Арчибальд Хилл: математик, который измерил мышцу

Арчибальд Вивиан Хилл (Archibald Vivian Hill) получил Нобелевскую премию за обнаружение тепла, выделяемого сокращающейся мышцей, — количеств настолько малых, что ему пришлось усовершенствовать термопару, прежде чем он смог их увидеть. Будучи молодым человеком, он уже записал уравнение, которое до сих пор описывает то, как кислород связывается с гемоглобином. Он также руководил артиллерийским подразделением времен войны по прозвищу «Бригада Хилла», заседал в комитете, создавшем радар, и помог спасти девятьсот ученых из нацистской Германии.

Бристоль и Кембридж

Хилл родился 26 сентября 1886 года в Бристоле в семье Джонатана Хилла (Jonathan Hill) и Ады Присциллы Румни (Ada Priscilla Rumney). Он учился в школе Бланделл (Blundell's School) и поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета, где изучал математику и стал «рэнглером» (wrangler) — занял одно из самых высоких мест на своем курсе по результатам самого сложного экзамена в Великобритании.

Затем он переключился на физиологию. Этот шаг определил его судьбу: он принес в биологию математическое убеждение в том, что явление не понято до тех пор, пока оно не выражено в количественной форме.

В 1913 году он женился на Маргарет Невилл Кейнс (Margaret Neville Keynes), дочери экономиста Джона Невилла Кейнса (John Neville Keynes) и сестре Джона Мейнарда Кейнса (John Maynard Keynes) и хирурга Джеффри Кейнса (Geoffrey Keynes). Все четверо их детей стали учеными: Полли Хилл (Polly Hill) — экономист, Дэвид Кейнс Хилл (David Keynes Hill) — физиолог, Джанет Хилл (Janet Hill) — детский психиатр, и Морис Хилл (Maurice Hill) — океанограф.

Уравнения

Первые научные достижения Хилла появились еще до окончания его учебы. В 1909 году, будучи студентом бакалавриата, он вывел соотношение, ныне известное как уравнение Ленгмюра (Langmuir equation), изучая то, как никотин и кураре связываются в нервно-мышечном синапсе. В 1910 году он сформулировал уравнение Хилла, описывающее связывание кислорода с гемоглобином.

Уравнение Хилла остается стандартным в биохимии и спустя столетие. Его показатель — коэффициент Хилла — измеряет кооперативность, то есть степень, в которой связывание в одном сайте изменяет сродство других, выраженную как отклонение от кинетики Михаэлиса — Ментен. Это обычный инструмент для описания того, как молекула реагирует на сигнал, и молодой человек вывел его еще до начала своей научной карьеры.

Бригада Хилла

Первая мировая война оторвала его от лабораторной работы. Хилл служил офицером стрелкового оружия в Кембриджширском полку, а в конце 1915 года присоединился к Министерству снабжения. Зенитная артиллерия в 1915 году в значительной степени полагалась на догадки, главным образом потому, что никто не мог надежно определить высоту полета самолета. Хилл разработал метод двух зеркал для ее измерения и собрал Секцию зенитных экспериментов — группу, ставшую известной как «Бригада Хилла» («Hill's Brigands»), которая создала точные таблицы стрельбы для зенитных орудий. В 1918 году он был удостоен звания офицера ордена Британской империи (OBE).

Тепло в мышце

В 1920 году Хилл занял кафедру физиологии в Университете Виктории в Манчестере и обратился к вопросу, который принесет ему Нобелевскую премию: что происходит с точки зрения энергетики при сокращении мышцы?

Используя усовершенствованное им самим термопарное оборудование, он провел точные измерения тепла, выделяемого мышцей. Результат оказался чистым и однозначным. Тепло выделяется во время сокращения, что требует затрат химической энергии; оно не выделяется во время расслабления, которое является пассивным. Таким образом, мышца была помещена в рамки обычной бухгалтерской отчетности термодинамики — как машина, преобразующая химическую энергию в работу и тепло, с поддающейся измерению бухгалтерской книгой.

