アドルフ・フィック：生命を測定した物理学者

1870年、ある生理学教授がヴュルツブルクの物理医学協会で、自身のアイデアの難しさではなく、そのあまりの自明さに困惑していると告白しました。アドルフ・フィック（Adolf Fick）は会場に向かって、心室が収縮するたびにどれだけの血液を送り出すかを直接測定する「以下の自明な方法」に誰もまだ到達していなかったと語りました。その後に続いたのは、新しい機器も新しい手術も必要としない、あまりに明快でズルをしているかのように思える算術でした。1世紀半経った今でも、心臓専門医はこの算術を、あらゆる心拍出量測定の比較基準となるゴールドスタンダードとして扱っています。

医学のコートを着た数学者

フィックは1829年9月3日、カッセルで生まれました。彼の家系はドイツ科学史の複数のページに名を刻むことになります。兄はフランツ・ルートヴィヒ・フィック（Franz Ludwig Fick）であり、甥のアドルフ・ガストン・オイゲン・フィック（Adolf Gaston Eugen Fick）は、1887年に不規則乱視の治療法として初期のガラス製コンタクトレンズを装着させた人物です。これは当時としては画期的でしたが、非常に不快で長時間装着できないものでした。

彼は医学へは回り道をして入りました。正式な訓練は数学と物理学から始まり、その後医学部に転向し、1851年にマールブルク大学で博士号を取得しました。その後、解剖学者の助手として死体を解剖するプロセクターとして働きました。この経歴の順序が、その後の彼のキャリアのすべてを説明しています。フィックは物理的な類推を探して生理学にたどり着いたのではなく、すでにそれらを携えて生理学に到達し、身体がそれらにどこまで従うかを解明することに生涯を捧げました。

拡散について (Ueber Diffusion)

彼がその名を不朽のものにした論文を発表したのは25歳の時でした。「拡散について（Ueber Diffusion）」は1855年の『物理学年報（Annalen der Physik）』第94巻59〜86ページに掲載され、その後『フィロソフィカル・マガジン』誌で英訳されました。問題自体は新しいものではありませんでした。トーマス・グラハムは、溶質が液体中を測定可能な速度で拡散することをすでに実験的に示していました。グラハムが提供していなかったのは、法則でした。

フィックは類推によって法則を提供しました。熱はフーリエの法則に従って温度勾配に沿って流れ、電荷はオームの法則に従って電位勾配に沿って流れます。彼が考えたのは、溶けた塩が濃度勾配に沿って流れる際に異なる振る舞いをする理由はないということでした。そこで彼は、流束が勾配の急峻さに比例するという関係式を書き留め、自然がそれに同意するかどうかを確かめるために実験台に向かいました。グラハムの装置をモデルにした装置を使い、水で満たされたチューブでつながれた2つの貯水槽間の塩濃度と拡散流束を測定しました。自然は同意しました。当時は固体中の拡散を研究することは不可能と考えられていたため、法則は流体中で確立され、後に拡張されました。

この動きは彼の時代を象徴するものでした。ダルシーは多孔質媒体を通る水流について同様の法則を定式化しており、熱に関するフーリエの法則や電荷に関するオームの法則もすでに定着していました。フィックの貢献は、その家族のような類似性を認識し、欠けていたメンバーを主張したことでした。膜を介したガス交換を理解するための生理学者のツールとして始まったものは、現在では半導体製造、薬物放出製剤、食品科学、そして工業化学の大部分を支えています。

生物物理学の最初の本

1年後の1856年、彼は『医学物理学（Die medizinische Physik）』を出版しました。これはおそらく史上初めて書かれた生物物理学の教科書と見なされています。そのタイトルが主張するものは控えめなものではありませんでした。それは、生体は独自の特別な説明原理を必要とする領域ではなく、測定可能で微分方程式に従い、物理学講義室のありふれた備品で扱える物理システムであると断言したのです。彼はまた、機械的な測定が最も厳しく適用される筋肉生理学の分野でも多大な業績を残しました。

