Adolf Fick: Il fisico che ha misurato la vita

Nel 1870, un professore di fisiologia si presentò davanti alla Società Fisico-Medica di Würzburg e confessò il suo sconcerto — non per la difficoltà della sua idea, ma per la sua ovvietà. Nessuno, disse Adolf Fick alla platea, era ancora "arrivato al seguente metodo ovvio" per determinare direttamente quanto sangue il ventricolo espelle a ogni sistole. Ciò che seguì non richiese alcuno strumento nuovo né alcuna chirurgia, solo un'aritmetica così pulita da sembrare un trucco. Un secolo e mezzo dopo, i cardiologi trattano ancora quell'aritmetica come il gold standard con cui viene giudicata ogni misurazione rivale della gittata cardiaca.

Un matematico con il camice da medico

Fick nacque il 3 settembre 1829 a Kassel, in una famiglia che avrebbe lasciato il proprio nome su più di una pagina della scienza tedesca. Suo fratello era Franz Ludwig Fick; suo nipote, Adolf Gaston Eugen Fick, avrebbe poi adattato una delle prime lenti a contatto in vetro, nel 1887, come trattamento per l'astigmatismo irregolare — un dispositivo precoce e notoriamente scomodo che non poteva essere indossato a lungo.

Arrivò alla medicina per una strada traversa. La sua formazione formale iniziò in matematica e fisica, e solo dopo si rivolse alla facoltà di medicina, conseguendo il dottorato all'Università di Marburg nel 1851 e lavorando per un periodo come prosector, il tecnico anatomista che prepara un cadavere per la dimostrazione. Quell'ordine di operazioni spiega quasi tutto sulla carriera che seguì. Fick non arrivò alla fisiologia cercando analogie fisiche; arrivò già possedendole, e passò la sua vita a scoprire fino a che punto il corpo si sarebbe sottomesso ad esse.

Ueber Diffusion

Aveva venticinque anni quando pubblicò l'articolo che rese il nome permanente. "Ueber Diffusion" apparve negli Annalen der Physik nel 1855, volume 94, pagine da 59 a 86, con una traduzione inglese che seguì nel Philosophical Magazine. Il problema non era nuovo. Thomas Graham aveva già dimostrato sperimentalmente che le sostanze disciolte si diffondono attraverso un liquido a velocità misurabili. Ciò che Graham non aveva fornito era una legge.

Fick ne fornì una per analogia. Il calore fluisce lungo un gradiente di temperatura secondo la legge di Fourier; la carica elettrica fluisce lungo un gradiente di potenziale secondo quella di Ohm; non c'era motivo, ragionò, che il sale disciolto dovesse comportarsi diversamente fluendo lungo un gradiente di concentrazione. Quindi scrisse la relazione — flusso proporzionale alla pendenza del gradiente — e poi andò al banco di prova per scoprire se la natura fosse d'accordo. Utilizzando un apparato modellato su quello di Graham, misurò le concentrazioni di sale e i flussi di diffusione tra due serbatoi uniti da tubi pieni d'acqua. La natura fu d'accordo. La diffusione nei solidi non era considerata fattibile da studiare all'epoca, quindi le leggi furono stabilite nei fluidi e solo successivamente estese.

La mossa fu caratteristica della sua epoca. Darcy stava formulando una legge analoga per il flusso idraulico attraverso mezzi porosi; la legge di Fourier per il calore era già canonica; quella di Ohm per la carica pure. Il contributo di Fick fu riconoscere la somiglianza familiare e reclamare il suo membro mancante. Ciò che iniziò come uno strumento del fisiologo per comprendere lo scambio gassoso attraverso le membrane ora sostiene la produzione di semiconduttori, la formulazione del rilascio di farmaci, la scienza alimentare e una gran parte della chimica industriale.

Il primo libro di biofisica

Un anno dopo, nel 1856, pubblicò Die medizinische Physik — "Fisica medica" —, generalmente considerato probabilmente il primo libro di testo di biofisica mai scritto. L'affermazione contenuta in quel titolo non era modesta. Sosteneva che il corpo vivente non è un dominio che richiede i propri principi esplicativi speciali, ma un sistema fisico, disponibile per la misurazione, per le equazioni differenziali e per l'arredamento ordinario dell'aula di fisica. Lavorò anche sostanzialmente sulla fisiologia muscolare, il ramo della materia in cui la misurazione meccanica è più rigorosa.