В 1922 году он ввел два понятия, которые навсегда остались в физиологии спорта: максимальное потребление кислорода и кислородный долг. Каждое современное измерение атлетических способностей происходит от них. Его работа шла параллельно с работой Отто Фрица Майерхофа (Otto Fritz Meyerhof) по химии того же процесса, и в 1922 году они разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине; в формулировке Хилла говорилось: «за исследование производства тепла и механической работы в мышцах».

Основание дисциплины

Хилл стал профессором Университетского колледжа Лондона в 1923 году и оставался там до своего выхода на пенсию в 1951 году, в год, когда он основал там кафедру биофизики. Наряду с Германом фон Гельмгольцем (Hermann Helmholtz) он считается основоположником биофизики — направления, утверждающего, что живая ткань подчиняется законам физики и может быть соответствующим образом измерена приборами.

Награды следовали одна за другой: член Лондонского королевского общества в 1918 году, Королевская медаль в 1926 году, премия Актона в 1928 году, иностранное членство в Американской академии искусств и наук в 1934 году и Американском философском обществе в 1938 году, компаньон Кавалерства Почета в 1946 году и медаль Копли в 1948 году.

Спасение

В 1933 году, когда Гитлер пришел к власти и немецкие университеты начали изгнание ученых-евреев, Хилл вместе с Уильямом Бевериджем (William Beveridge) и лордом Резерфордом (Lord Rutherford) соучредил Совет помощи академическим кругам. К началу войны он спас от нацистских преследований 900 ученых; восемнадцать из них впоследствии получили Нобелевские премии. Его внук Николас Хамфри (Nicholas Humphrey) вспоминал, что в доме Хилла в Хайгейте регулярно собирались по восемнадцать изгнанных лауреатов Нобелевской премии одновременно.

Хилл хранил в своей лаборатории игрушечную фигурку Гитлера, объясняя, что она олицетворяет его благодарность за ученых, которых Германия передала ему. «Смех, — говорил он, — лучшее средство против чуши».

Парламент и вторая война

Он работал в комитете 1935 года, разработавшем радар, вместе с Патриком Блэкеттом (Patrick Blackett) и Генри Тизардом (Henry Tizard). С 1940 по 1945 год он заседал в Палате общин в качестве независимого члена парламента от Кембриджского университета. Будучи направлен в британское посольство в Вашингтоне в 1940 году, он добивался научного сотрудничества и убедил собственное правительство поделиться своими исследованиями с официальными лицами все еще нейтральных Соединенных Штатов — за исключением работ по ядерному оружию. Он также работал над освобождением ученых-беженцев, которых Великобритания интернировала как враждебных иностранцев.

С ноября 1943 по апрель 1944 года он совершил поездку по Индии, изучая ее научные исследования; его рекомендации помогли сформировать создание Индийских технологических институтов.

Последние годы

Хилл председательствовал в Британской ассоциации содействия развитию науки в 1952 году и в Морской биологической ассоциации с 1955 по 1960 год. Он вышел на пенсию в Кембридж в 1967 году и постепенно потерял способность ходить. Он скончался там 3 июня 1977 года в возрасте девяноста лет, окруженный глубокой любовью более чем ста научных потомков по всему миру. Английское наследие установило синюю мемориальную доску на его доме в Хайгейте 9 сентября 2015 года.

Почему Хилл важен

Хилл сделал физиологию количественной. Он измерил энергию в мышце с точностью, которой никто не достигал, он дал биохимии уравнение, используемое ежедневно и по сей день, и он основал кафедру и дисциплину для дальнейшего развития этого метода. Затем он провел остаток своей жизни, применяя ту же серьезность к проблемам вне лаборатории: зенитному огню, радару, военному союзу и жизням девятисот ученых, которых правительство хотело уничтожить.