أدولف فيك: الفيزيائي الذي قاس الحياة

في عام 1870، وقف أستاذ في علم وظائف الأعضاء أمام الجمعية الفيزيائية الطبية في فورتسبورغ واعترف بحيرته - ليس بسبب صعوبة فكرته، بل بسبب بداهتها. قال أدولف فيك للحاضرين إنه لم "يتوصل أحد بعد إلى الطريقة البديهية التالية" لتحديد كمية الدم التي يضخها البطين مع كل انقباضة بشكل مباشر. ما تلا ذلك لم يتطلب أي أداة جديدة أو جراحة جديدة، بل مجرد حسابات رياضية نظيفة لدرجة أنها بدت وكأنها غش. بعد قرن ونصف، لا يزال أطباء القلب يعاملون تلك الحسابات كمعيار ذهبي يتم من خلاله تقييم كل قياس منافس للنتاج القلبي.

عالم رياضيات يرتدي معطف الطبيب

ولد فيك في 3 سبتمبر 1829 في كاسل، لعائلة ستضع اسمها على أكثر من صفحة في تاريخ العلوم الألمانية. كان شقيقه فرانز لودفيج فيك؛ أما ابن أخيه، أدولف جاستون يوجين فيك، فسيقوم لاحقاً بتركيب واحدة من أوائل العدسات اللاصقة الزجاجية في عام 1887 كعلاج للاستجماتيزم غير المنتظم - وهو جهاز مبكر ومشهور بعدم راحته لدرجة أنه لا يمكن ارتداؤه لفترة طويلة.

وصل إلى الطب من طريق جانبي. بدأ تدريبه الرسمي في الرياضيات والفيزياء، وبعد ذلك فقط اتجه إلى كلية الطب، وحصل على الدكتوراه من جامعة ماربورغ في عام 1851 وعمل لفترة كمسؤول عن التشريح، وهو فني التشريح الذي يجهز الجثث للعروض التوضيحية. يفسر ترتيب العمليات هذا كل شيء تقريباً عن المسيرة المهنية التي تلت ذلك. لم يصل فيك إلى علم وظائف الأعضاء بحثاً عن تشبيهات فيزيائية؛ بل وصل وهو يمتلكها بالفعل، وقضى حياته في اكتشاف مدى خضوع الجسم لها.

عن الانتشار (Ueber Diffusion)

كان في الخامسة والعشرين من عمره عندما نشر الورقة التي جعلت اسمه خالداً. ظهرت "عن الانتشار" (Ueber Diffusion) في مجلة Annalen der Physik عام 1855، المجلد 94، الصفحات 59 إلى 86، مع ترجمة إنجليزية تلتها في مجلة Philosophical Magazine. لم تكن المشكلة جديدة. كان توماس جراهام قد أظهر بالفعل تجريبياً أن المواد المذابة تنتشر عبر السائل بمعدلات قابلة للقياس. ما لم يقدمه جراهام كان قانوناً.

قدم فيك قانوناً عن طريق القياس. تتدفق الحرارة على طول تدرج درجة الحرارة وفقاً لقانون فوريه؛ وتتدفق الشحنة الكهربائية على طول تدرج الجهد وفقاً لقانون أوم؛ ولم يكن هناك سبب، كما استنتج، يجعل الملح المذاب يتصرف بشكل مختلف عند تدفقه على طول تدرج التركيز. لذا كتب العلاقة - التدفق يتناسب مع انحدار التدرج - ثم ذهب إلى المختبر لمعرفة ما إذا كانت الطبيعة توافق على ذلك. باستخدام جهاز مصمم على غرار جهاز جراهام، قام بقياس تركيزات الملح وتدفقات الانتشار بين خزانين متصلين بأنابيب مملوءة بالماء. وافقت الطبيعة. لم يكن الانتشار في المواد الصلبة يعتبر قابلاً للدراسة في ذلك الوقت، لذا تم تأسيس القوانين في السوائل وتوسيعها لاحقاً.

كانت هذه الخطوة مميزة لعصره. كان دارسي يصيغ قانوناً مماثلاً للتدفق الهيدروليكي عبر الأوساط المسامية؛ وكان قانون فوريه للحرارة قانونياً بالفعل؛ وكذلك قانون أوم للشحنة. كانت مساهمة فيك هي التعرف على التشابه العائلي والمطالبة بالعضو المفقود. ما بدأ كأداة لعالم وظائف الأعضاء لفهم تبادل الغازات عبر الأغشية أصبح الآن يدعم تصنيع أشباه الموصلات، وصياغة إطلاق الأدوية، وعلوم الأغذية، وجزءاً كبيراً من الكيمياء الصناعية.

أول كتاب في الفيزياء الحيوية

بعد عام، في 1856، نشر كتاب Die medizinische Physik - "الفيزياء الطبية" - والذي يُعتبر عموماً أول كتاب مدرسي في الفيزياء الحيوية تم كتابته على الإطلاق. لم يكن الادعاء في هذا العنوان متواضعاً. فقد أكد أن الجسم الحي ليس مجالاً يتطلب مبادئ تفسيرية خاصة به، بل هو نظام فيزيائي، متاح للقياس، وللمعادلات التفاضلية، ولأثاث قاعة محاضرات الفيزياء العادي. كما عمل بشكل كبير على فسيولوجيا العضلات، وهو الفرع من الموضوع الذي تكون فيه القياسات الميكانيكية أكثر صرامة.