La contabilità del cuore

Il metodo del 1870 si basa sulla conservazione della massa e nient'altro. Il sangue raggiunge i tessuti trasportando ossigeno e ne esce trasportandone meno; quella differenza, moltiplicata per il volume di sangue che è passato, deve essere uguale all'ossigeno che il corpo ha consumato. Riorganizzate, e la gittata cardiaca diventa il consumo di ossigeno diviso per la differenza artero-venosa di ossigeno. Misurate quanto ossigeno brucia un paziente, campionate il contenuto di ossigeno del sangue arterioso e venoso, dividete — e avrete la gittata di un cuore che non avete mai toccato.

Questo fu radicale perché aggirava completamente l'organo. I tentativi precedenti di pesare il lavoro del cuore implicavano arrivare al cuore. Il principio di Fick tratta la circolazione come una scatola sigillata e la interroga dall'esterno, usando la contabilità per arrivare a una quantità che l'osservazione diretta non poteva.

Non è uno strumento perfetto, e non ha mai preteso di esserlo. Dove la differenza artero-venosa è stretta, piccoli errori di campionamento sono gravemente amplificati. Gli shunt intracardiaci corrompono i valori di ossigeno. Nella polmonite, l'ossigeno consumato dal polmone stesso può gonfiare la gittata calcolata dal 13 al 15 per cento. L'assunzione di stato stazionario fallisce in un paziente emodinamicamente instabile. Anche eseguito direttamente e con attenzione, il metodo diretto di Fick si colloca entro circa l'otto per cento della verità. Rimane comunque lo standard di riferimento, perché tutto il resto è calibrato rispetto ad esso.

Trentun anni a Würzburg

Dal 1868 al 1899 Fick ha ricoperto la cattedra di fisiologia all'Università Julius-Maximilians di Würzburg — tre decenni in un unico dipartimento, abbastanza a lungo da formare una generazione di fisiologi tedeschi alla sua immagine quantitativa. Una targa in Kapuzinerstraße, eretta dall'università, segna ancora la casa in cui visse. Morì il 21 agosto 1901 a Blankenberge, sulla costa fiamminga, all'età di settantun anni.

Perché Adolf è chiamato un genio

La qualità mostrata nel miglior lavoro di Fick non è la potenza di calcolo grezza o la padronanza enciclopedica dei fatti. È un particolare tipo di visione strutturale: la capacità di guardare un problema irrisolto in un campo e riconoscere che è formalmente identico a un problema risolto in un altro. Lo fece due volte ai massimi livelli. La diffusione divenne l'equazione del calore di Fourier con una variabile diversa sostituita. La gittata cardiaca divenne un registro di conservazione della massa. Nessuna delle due intuizioni richiedeva apparati che nessun altro possedesse; entrambe richiedevano di vedere una forma attraverso la quale tutti gli altri avevano guardato direttamente — che è precisamente il motivo per cui poté dire alla società di Würzburg, con evidente sorpresa, che il suo metodo cardiaco era "ovvio".

Il contro-argomento è reale e dovrebbe essere esposto. Fick non ha scoperto la diffusione; gli esperimenti di Graham vennero prima, e l'apparato di Fick stesso era modellato su quello di Graham. Non derivò la sua legge da principi primi tanto quanto la importò in blocco dalla fisica termica e poi la verificò sperimentalmente. Non eseguì mai la misurazione cardiaca che propose: i mezzi per campionare il sangue venoso misto in sicurezza non esistevano nel 1870, e il metodo attese decenni che il cateterismo cardiaco lo rendesse utilizzabile. Una lettura severa lo lascia come un brillante analogista e formalizzatore piuttosto che come un iniziatore. Ma la formalizzazione non è l'atto minore. I risultati di Graham senza la legge di Fick sono una tabella di numeri; con essa, diventano un principio fisico esportabile in qualsiasi mezzo e qualsiasi disciplina. Quella trasferibilità è l'intera misura del risultato.

Eredità

Il nome di Fick sopravvive in due luoghi che raramente si parlano. In un laboratorio di materiali, le leggi di Fick governano come gli atomi droganti strisciano attraverso il silicio. In una sala di cateterismo, il principio di Fick dice a un cardiologo quanto sta lavorando duramente un cuore che fallisce. Nessuna delle due comunità ricorda il fisiologo che ha prodotto entrambi così pienamente come potrebbe — la lente a contatto di suo nipote è più nota al pubblico di entrambi. Ma la convinzione che lo ha portato, che la materia vivente obbedisce alla fisica ordinaria e cederà alla matematica ordinaria, è ora così completamente il fondamento della scienza biomedica da essere diventata invisibile. Questo è il tipo di vittoria più completa che uno scienziato possa ottenere.