心臓の簿記

1870年の方法は、質量保存の法則のみに基づいています。血液は酸素を運んで組織に到達し、酸素を減らして戻ってきます。その差に通過した血液量を掛けたものは、身体が消費した酸素量と等しくなければなりません。式を並べ替えれば、心拍出量は酸素消費量を動静脈酸素較差で割ったものになります。患者が消費する酸素量を測定し、動脈血と静脈血の酸素含有量をサンプリングして割れば、一度も触れることのなかった心臓の拍出量が得られます。

これは臓器を完全に迂回するため、画期的でした。それまでの心臓の働きを測定する試みは、心臓に直接アクセスする必要がありました。フィックの原理は循環系を密閉された箱として扱い、外部から問いかけることで、直接観察では到達できなかった量を簿記を用いて導き出しました。

これは完璧な装置ではなく、そうであると主張したこともありません。動静脈較差が狭い場合、小さなサンプリング誤差が大きく増幅されます。心内シャントは酸素値を歪めます。肺炎の場合、肺自体が消費する酸素が計算上の拍出量を13〜15パーセント膨らませる可能性があります。定常状態の仮定は、血行動態が不安定な患者では失敗します。直接的かつ慎重に行われたとしても、直接フィック法は真値から約8パーセント以内の誤差に収まります。それでも、他のすべてがこれに基づいて校正されるため、依然として参照基準となっています。

ヴュルツブルクでの31年間

1868年から1899年まで、フィックはヴュルツブルクのユリウス・マクシミリアン大学で生理学の教授職を務めました。同じ学部で30年間過ごし、ドイツの生理学者の一世代を彼自身の定量的なイメージで形作るのに十分な時間でした。大学によって建てられたカプツィナー通りの記念プレートは、彼が住んでいた家を今も示しています。彼は1901年8月21日、フランドル海岸のブランケンベルヘで71歳で亡くなりました。

なぜアドルフは天才と呼ばれるのか

フィックの最高の仕事に見られる資質は、生の計算能力や百科事典的な知識の習得ではありません。それは、ある分野の未解決問題を見て、それが別の分野の解決済み問題と形式的に同一であると認識する、特定の種類の構造的ビジョンです。彼はこれを最高レベルで2度行いました。拡散は、変数を置き換えたフーリエの熱方程式になりました。心拍出量は、質量保存の元帳になりました。どちらの洞察も、誰も持っていないような装置を必要とはしませんでした。どちらも、他の誰もがまっすぐ見通していた形を見ることを必要としました。これこそが、彼がヴュルツブルクの学会で、明らかな驚きを持って心臓測定法を「自明」だと言えた理由です。

反論もまた現実であり、述べておくべきでしょう。フィックは拡散を発見したわけではありません。グラハムの実験が先であり、フィック自身の装置もグラハムのものをモデルにしていました。彼は法則を第一原理から導き出したというよりは、熱物理学からそのまま輸入し、実験的に検証したに過ぎません。彼は提案した心臓測定を自分で行うことはありませんでした。混合静脈血を安全にサンプリングする手段は1870年には存在せず、この方法は心臓カテーテル法が実用化されるまで何十年も待たなければなりませんでした。厳しく評価すれば、彼は独創的な開拓者というよりは、優れた類推者であり形式化者です。しかし、形式化は劣った行為ではありません。フィックの法則がないグラハムの結果は数字の表に過ぎませんが、それがあれば、あらゆる媒体や分野に輸出可能な物理的原理となります。その転用可能性こそが、業績のすべてを物語っています。

遺産

フィックの名は、互いにほとんど会話を交わさない2つの場所で生き続けています。材料研究所では、フィックの法則がドーパント原子がシリコン内をどのように移動するかを支配しています。カテーテル室では、フィックの原理が心臓専門医に衰弱した心臓がどれほど懸命に働いているかを伝えています。どちらのコミュニティも、両方を生み出した生理学者のことを、本来あるべきほどには記憶していません。彼の甥のコンタクトレンズの方が、どちらの業績よりも一般には知られています。しかし、生体は通常の物理法則に従い、通常の数学に屈するという彼を支えた信念は、現在では生物医学科学の基盤として完全に定着し、不可視のものとなっています。これこそが、科学者が勝ち取ることができる最も徹底した勝利です。