Адольф Фик: Физик, измеривший жизнь

В 1870 году профессор физиологии предстал перед Физико-медицинским обществом Вюрцбурга и признался в своем недоумении — не из-за сложности своей идеи, а из-за ее очевидности. Никто, сказал Адольф Фик аудитории, еще не «пришел к следующему очевидному методу» прямого определения того, сколько крови выбрасывает желудочек при каждой систоле. То, что последовало за этим, не требовало ни нового инструмента, ни новой операции, а лишь арифметики, настолько чистой, что она казалась жульничеством. Полтора века спустя кардиологи по-прежнему считают эту арифметику золотым стандартом, по которому оценивается любое конкурирующее измерение сердечного выброса.

Математик в халате врача

Фик родился 3 сентября 1829 года в Касселе в семье, которая вписала свое имя не на одну страницу немецкой науки. Его братом был Франц Людвиг Фик; его племянник, Адольф Гастон Ойген Фик, позже, в 1887 году, подберет одни из первых стеклянных контактных линз в качестве лечения неправильного астигматизма — раннее и печально известное неудобное устройство, которое нельзя было носить долго.

Он пришел в медицину окольным путем. Его формальное образование началось с математики и физики, и только потом он обратился к медицинскому факультету, получив докторскую степень в Марбургском университете в 1851 году и проработав некоторое время прозектором — анатомом, готовящим трупы для демонстрации. Этот порядок операций объясняет почти все в его последующей карьере. Фик пришел в физиологию не в поисках физических аналогий; он пришел, уже владея ими, и провел свою жизнь, открывая, насколько тело будет подчиняться им.

О диффузии (Ueber Diffusion)

Ему было двадцать пять, когда он опубликовал статью, которая сделала его имя бессмертным. «О диффузии» (Ueber Diffusion) появилась в Annalen der Physik в 1855 году, том 94, страницы 59–86, с последующим английским переводом в Philosophical Magazine. Проблема не была новой. Томас Грэм уже экспериментально показал, что растворенные вещества распространяются через жидкость с измеримой скоростью. Чего Грэм не предоставил, так это закона.

Фик предоставил его по аналогии. Тепло течет вдоль градиента температуры согласно закону Фурье; электрический заряд течет вдоль градиента потенциала согласно закону Ома; он рассудил, что нет причин, по которым растворенная соль должна вести себя иначе, протекая вдоль градиента концентрации. Поэтому он записал соотношение — поток пропорционален крутизне градиента — а затем отправился в лабораторию, чтобы выяснить, согласна ли с этим природа. Используя аппарат, смоделированный по образцу Грэма, он измерил концентрации соли и диффузионные потоки между двумя резервуарами, соединенными трубками с водой. Природа согласилась. Диффузия в твердых телах в то время не считалась возможной для изучения, поэтому законы были установлены для жидкостей и расширены лишь позже.

Этот шаг был характерен для его эпохи. Дарси формулировал аналогичный закон для гидравлического потока через пористые среды; закон Фурье для тепла уже был каноническим; закон Ома для заряда — тоже. Вклад Фика заключался в том, чтобы распознать семейное сходство и заявить права на недостающий элемент. То, что начиналось как инструмент физиолога для понимания газообмена через мембраны, теперь лежит в основе производства полупроводников, разработки систем доставки лекарств, пищевой науки и значительной части промышленной химии.

Первая книга по биофизике

Год спустя, в 1856 году, он опубликовал Die medizinische Physik («Медицинская физика») — книгу, которую обычно считают первым учебником по биофизике из когда-либо написанных. Претензия, заложенная в этом названии, не была скромной. Она утверждала, что живое тело — это не область, требующая собственных особых объяснительных принципов, а физическая система, доступная для измерения, для дифференциальных уравнений и для обычного инвентаря физической аудитории. Он также существенно работал над физиологией мышц, той областью предмета, где механические измерения наиболее суровы.

