Adolf Fick : Le physicien qui a mesuré la vie

En 1870, un professeur de physiologie s'est présenté devant la Société physico-médicale de Wurtzbourg et a avoué son étonnement — non pas devant la difficulté de son idée, mais devant son évidence. Personne, a déclaré Adolf Fick à l'assemblée, n'avait encore « trouvé la méthode évidente suivante » pour déterminer directement la quantité de sang éjectée par le ventricule à chaque systole. Ce qui a suivi ne nécessitait aucun nouvel instrument ni aucune nouvelle chirurgie, seulement une arithmétique si propre qu'elle semblait être une triche. Un siècle et demi plus tard, les cardiologues traitent toujours cette arithmétique comme l'étalon-or par lequel chaque mesure concurrente du débit cardiaque est jugée.

Un mathématicien portant la blouse de médecin

Fick est né le 3 septembre 1829 à Cassel, dans une famille qui inscrirait son nom sur plus d'une page de la science allemande. Son frère était Franz Ludwig Fick ; son neveu, Adolf Gaston Eugen Fick, adapterait plus tard l'une des premières lentilles de contact en verre, en 1887, comme traitement de l'astigmatisme irrégulier — un dispositif précoce et notoirement inconfortable qui ne pouvait pas être porté longtemps.

Il est arrivé à la médecine par un chemin détourné. Sa formation formelle a commencé en mathématiques et en physique, et ce n'est qu'ensuite qu'il s'est tourné vers la faculté de médecine, obtenant son doctorat à l'Université de Marbourg en 1851 et travaillant pendant un certain temps comme prosecteur, le technicien de l'anatomiste qui prépare un cadavre pour la démonstration. Cet ordre des opérations explique presque tout sur la carrière qui a suivi. Fick n'est pas arrivé à la physiologie en cherchant des analogies physiques ; il est arrivé en les possédant déjà, et a passé sa vie à découvrir jusqu'où le corps se soumettrait à elles.

Ueber Diffusion

Il avait vingt-cinq ans lorsqu'il a publié l'article qui a rendu son nom permanent. « Ueber Diffusion » est paru dans les Annalen der Physik en 1855, volume 94, pages 59 à 86, avec une traduction anglaise suivant dans le Philosophical Magazine. Le problème n'était pas nouveau. Thomas Graham avait déjà montré expérimentalement que les substances dissoutes se propagent à travers un liquide à des vitesses mesurables. Ce que Graham n'avait pas fourni, c'était une loi.

Fick en a fourni une par analogie. La chaleur s'écoule le long d'un gradient de température selon la loi de Fourier ; la charge électrique s'écoule le long d'un gradient de potentiel selon celle d'Ohm ; il n'y avait aucune raison, a-t-il raisonné, pour que le sel dissous se comporte différemment en s'écoulant le long d'un gradient de concentration. Il a donc écrit la relation — flux proportionnel à la pente du gradient — puis est allé au banc d'essai pour découvrir si la nature était d'accord. En utilisant un appareil calqué sur celui de Graham, il a mesuré les concentrations de sel et les flux de diffusion entre deux réservoirs reliés par des tubes remplis d'eau. La nature était d'accord. La diffusion dans les solides n'était pas considérée comme réalisable à l'époque, de sorte que les lois ont été établies dans les fluides et ne se sont étendues que plus tard.

La démarche était caractéristique de son époque. Darcy formulait une loi analogue pour l'écoulement hydraulique à travers des milieux poreux ; la loi de Fourier pour la chaleur était déjà canonique ; celle d'Ohm pour la charge également. La contribution de Fick a été de reconnaître la ressemblance familiale et de réclamer son membre manquant. Ce qui a commencé comme un outil de physiologiste pour comprendre l'échange gazeux à travers les membranes sous-tend désormais la fabrication des semi-conducteurs, la formulation de la libération des médicaments, la science alimentaire et une grande partie de la chimie industrielle.

Le premier livre de biophysique

Un an plus tard, en 1856, il a publié Die medizinische Physik — « Physique médicale » — généralement considéré comme probablement le premier manuel de biophysique jamais écrit. L'affirmation contenue dans ce titre n'était pas modeste. Elle affirmait que le corps vivant n'est pas un domaine exigeant ses propres principes explicatifs spéciaux, mais un système physique, disponible pour la mesure, pour les équations différentielles et pour le mobilier ordinaire de la salle de conférence de physique. Il a également beaucoup travaillé sur la physiologie musculaire, la branche du sujet où la mesure mécanique est la plus rigoureuse.

