Нобелови лауреати – 1963 година - Физиология или медицина – Джон Екълс

Джон Екълс (John Eccles)

27 януари 1903 г. – 2 май 1997 г.

Нобелова награда за физиология или медицина (заедно с Андрю Хъксли и Алън Ходжкин)

(За откритията му, свързани с йонните механизми, участващи във възбуждането и задържането в периферните и централните части на мембраната на нервните клетки.)

Австралийският физиолог Джон Керю Екълс е роден в Мелбърн. Майка му, Мери (Керю) Екълс, и баща му, Уилям Джеймс Екълс, са учители. Джон е по-голямото от двете деца в семейството. Три години той учи в училище в Уорнамбул (щат Виктория), а след това се връща в Мелбърн, където през 1919 г. завършва ученическите си години. След това постъпва в Мелбърнския университет, за да получи медицинско образование. Силно го привлича също така философията, особено „природата на мисленето и съзнанието и взаимната им връзка с мозъчната дейност“. Още тогава той си поставя за цел да стане сътрудник на известния неврофизиолог Чарлз Шерингтън. През 1925 г. Екълс получава диплома по медицина с отличие и званието бакалавър по медицина в Мелбърнския университет. След това продължава образованието си в колежа „Модлин“ в Оксфорд, две години по-късно получава диплома с отличие и започва да работи с Шерингтън като младши научен сътрудник.

По това време Шерингтън е вече добре познат със своите прецизни и всестранни изследвания за съвместното функциониране на мускулите и нервните структури при рефлексите. На основата на свои данни и на изследванията на основателя на невроанатомията Сантяго Рамон и Кахал той формулира понятието за синапса, иначе казано – за структурата, в която електрическият нервен импулс (потенциалът на действие) се предава от една нервна клетка (неврон) на друга. Освен това Шерингтън открива, че макар основна особеност на нервните клетки да е електрическата им възбудимост, не всички нервни клетки възбуждат другите. Оказва се, че задържането е също толкова важно свойство на нервните връзки като възбуждането. Но по това време не е известно как се разпространява възбуждането по отделните нерви и синапсите и по какво се различава задържащите импулси от възбуждащите.

Опитите, направени от Ото Льови и Хенри Дейл в края на 20-те и началото на 30-те години, свидетелстват, че нервните сигнали се предават чрез синапсите с помощта на химически медиатори (невротрансмитери) като ацетилхолина. Подобно поведение се отличава съществено от електрическото разпространение на потенциала на действие в нервите. Екълс не е съгласен с тази хипотеза. Той смята, че скоростта на предаване чрез синапсите е прекалено висока и затова подобно поведение не може да се дължи на химическа дифузия. Така че той е привърженик на електрическата хипотеза за предаване чрез синапсите.

През 1929 г. Екълс е удостоен с магистърска и докторска степен. През 1935 г. заема длъжността преподавател по физиология в колежа „Модлин“. През тези години в Европа се чувства наближаването на войната и през 1937 г. Екълс се връща в Австралия, като получава поста директор на Института по патология към болницата в Сидни. Там той създава изследователска лаборатория и скоро привлича редица известни учени, включително Бернард Кац и Стефан Кафлер.

Екълс, Кац и Кафлер изследват влиянието на химическите вещества върху предаването на възбуждането от нервните клетки към мускулните влакна (подобни изследвания, проведени от Даниел Бове, довеждат до откриването на съвременните миорелаксанти и анестетици). По-късно Екълс пише: „Данните за влиянието на антихолиностеразните средства [вещества, инхибиращи действието на определени ферменти], което се проявява в увеличаване на интензивността и продължителността на възбуждането в нервно-мускулните синапси, ме накара да направя през 1942 г. окончателното заключение, че медиатор за нервното възбуждане е ацетилхолина“. Този извод кара Екълс да се откаже от хипотезата за електрическото предаване, поне що се отнася до нервно-мускулните синапси.

След началото на Втората световна война Екълс е принуден да прекъсне своите изследвания и със задача от комисията към австралийските въоръжени сили работи от 1941 до 1943 г. над проблеми, засягащи зрението и „въздушната (морската) болест“.

През 1944 г. Екълс се мести в Нова Зеландия, където получава поста професор по физиология в медицинския колеж към университета в Отаго. Там той се запознава с Карл Попър – един от най-големите философи на ХХ в., занимаващ се с проблемите на науката. Попър смята, че главна роля в научния прогрес играе опровергаването на хипотезите. Неговите идеи въодушевяват Екълс, който е загрижен за съдбата на хипотезата за електрическото предаване чрез синапсите. Попър успява да убеди Екълс да се опита да опровергае собствената си хипотеза, като го уверява, че това няма да е по-малко важно от намирането на доводи в нейна полза.

