Adolf Fick: Der Physiker, der das Leben maß

Im Jahr 1870 stand ein Professor der Physiologie vor der Physikalisch-Medizinischen Gesellschaft zu Würzburg und gestand seine Verblüffung – nicht über die Schwierigkeit seiner Idee, sondern über ihre Offensichtlichkeit. Niemand, so sagte Adolf Fick dem Raum, sei bisher auf die „folgende naheliegende Methode“ gekommen, um direkt zu bestimmen, wie viel Blut der Ventrikel bei jeder Systole ausstößt. Was folgte, erforderte kein neues Instrument und keine neue Operation, nur eine Arithmetik, die so sauber war, dass sie wie Mogelei wirkte. Anderthalb Jahrhunderte später behandeln Kardiologen diese Arithmetik immer noch als den Goldstandard, an dem jede konkurrierende Messung des Herzzeitvolumens gemessen wird.

Ein Mathematiker im Arztkittel

Fick wurde am 3. September 1829 in Kassel in eine Familie geboren, die ihren Namen auf mehr als einer Seite der deutschen Wissenschaft verewigen sollte. Sein Bruder war Franz Ludwig Fick; sein Neffe, Adolf Gaston Eugen Fick, sollte später 1887 eine der ersten gläsernen Kontaktlinsen als Behandlung für irregulären Astigmatismus anpassen – ein frühes und berüchtigt unbequemes Gerät, das nicht lange getragen werden konnte.

Er kam auf Umwegen zur Medizin. Seine formale Ausbildung begann in Mathematik und Physik, und erst danach wandte er sich der medizinischen Fakultät zu, promovierte 1851 an der Universität Marburg und arbeitete eine Zeit lang als Prosektor, der Anatomietechniker, der Leichen für Demonstrationen vorbereitet. Diese Reihenfolge der Operationen erklärt fast alles über die Karriere, die folgte. Fick kam nicht zur Physiologie auf der Suche nach physikalischen Analogien; er kam bereits mit ihnen und verbrachte sein Leben damit, zu entdecken, wie sehr sich der Körper ihnen unterwerfen würde.

Ueber Diffusion

Er war fünfundzwanzig, als er die Arbeit veröffentlichte, die seinen Namen dauerhaft machte. „Ueber Diffusion“ erschien 1855 in den Annalen der Physik, Band 94, Seiten 59 bis 86, mit einer englischen Übersetzung im Philosophical Magazine. Das Problem war nicht neu. Thomas Graham hatte bereits experimentell gezeigt, dass sich gelöste Substanzen mit messbaren Geschwindigkeiten durch Flüssigkeiten ausbreiten. Was Graham nicht geliefert hatte, war ein Gesetz.

Fick lieferte eines durch Analogie. Wärme fließt gemäß dem Fourier-Gesetz entlang eines Temperaturgradienten; elektrische Ladung fließt gemäß dem Ohmschen Gesetz entlang eines Potenzialgradienten; es gab keinen Grund, so schlussfolgerte er, warum sich gelöstes Salz anders verhalten sollte, wenn es entlang eines Konzentrationsgradienten fließt. Also schrieb er die Beziehung auf – Fluss proportional zur Steilheit des Gradienten – und ging dann an den Labortisch, um herauszufinden, ob die Natur zustimmte. Unter Verwendung eines Apparats, der dem von Graham nachempfunden war, maß er Salzkonzentrationen und Diffusionsflüsse zwischen zwei Reservoirs, die durch wassergefüllte Röhren verbunden waren. Die Natur stimmte zu. Diffusion in Festkörpern galt damals nicht als untersuchbar, daher wurden die Gesetze in Flüssigkeiten etabliert und erst später erweitert.

Der Schritt war charakteristisch für seine Epoche. Darcy formulierte ein analoges Gesetz für den hydraulischen Fluss durch poröse Medien; das Fourier-Gesetz für Wärme war bereits kanonisch; das Ohmsche für Ladung ebenso. Ficks Beitrag bestand darin, die Familienähnlichkeit zu erkennen und das fehlende Mitglied zu beanspruchen. Was als Werkzeug eines Physiologen zum Verständnis des Gasaustauschs über Membranen begann, untermauert heute die Halbleiterherstellung, die Formulierung von Medikamentenfreisetzung, die Lebensmittelwissenschaft und einen großen Teil der industriellen Chemie.

Das erste Buch der Biophysik

Ein Jahr später, 1856, veröffentlichte er Die medizinische Physik – allgemein als das wahrscheinlich erste jemals geschriebene Biophysik-Lehrbuch angesehen. Der Anspruch, der in diesem Titel steckte, war nicht bescheiden. Er behauptete, dass der lebende Körper kein Bereich ist, der seine eigenen speziellen Erklärungsprinzipien erfordert, sondern ein physikalisches System, das der Messung, den Differentialgleichungen und dem gewöhnlichen Inventar des physikalischen Hörsaals zugänglich ist. Er arbeitete auch wesentlich an der Muskelphysiologie, dem Zweig des Fachs, in dem mechanische Messungen am härtesten zubeißen.