Бухгалтерия сердца

Метод 1870 года основан на сохранении массы и ни на чем другом. Кровь достигает тканей, неся кислород, и уходит, неся его меньше; эта разница, умноженная на объем прошедшей крови, должна быть равна кислороду, потребленному организмом. Переставьте слагаемые, и сердечный выброс станет потреблением кислорода, деленным на артериовенозную разницу по кислороду. Измерьте, сколько кислорода сжигает пациент, возьмите пробу содержания кислорода в артериальной и венозной крови, разделите — и вы получите выброс сердца, которого вы никогда не касались.

Это было радикально, потому что полностью обходило орган. Предыдущие попытки взвесить работу сердца требовали доступа к самому сердцу. Принцип Фика рассматривает кровообращение как закрытый ящик и опрашивает его снаружи, используя бухгалтерский учет для получения величины, которую прямое наблюдение дать не могло.

Это не идеальный инструмент, и он никогда не претендовал на это. Там, где артериовенозная разница невелика, небольшие ошибки выборки сильно усиливаются. Внутрисердечные шунты искажают значения кислорода. При пневмонии кислород, потребляемый самими легкими, может завысить рассчитанный выброс на 13–15 процентов. Предположение о стационарном состоянии не работает у гемодинамически нестабильного пациента. Даже при прямом и тщательном выполнении метод Фика дает результат с погрешностью около восьми процентов. Тем не менее, он остается эталонным стандартом, потому что все остальное калибруется по нему.

Тридцать один год в Вюрцбурге

С 1868 по 1899 год Фик занимал кафедру физиологии в Вюрцбургском университете имени Юлиуса Максимилиана — три десятилетия на одной кафедре, достаточно долго, чтобы сформировать поколение немецких физиологов по своему собственному количественному образу. Мемориальная доска на Капуцинерштрассе, установленная университетом, до сих пор отмечает дом, где он жил. Он умер 21 августа 1901 года в Бланкенберге на фламандском побережье в возрасте семидесяти одного года.

Почему Адольфа называют гением

Качество, проявленное в лучших работах Фика, — это не грубая вычислительная мощность или энциклопедическое владение фактами. Это особый вид структурного видения: способность смотреть на нерешенную проблему в одной области и осознавать, что она формально идентична решенной проблеме в другой. Он сделал это дважды на самом высоком уровне. Диффузия стала уравнением теплопроводности Фурье с подставленной другой переменной. Сердечный выброс стал бухгалтерской книгой сохранения массы. Ни одно из этих озарений не требовало аппаратуры, которой не было у других; оба требовали увидеть форму, сквозь которую все остальные смотрели прямо, что именно поэтому он мог сказать Вюрцбургскому обществу с явным удивлением, что его сердечный метод был «очевидным».

Контраргумент реален, и его следует озвучить. Фик не открывал диффузию; эксперименты Грэма были первыми, и аппарат самого Фика был смоделирован по образцу Грэма. Он не столько вывел свой закон из первых принципов, сколько импортировал его целиком из теплофизики, а затем экспериментально подтвердил. Он никогда не выполнял предложенное им сердечное измерение: средств для безопасного взятия проб смешанной венозной крови в 1870 году не существовало, и метод ждал десятилетиями, пока катетеризация сердца не сделала его применимым. Строгое прочтение оставляет его блестящим аналогом и формализатором, а не первооткрывателем. Но формализация — это не меньший акт. Результаты Грэма без закона Фика — это таблица чисел; с ним они становятся физическим принципом, применимым к любой среде и любой дисциплине. Эта переносимость — вся мера достижения.

Наследие

Имя Фика живет в двух местах, которые редко общаются друг с другом. В лаборатории материалов законы Фика определяют, как атомы легирующих примесей проникают в кремний. В кабинете катетеризации принцип Фика говорит кардиологу, насколько тяжело работает больное сердце. Ни одно из сообществ не помнит физиолога, который создал оба метода, так полно, как могло бы — контактная линза его племянника известна публике лучше, чем любой из них. Но убеждение, которое вело его, что живая материя подчиняется обычной физике и поддастся обычной математике, теперь настолько полностью является основой биомедицинской науки, что стало невидимым. Это самый полный вид победы, которую может одержать ученый.