Вдъхновен от съветите на Попър, Екълс разработва методика за дразнене и регистриране на активността на невроните в гръбначния мозък на котки. За целта тай въвежда в невроните тънки електроди. За да записва електрическата активност на няколко неврона, участващи съвместно при един или друг рефлекс, той използва специално устройство – така нареченият блок за електрическа стимулация и регистрация, разработен от Джек Кумбс, един от неговите сътрудници. Рефлекторна дъга се нарича пътят, по който преминават нервните импулси от чувствителните нервни окончания, възприемащи един или друг дразнител, през нервния център и нататък към мускула или жлезата, които отговарят на дразнението.

При състоянието на покой в нервните клетки вътрешната повърхност на мембраната има по отношение на външната повърхност отрицателен заряд от около 60 миливолта. Тази разлика в потенциалите се нарича потенциал на покой. А при възбуждане вътрешната повърхност на мембраната придобива положителен заряд по отношение на външната, след което бързо се възстановява първоначалният потенциал на покой. Това явление е открито и обяснено през 40-те и началото на 50-те години от Алън Ходжкин и Андрю Хъксли. Изследвайки синаптично свързаните помежду си неврони, Екълс доказва, че възбуждането на „дразнещия“ (пресинаптичния) неврон предизвиква в „дразнения“ (постсинаптичния) неврон възбуждащ постсинаптичен потенциал (ВПСП).

В типичните случаи на ВПСП мембранният потенциал се отклонява от равнището на покой (– 60 миливолта) до около – 50 миливолта. При това постсинаптичната клетка се доближава до такова състояние, при което възниква потенциал на действие; но потенциалът на действие се появява, когато потенциалът на постсинаптичния неврон достигне така нареченото прагово равнище (около – 40 миливолта), а един ВСПС не е достатъчен за това. Екълс и неговите сътрудници доказват, че потенциалът на действие се появява в резултат от сбора на няколко ВПСП.

При изучаването на нервните вериги Екълс открива, че някои от тези вериги не са възбуждащи, а задържащ. В тези случаи възбуждането на пресинаптичния неврон предизвиква така нареченият задържащ постсинаптичен потенциал (ЗПСП), повишаващ потенциала на покой на около 15 миливолта. През 1951 г. Екълс съобщава за своето откритие, като го нарича смъртоносен удар върху хипотезата за електрическото предаване в синапсите, защото от позициите на тази хипотеза не може да се обясни как „положителният“ потенциал на действие от пресинаптичната клетка може да се превърне в синапса на отрицателен ЗПСП в постсинаптичната клетка.

През същата година Екълс напуска Нова Зеландия, защото прекалено голямата педагогическа натовареност пречи на научните му изследвания. В продължение на една година той чете лекции в колежа „Модлин“, а след това занимава за Канбера и започва да работи в току-що създадения Австралийски национален университет. В Камбера се мести и Джек Кумбс и двамата продължават своята съвместна работа, засягаща изучаването на процесите на възбуждане и задържане. При което откриват, че разрядът на неврона зависи от аритметичната сума на възникващите в него ЗПСП и ВПСП. Освен това те доказват, че всеки неврон може да оказва или задържащо, или възбуждащо действие, но не и двете едновременно. Това означава, че невронът отделя медиатор само от един вид. По-нататък Екълс изучава движението на различните йони във възбуждащите или задържащите синапси (йоните са атоми или групи от атоми, носещи положителен или отрицателен електрически заряд).

По времето, когато получава Нобеловата награда, Екълс се заема с изучаване на дейността на малкия мозък – раздел от главния мозък, контролиращ координацията на мускулните движения. Основните клетки на малкия мозък са описани от Рамон и Кахал още в началото на века. Екълс анализира взаимните им връзки и достига до извода, че в малкия мозък задържането играе особено важна роля. Когато достига възрастта да задължително пенсиониране, Екълс напуска Австралийския национален университет, но – желаейки да продължи своите изследвания, се мести през 1966 г. в Чикаго и заема поста директор на Института за биомедицински изследвания към Американската медицинска асоциация. Заради лични и административни конфликти той е принуден да напусне през 1968 г. Чикаго и да заеме поста почетен професор по физиология и медицина в университета на щата Ню Йорк в Бъфало. Там Екълс продължава своите изследвания за дейността на малкия мозък до 1975 г., когато се пенсионира и се мести в Швейцария, където най-сетне получава възможността да се заеме с философските проблеми, които го интересуват от млади години.

През 1928 г. Екълс се жени за Айрин Франсис Милър. Семейството има четирима синове и пет дъщери. През 1968 г. съпрузите се развеждат и през същата година Екълс се жени за Хелена Таборикова, медик и учен от Чехословакия. Таборикова участва в много по-следващи изследвания на Екълс.

Екълс е чуждестранен член на Американската академия на науките и изкуствата и на Италианската национална академия на науките. Освен тона е член на Папската академия, на Американското философско дружество, на американската Национална академия на науките, на Индийската kационална академия на науките и на Белгийската кралска академия на науките. Присъдени са му Кралският медал на Лондонското кралско дружество (1962 г.) и медала Котениус на Германската академия на естествоизпитателите „Леополдина“.

Превод от руски: Павел Б. Николов