Die Buchhaltung des Herzens

Die Methode von 1870 beruht auf der Erhaltung der Masse und sonst nichts. Blut erreicht das Gewebe mit Sauerstoff und verlässt es mit weniger; dieser Unterschied, multipliziert mit dem Volumen des Blutes, das vorbeigeflossen ist, muss gleich dem Sauerstoff sein, den der Körper verbraucht hat. Stellen Sie es um, und das Herzzeitvolumen wird zum Sauerstoffverbrauch geteilt durch die arterio-venöse Sauerstoffdifferenz. Messen Sie, wie viel Sauerstoff ein Patient verbrennt, entnehmen Sie eine Probe des Sauerstoffgehalts des arteriellen und venösen Blutes, teilen Sie – und Sie haben das Volumen eines Herzens, das Sie nie berührt haben.

Dies war radikal, weil es das Organ vollständig umging. Frühere Versuche, die Arbeit des Herzens zu wiegen, erforderten den Zugang zum Herzen. Das Fick-Prinzip behandelt den Kreislauf als versiegelte Box und befragt ihn von außen, wobei es Buchhaltung verwendet, um eine Menge zu erreichen, die direkte Beobachtung nicht konnte.

Es ist kein perfektes Instrument, und es hat nie behauptet, eines zu sein. Wo die arterio-venöse Differenz gering ist, werden kleine Probenahmefehler stark verstärkt. Intrakardiale Shunts verfälschen die Sauerstoffwerte. Bei Lungenentzündung kann der von der Lunge selbst verbrauchte Sauerstoff das berechnete Volumen um 13 bis 15 Prozent in die Höhe treiben. Die Annahme des stationären Zustands versagt bei einem hämodynamisch instabilen Patienten. Selbst wenn sie direkt und sorgfältig durchgeführt wird, liegt die direkte Fick-Methode innerhalb von etwa acht Prozent der Wahrheit. Sie bleibt dennoch der Referenzstandard, weil alles andere daran kalibriert wird.

Einunddreißig Jahre in Würzburg

Von 1868 bis 1899 hatte Fick den Lehrstuhl für Physiologie an der Julius-Maximilians-Universität in Würzburg inne – drei Jahrzehnte in einer Abteilung, lange genug, um eine Generation deutscher Physiologen nach seinem eigenen quantitativen Bild zu formen. Eine von der Universität errichtete Gedenktafel in der Kapuzinerstraße markiert noch heute das Haus, in dem er lebte. Er starb am 21. August 1901 in Blankenberge an der flämischen Küste im Alter von einundsiebzig Jahren.

Warum Adolf ein Genie genannt wird

Die Qualität, die in Ficks bester Arbeit zum Ausdruck kommt, ist nicht rohe Rechenleistung oder enzyklopädische Beherrschung von Fakten. Es ist eine besondere Art von strukturellem Sehen: die Fähigkeit, ein ungelöstes Problem in einem Bereich zu betrachten und zu erkennen, dass es formal identisch mit einem gelösten Problem in einem anderen ist. Er tat dies zweimal auf höchstem Niveau. Diffusion wurde zur Fourier-Wärmegleichung mit einer anderen substituierten Variablen. Das Herzzeitvolumen wurde zu einem Massenerhaltungs-Hauptbuch. Keine der beiden Erkenntnisse erforderte Apparate, die niemand sonst besaß; beide erforderten das Sehen einer Form, durch die alle anderen hindurchgeschaut hatten – was genau der Grund ist, warum er der Würzburger Gesellschaft mit offensichtlicher Überraschung sagen konnte, dass seine Herzmethode „offensichtlich“ sei.

Der Gegenfall ist real und sollte dargelegt werden. Fick hat die Diffusion nicht entdeckt; Grahams Experimente kamen zuerst, und Ficks eigener Apparat war dem von Graham nachempfunden. Er leitete sein Gesetz nicht so sehr aus ersten Prinzipien ab, als dass er es im Großen aus der thermischen Physik importierte und dann experimentell verifizierte. Er führte die von ihm vorgeschlagene Herzmessung nie selbst durch: Die Mittel zur sicheren Entnahme von gemischtem venösem Blut existierten 1870 nicht, und die Methode wartete Jahrzehnte auf den Herzkatheter, um sie nutzbar zu machen. Eine strenge Lesart lässt ihn eher als brillanten Analogisten und Formalisierer denn als Urheber erscheinen. Aber Formalisierung ist nicht die geringere Tat. Grahams Ergebnisse ohne Ficks Gesetz sind eine Tabelle mit Zahlen; mit ihm werden sie zu einem physikalischen Prinzip, das auf jedes Medium und jede Disziplin übertragbar ist. Diese Übertragbarkeit ist das ganze Maß der Leistung.

Vermächtnis

Ficks Name überlebt an zwei Orten, die selten miteinander sprechen. In einem Materiallabor bestimmen Ficks Gesetze, wie Dotieratome durch Silizium kriechen. In einem Katheterlabor sagt das Fick-Prinzip einem Kardiologen, wie hart ein schwaches Herz arbeitet. Keine der beiden Gemeinschaften erinnert sich so vollständig an den Physiologen, der beides hervorgebracht hat, wie sie es könnte – die Kontaktlinse seines Neffen ist der Öffentlichkeit bekannter als beides. Aber die Überzeugung, die ihn trug, dass lebende Materie der gewöhnlichen Physik gehorcht und sich der gewöhnlichen Mathematik beugen wird, ist heute so vollständig die Grundlage der biomedizinischen Wissenschaft, dass sie unsichtbar geworden ist. Das ist die gründlichste Art von Sieg, die ein Wissenschaftler erringen kann.