아돌프 피크: 생명을 측정한 물리학자

1870년, 한 생리학 교수가 뷔르츠부르크 물리-의학 학회 앞에 서서 자신의 아이디어가 어렵기 때문이 아니라 너무나 자명하기 때문에 당혹스럽다고 고백했습니다. 아돌프 피크(Adolf Fick)는 청중에게 심실이 수축할 때마다 얼마나 많은 혈액을 배출하는지 직접 결정하는 "다음과 같은 자명한 방법"에 아직 아무도 도달하지 못했다고 말했습니다. 그 뒤를 이은 방법은 새로운 기구나 새로운 수술이 필요하지 않았고, 너무나 깔끔해서 부정행위처럼 보일 정도의 산술뿐이었습니다. 1세기 반이 지난 지금도 심장 전문의들은 이 산술을 모든 경쟁적인 심박출량 측정법을 판단하는 골드 표준으로 취급합니다.

의사의 가운을 입은 수학자

피크는 1829년 9월 3일 카셀에서 태어났으며, 그의 가문은 독일 과학사의 여러 페이지에 이름을 남기게 됩니다. 그의 형제는 프란츠 루트비히 피크(Franz Ludwig Fick)였고, 그의 조카 아돌프 가스통 오이겐 피크(Adolf Gaston Eugen Fick)는 1887년 불규칙 난시 치료를 위해 최초의 유리 콘택트렌즈 중 하나를 맞췄습니다. 이는 초기 장치로서 매우 불편하여 오래 착용할 수 없었습니다.

그는 우회적인 경로로 의학에 입문했습니다. 그의 정규 교육은 수학과 물리학에서 시작되었고, 그 후에야 의과대학으로 눈을 돌려 1851년 마르부르크 대학교에서 박사 학위를 받았으며, 한동안 해부학자의 기술자인 프로섹터(prosector)로 일하며 시신을 해부 준비했습니다. 이러한 작업 순서는 그 뒤를 이은 그의 경력에 대한 거의 모든 것을 설명합니다. 피크는 물리적 유추를 찾기 위해 생리학에 도달한 것이 아니라, 이미 그것들을 가지고 생리학에 도달했으며, 신체가 그것들에 얼마나 복종할지를 발견하는 데 평생을 바쳤습니다.

확산에 관하여 (Ueber Diffusion)

그가 자신의 이름을 영원히 남긴 논문을 발표한 것은 25세 때였습니다. "확산에 관하여(Ueber Diffusion)"는 1855년 《물리학 연보(Annalen der Physik)》 제94권 59~86페이지에 게재되었고, 이후 《필로소피컬 매거진(Philosophical Magazine)》에 영어 번역본이 실렸습니다. 문제는 새로운 것이 아니었습니다. 토머스 그레이엄(Thomas Graham)은 이미 용질이 액체 속에서 측정 가능한 속도로 확산된다는 것을 실험적으로 보여주었습니다. 그레이엄이 제공하지 않은 것은 법칙이었습니다.

피크는 유추를 통해 법칙을 제공했습니다. 열은 푸리에 법칙에 따라 온도 구배를 따라 흐르고, 전하는 옴의 법칙에 따라 전위 구배를 따라 흐릅니다. 그는 용해된 소금이 농도 구배를 따라 흐를 때 다르게 행동할 이유가 없다고 추론했습니다. 그래서 그는 유속이 구배의 가파름에 비례한다는 관계식을 적었고, 자연이 동의하는지 확인하기 위해 실험대로 향했습니다. 그레이엄의 장치를 모델로 한 장치를 사용하여 물로 채워진 튜브로 연결된 두 저장소 사이의 소금 농도와 확산 유속을 측정했습니다. 자연은 동의했습니다. 당시 고체 내 확산은 연구하기 어렵다고 여겨졌기 때문에 법칙은 유체에서 확립되었고 나중에 확장되었습니다.

이러한 움직임은 그의 시대를 특징짓는 것이었습니다. 다르시(Darcy)는 다공성 매질을 통한 수류에 대한 유사한 법칙을 공식화하고 있었고, 열에 대한 푸리에 법칙과 전하에 대한 옴 법칙은 이미 정립되어 있었습니다. 피크의 공헌은 그 가족적 유사성을 인식하고 누락된 멤버를 주장한 것이었습니다. 막을 통한 가스 교환을 이해하기 위한 생리학자의 도구로 시작된 것은 이제 반도체 제조, 약물 방출 제제, 식품 과학 및 산업 화학의 대부분을 뒷받침하고 있습니다.

생물물리학의 첫 번째 책

1년 후인 1856년, 그는 《의학 물리학(Die medizinische Physik)》을 출판했는데, 이는 아마도 역사상 처음으로 쓰인 생물물리학 교과서로 간주됩니다. 그 제목이 주장하는 바는 겸손하지 않았습니다. 그것은 생명체가 자체적인 특별한 설명 원리를 요구하는 영역이 아니라, 측정 가능하고 미분 방정식을 따르며 물리학 강의실의 평범한 비품으로 다룰 수 있는 물리적 시스템이라고 단언했습니다. 그는 또한 기계적 측정이 가장 엄격하게 적용되는 근육 생리학 분야에서도 상당한 업적을 남겼습니다.

