 과학적 협력을 촉구했으며, 원자 무기 연구를 제외하고는 여전히 중립국이었던 미국의 관료들과 연구를 공유하도록 자국 정부를 설득했습니다. 그는 또한 영국의 적성 외국인으로 억류되었던 난민 과학자들을 석방하기 위해 일했습니다.

1943년 11월부터 1944년 4월 사이 그는 인도를 순방하며 과학 연구를 조사했고, 그의 권고는 인도 공과대학교(Indian Institutes of Technology)의 설립을 구체화하는 데 도움을 주었습니다.

말년

힐은 1952년 영국 과학 진흥 협회(British Association for the Advancement of Science)의 회장을 맡았고 1955년부터 1960년까지 해양 생물학 협회(Marine Biological Association) 회장을 지냈습니다. 그는 1967년 케임브리지로 은퇴하여 점차 두 다리의 사용을 잃었습니다. 그는 1977년 6월 3일 90세의 나이로 그곳에서 사망했으며, 전 세계의 100명이 넘는 과학적 후손들로부터 깊은 애정을 받았습니다. 영국 유산 위원회(English Heritage)는 2015년 9월 9일 그의 하이게이트 자택에 푸른 명판을 설치했습니다.

힐이 중요한 이유

힐은 생리학을 정량화했습니다. 그는 아무도 달성하지 못한 정밀도로 근육의 에너지를 측정했고, 생화학에 매일 사용되는 방정식을 주었으며, 그 방법을 이어갈 학과와 학문 분야를 창설했습니다. 그런 다음 그는 남은 생애를 실험실 밖의 문제들—대공포, 레이더, 전시 동맹, 그리고 정부가 말살하고자 했던 900명 학자의 삶—에 동일한 진지함을 적용하는 데 바쳤습니다.