La comptabilité du cœur

La méthode de 1870 repose sur la conservation de la masse et rien d'autre. Le sang atteint les tissus en transportant de l'oxygène et en repart en transportant moins ; cette différence, multipliée par le volume de sang qui est passé, doit être égale à l'oxygène que le corps a consommé. Réorganisez, et le débit cardiaque devient la consommation d'oxygène divisée par la différence artério-veineuse en oxygène. Mesurez la quantité d'oxygène qu'un patient brûle, échantillonnez la teneur en oxygène du sang artériel et veineux, divisez — et vous avez le débit d'un cœur que vous n'avez jamais touché.

C'était radical car cela contournait complètement l'organe. Les tentatives antérieures pour peser le travail du cœur impliquaient d'atteindre le cœur. Le principe de Fick traite la circulation comme une boîte scellée et l'interroge de l'extérieur, en utilisant la comptabilité pour atteindre une quantité que l'observation directe ne pouvait pas.

Ce n'est pas un instrument parfait, et il n'a jamais prétendu l'être. Là où la différence artério-veineuse est étroite, les petites erreurs d'échantillonnage sont gravement amplifiées. Les shunts intracardiaques corrompent les valeurs d'oxygène. Dans la pneumonie, l'oxygène consommé par le poumon lui-même peut gonfler le débit calculé de 13 à 15 pour cent. L'hypothèse de l'état stationnaire échoue chez un patient hémodynamiquement instable. Même effectuée directement et soigneusement, la méthode directe de Fick se situe à environ huit pour cent de la vérité. Elle reste néanmoins la norme de référence, car tout le reste est calibré par rapport à elle.

Trente et un ans à Wurtzbourg

De 1868 à 1899, Fick a occupé la chaire de physiologie à l'Université Julius-Maximilians de Wurtzbourg — trois décennies dans un même département, assez longtemps pour façonner une génération de physiologistes allemands à sa propre image quantitative. Une plaque sur la Kapuzinerstraße, érigée par l'université, marque toujours la maison où il a vécu. Il est décédé le 21 août 1901 à Blankenberge, sur la côte flamande, à l'âge de soixante et onze ans.

Pourquoi Adolf est qualifié de génie

La qualité démontrée dans le meilleur travail de Fick n'est pas une puissance de calcul brute ou une maîtrise encyclopédique des faits. C'est un type particulier de vision structurelle : la capacité de regarder un problème non résolu dans un domaine et de reconnaître qu'il est formellement identique à un problème résolu dans un autre. Il l'a fait deux fois au plus haut niveau. La diffusion est devenue l'équation de la chaleur de Fourier avec une variable différente substituée. Le débit cardiaque est devenu un registre de conservation de la masse. Aucune des deux idées ne nécessitait d'appareils que personne d'autre ne possédait ; toutes deux exigeaient de voir une forme à travers laquelle tout le monde avait regardé directement — ce qui est précisément la raison pour laquelle il a pu dire à la société de Wurtzbourg, avec une surprise évidente, que sa méthode cardiaque était « évidente ».

Le contre-argument est réel et doit être énoncé. Fick n'a pas découvert la diffusion ; les expériences de Graham sont venues en premier, et l'appareil de Fick lui-même était calqué sur celui de Graham. Il n'a pas dérivé sa loi de principes premiers autant qu'il l'a importée en gros de la physique thermique, puis l'a vérifiée expérimentalement. Il n'a jamais effectué la mesure cardiaque qu'il a proposée : les moyens d'échantillonner le sang veineux mixte en toute sécurité n'existaient pas en 1870, et la méthode a attendu des décennies que le cathétérisme cardiaque la rende utilisable. Une lecture sévère le laisse comme un brillant analogiste et formalisateur plutôt qu'un initiateur. Mais la formalisation n'est pas l'acte moindre. Les résultats de Graham sans la loi de Fick sont un tableau de chiffres ; avec elle, ils deviennent un principe physique exportable vers n'importe quel milieu et n'importe quelle discipline. Cette transférabilité est toute la mesure de l'accomplissement.

Héritage

Le nom de Fick survit dans deux endroits qui se parlent rarement. Dans un laboratoire de matériaux, les lois de Fick régissent la façon dont les atomes dopants rampent à travers le silicium. Dans une salle de cathétérisme, le principe de Fick indique à un cardiologue à quel point un cœur défaillant travaille. Aucune des deux communautés ne se souvient du physiologiste qui a produit les deux aussi pleinement qu'elle le pourrait — la lentille de contact de son neveu est plus connue du public que l'un ou l'autre. Mais la conviction qui l'a porté, que la matière vivante obéit à la physique ordinaire et cédera aux mathématiques ordinaires, est maintenant si complètement le fondement de la science biomédicale qu'elle est devenue invisible. C'est le type de victoire le plus complet qu'un scientifique puisse remporter.