심장의 부기

1870년의 방법은 질량 보존 법칙에만 기반합니다. 혈액은 산소를 운반하여 조직에 도달하고 산소를 줄여서 돌아옵니다. 그 차이에 통과한 혈액량을 곱한 값은 신체가 소비한 산소량과 같아야 합니다. 식을 재배열하면 심박출량은 산소 소비량을 동정맥 산소차로 나눈 값이 됩니다. 환자가 소비하는 산소량을 측정하고 동맥혈과 정맥혈의 산소 함량을 샘플링하여 나누면, 한 번도 만져본 적 없는 심장의 박출량을 얻을 수 있습니다.

이는 장기를 완전히 우회하기 때문에 획기적이었습니다. 이전의 심장 작업량을 측정하려는 시도는 심장에 직접 접근해야 했습니다. 피크의 원리는 순환계를 밀폐된 상자로 취급하고 외부에서 질문함으로써, 직접 관찰로는 도달할 수 없었던 양을 부기를 사용하여 도출했습니다.

이것은 완벽한 장치가 아니며, 그렇다고 주장한 적도 없습니다. 동정맥차가 좁은 경우 작은 샘플링 오차가 크게 증폭됩니다. 심내 단락은 산소 값을 왜곡합니다. 폐렴의 경우 폐 자체가 소비하는 산소가 계산된 박출량을 13~15% 부풀릴 수 있습니다. 정상 상태 가정은 혈역학적으로 불안정한 환자에게는 실패합니다. 직접적이고 신중하게 수행되더라도 직접 피크법은 진값에서 약 8% 이내의 오차를 보입니다. 그럼에도 불구하고 다른 모든 것이 이것을 기준으로 보정되기 때문에 여전히 참조 표준으로 남아 있습니다.

뷔르츠부르크에서의 31년

1868년부터 1899년까지 피크는 뷔르츠부르크의 율리우스-막시밀리안 대학교에서 생리학 교수로 재직했습니다. 같은 학부에서 30년을 보낸 것은 독일 생리학자 세대를 그 자신의 정량적 이미지로 형성하기에 충분한 시간이었습니다. 대학이 세운 카푸치너 거리(Kapuzinerstraße)의 기념판은 그가 살았던 집을 지금도 표시하고 있습니다. 그는 1901년 8월 21일 플랑드르 해안의 블랑켄베르허에서 71세의 나이로 사망했습니다.

아돌프가 천재라고 불리는 이유

피크의 최고의 작업에서 나타나는 자질은 원시적인 계산 능력이나 백과사전적인 지식 습득이 아닙니다. 그것은 한 분야의 미해결 문제를 보고 그것이 다른 분야의 해결된 문제와 형식적으로 동일하다는 것을 인식하는 특정 종류의 구조적 비전입니다. 그는 이것을 최고 수준에서 두 번 수행했습니다. 확산은 변수를 치환한 푸리에 열 방정식이 되었습니다. 심박출량은 질량 보존 원장이 되었습니다. 두 통찰 모두 아무도 가지고 있지 않은 장치를 필요로 하지 않았습니다. 둘 다 다른 모든 사람이 똑바로 쳐다보면서도 보지 못했던 형태를 보는 것을 필요로 했습니다. 이것이 바로 그가 뷔르츠부르크 학회에서 명백한 놀라움을 가지고 심장 측정법이 "자명하다"고 말할 수 있었던 이유입니다.

반론 또한 현실이며 언급해야 합니다. 피크는 확산을 발견한 것이 아닙니다. 그레이엄의 실험이 먼저였고, 피크 자신의 장치도 그레이엄의 것을 모델로 했습니다. 그는 법칙을 제1원리에서 도출했다기보다는 열물리학에서 통째로 가져와 실험적으로 검증했습니다. 그는 제안한 심장 측정을 직접 수행하지 않았습니다. 혼합 정맥혈을 안전하게 샘플링하는 수단은 1870년에는 존재하지 않았고, 이 방법은 심장 카테터법이 실용화될 때까지 수십 년을 기다려야 했습니다. 엄격하게 평가하면 그는 독창적인 개척자라기보다는 뛰어난 유추자이자 형식화자입니다. 그러나 형식화는 열등한 행위가 아닙니다. 피크의 법칙이 없는 그레이엄의 결과는 숫자 표에 불과하지만, 그것이 있으면 모든 매체와 분야로 수출 가능한 물리적 원리가 됩니다. 그 전용 가능성이야말로 업적의 전부를 말해줍니다.

유산

피크의 이름은 서로 거의 대화하지 않는 두 곳에서 살아남아 있습니다. 재료 연구소에서는 피크의 법칙이 도펀트 원자가 실리콘 내에서 어떻게 이동하는지를 지배합니다. 카테터실에서는 피크의 원리가 심장 전문의에게 쇠약해진 심장이 얼마나 열심히 일하고 있는지를 알려줍니다. 두 커뮤니티 모두 두 가지를 모두 만들어낸 생리학자를 충분히 기억하지 못합니다. 그의 조카의 콘택트렌즈가 두 업적보다 일반인에게 더 잘 알려져 있습니다. 그러나 생명체는 일반적인 물리 법칙을 따르고 일반적인 수학에 굴복할 것이라는 그를 지탱한 신념은 이제 생물의학 과학의 기반으로 완전히 정착하여 보이지 않게 되었습니다. 이것이야말로 과학자가 쟁취할 수 있는 가장 철저한 승리입니다.