محاسبة القلب

تعتمد طريقة عام 1870 على حفظ الكتلة ولا شيء غير ذلك. يصل الدم إلى الأنسجة حاملاً الأكسجين ويغادر حاملاً كمية أقل؛ هذا الفرق، مضروباً في حجم الدم الذي مر، يجب أن يساوي الأكسجين الذي استهلكه الجسم. أعد الترتيب، ويصبح النتاج القلبي هو استهلاك الأكسجين مقسوماً على الفرق الشرياني الوريدي للأكسجين. قس كمية الأكسجين التي يحرقها المريض، وخذ عينة من محتوى الأكسجين في الدم الشرياني والوريدي، واقسم - وستحصل على نتاج قلب لم تلمسه أبداً.

كان هذا راديكالياً لأنه تجاوز العضو تماماً. كانت المحاولات السابقة لوزن عمل القلب تتضمن الوصول إلى القلب. يعامل مبدأ فيك الدورة الدموية كصندوق مغلق ويستجوبها من الخارج، باستخدام المحاسبة للوصول إلى كمية لم يكن الملاحظة المباشرة قادرة على الوصول إليها.

إنها ليست أداة مثالية، ولم تدعُ يوماً أنها كذلك. حيثما يكون الفرق الشرياني الوريدي ضيقاً، يتم تضخيم أخطاء أخذ العينات الصغيرة بشكل سيء. تفسد التحويلات داخل القلب قيم الأكسجين. في الالتهاب الرئوي، يمكن للأكسجين الذي تستهلكه الرئة نفسها أن يضخم النتاج المحسوب بنسبة 13 إلى 15 بالمائة. تفشل افتراضات الحالة المستقرة في مريض غير مستقر ديناميكياً. حتى عند تنفيذها مباشرة وبحذر، تقع طريقة فيك المباشرة ضمن حوالي ثمانية بالمائة من الحقيقة. ومع ذلك، تظل هي المعيار المرجعي، لأن كل شيء آخر يتم معايرته مقابلها.

واحد وثلاثون عاماً في فورتسبورغ

من 1868 إلى 1899، شغل فيك كرسي علم وظائف الأعضاء في جامعة يوليوس ماكسيميليان في فورتسبورغ - ثلاثة عقود في قسم واحد، وهي فترة كافية لتشكيل جيل من علماء وظائف الأعضاء الألمان على صورته الكمية. لا تزال لوحة في شارع كابوتسينرشتراسه، أقامتها الجامعة، تميز المنزل الذي عاش فيه. توفي في 21 أغسطس 1901 في بلانكنبيرج، على ساحل فلاندرز، عن عمر يناهز الحادية والسبعين.

لماذا يُدعى أدولف عبقرياً

الجودة المعروضة في أفضل أعمال فيك ليست قوة حسابية خام أو إتقان موسوعي للحقائق. إنها نوع خاص من الرؤية الهيكلية: القدرة على النظر إلى مشكلة غير محلولة في مجال ما والتعرف على أنها متطابقة رسمياً مع مشكلة محلولة في مجال آخر. فعل هذا مرتين على أعلى مستوى. أصبح الانتشار معادلة الحرارة لفوريه مع استبدال متغير مختلف. أصبح النتاج القلبي دفتر حسابات لحفظ الكتلة. لم تتطلب أي من الرؤيتين أجهزة لا يمتلكها أحد غيره؛ كلاهما تطلب رؤية شكل كان الجميع ينظرون من خلاله مباشرة - وهو بالضبط السبب الذي جعله يستطيع إخبار جمعية فورتسبورغ، بدهشة واضحة، أن طريقته القلبية كانت "بديهية".

الحالة المعاكسة حقيقية ويجب ذكرها. لم يكتشف فيك الانتشار؛ كانت تجارب جراهام أولاً، وكان جهاز فيك نفسه مصمماً على غرار جهاز جراهام. لم يشتق قانونه من المبادئ الأولى بقدر ما استورده بالجملة من الفيزياء الحرارية ثم تحققه تجريبياً. لم يقم أبداً بالقياس القلبي الذي اقترحه: لم تكن وسائل أخذ عينات الدم الوريدي المختلط بأمان موجودة في عام 1870، وانتظرت الطريقة عقوداً حتى جعلها قسطرة القلب قابلة للاستخدام. القراءة الصارمة تتركه كعالم قياس وتشكيل لامع بدلاً من كونه مبتكراً. لكن التشكيل ليس الفعل الأقل شأناً. نتائج جراهام بدون قانون فيك هي جدول من الأرقام؛ ومع القانون، تصبح مبدأ فيزيائياً قابلاً للتصدير إلى أي وسط وأي تخصص. تلك القابلية للنقل هي المقياس الكامل للإنجاز.

الإرث

يعيش اسم فيك في مكانين نادراً ما يتحدثان مع بعضهما البعض. في مختبر المواد، تحكم قوانين فيك كيفية زحف ذرات التطعيم عبر السيليكون. في جناح القسطرة، يخبر مبدأ فيك طبيب القلب بمدى صعوبة عمل القلب الفاشل. لا يتذكر أي من المجتمعين عالم وظائف الأعضاء الذي أنتج كليهما بالكامل كما ينبغي - عدسة ابن أخيه اللاصقة معروفة للجمهور أكثر من أي منهما. لكن القناعة التي حملته، بأن المادة الحية تخضع للفيزياء العادية وستخضع للرياضيات العادية، أصبحت الآن أساساً للعلوم الطبية الحيوية لدرجة أنها أصبحت غير مرئية. هذا هو النوع الأكثر شمولاً من النصر الذي يمكن لعالم أن يحققه.