Ley de Fick

Qué es la ley de Fick

El nombre de "ley de Fick" se aplica en realidad a dos leyes distintas, aunque relacionadas. La primera ley de Fick enuncia que el flujo de una sustancia por unidad de área (es decir, la cantidad de moléculas que atraviesa una superficie en un tiempo dado) es proporcional al gradiente de concentración entre los dos lados de esa superficie, y se produce siempre en la dirección de mayor a menor concentración. La segunda ley de Fick describe cómo varía la concentración de la sustancia a lo largo del tiempo en un medio en el que aún no se ha alcanzado el equilibrio; es, en esencia, la ecuación de difusión.

En la práctica médica, cuando se habla de "la ley de Fick" en singular —como hace esta entrada del diccionario— se alude casi siempre a la primera ley, porque es la que tiene traducción fisiológica directa: la velocidad a la que un gas o un soluto atraviesa una membrana biológica depende del área de esa membrana, de la diferencia de concentración (o de presión parcial, en el caso de los gases) a ambos lados, del grosor de la membrana y del coeficiente de difusión propio de cada sustancia.

Adolf Eugen Fick (Kassel, 1829 – Blankenberge, 1901) estudió inicialmente matemáticas y física antes de cursar medicina en la Universidad de Marburgo, donde se doctoró en 1851. Su formación doble resultó decisiva: formuló las leyes de difusión a los 26 años, por analogía con la ley de conducción del calor de Fourier, y las publicó simultáneamente en una revista de física (Annalen der Physik und Chemie, de Poggendorff) y en otra de fisiología. Fick no se limitó a la difusión. En 1870 propuso un método teórico para calcular el gasto cardiaco a partir del consumo de oxígeno y la diferencia arteriovenosa de oxígeno, un método que sigue utilizándose hoy y que se conoce como principio de Fick. Y en 1887, su sobrino —Adolf Gaston Eugen Fick, oftalmólogo— desarrolló las primeras lentes de contacto funcionales, inspirándose en los trabajos ópticos de su tío.

Difusión a través de la membrana alveolocapilar

La aplicación clínica más inmediata de la primera ley de Fick es la fisiología respiratoria. El oxígeno pasa desde el aire alveolar hacia la sangre capilar, y el dióxido de carbono lo hace en sentido inverso, a través de la membrana alveolocapilar. La cantidad de gas que se transfiere por unidad de tiempo depende de cuatro factores que la ley predice: el área de membrana disponible (unos 70 m² en un pulmón sano), la diferencia de presión parcial del gas entre el alvéolo y el capilar, el grosor de la membrana (en condiciones normales, apenas 0,2-0,5 micras) y la constante de difusión del gas en cuestión.

De ahí se deduce, sin necesidad de fórmulas, por qué ciertas enfermedades comprometen el intercambio gaseoso. La fibrosis pulmonar engruesa la membrana (aumenta el denominador de la ecuación). El enfisema destruye alvéolos y reduce el área de intercambio (disminuye el numerador). El edema pulmonar interpone líquido entre el alvéolo y el capilar. Y la anemia, al reducir la hemoglobina disponible para captar oxígeno, limita la fuerza motriz del gradiente en el extremo sanguíneo. En todos los casos, la ley de Fick ofrece el marco conceptual que conecta la lesión anatómica con la alteración funcional que detecta la gasometría o la prueba de capacidad de difusión (DLCO).

El principio de Fick y el gasto cardiaco

Quince años después de publicar las leyes de difusión, Fick propuso en 1870 un razonamiento elegante: si se conoce cuánto oxígeno consume el organismo por minuto y se mide la diferencia de contenido de oxígeno entre la sangre arterial y la sangre venosa mixta, el cociente entre ambas cifras da el volumen de sangre que el corazón bombea en ese mismo minuto. Es una consecuencia directa de la conservación de masa aplicada al oxígeno. El método exigía inicialmente un catéter en la arteria pulmonar para obtener sangre venosa mixta, pero su lógica fue la primera herramienta fiable para cuantificar el gasto cardiaco y sigue siendo la referencia contra la que se validan las técnicas más modernas (termodilución, ecocardiografía Doppler).

Diferenciación con la ley de Henry y la ley de Graham

La ley de Fick describe cuánto gas (o cuánto soluto) se mueve a través de una membrana en función del gradiente de concentración. No es lo mismo que la ley de Henry, que establece cuánto gas se disuelve en un líquido en función de la presión parcial de ese gas sobre la superficie: la ley de Henry determina el punto de equilibrio; la de Fick, la velocidad con la que se alcanza ese equilibrio.

Tampoco debe confundirse con la ley de Graham, que predice que la velocidad de difusión (o de efusión) de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa molecular. Graham describió el fenómeno empíricamente en 1846; Fick, nueve años después, le dio estructura matemática. Es significativo que el propio Fick reconociera en su artículo de 1855 la deuda con los experimentos de Graham sobre difusión de sales en agua.

Preguntas frecuentes

¿Quién fue Adolf Fick?

Adolf Eugen Fick (1829-1901) fue un médico y fisiólogo alemán formado en Marburgo. Fue catedrático de fisiología en Zúrich y después en Wurzburgo. Además de las leyes de difusión (1855) y el principio del gasto cardiaco (1870), contribuyó al estudio de la mecánica muscular y diseñó varios instrumentos de medida, incluido un pletismógrafo y un tonómetro ocular.

¿Es lo mismo la ley de Fick que el principio de Fick?

En sentido estricto, no. Las leyes de Fick (1855) describen la difusión de sustancias a través de membranas. El principio de Fick (1870) es una aplicación del balance de masas al consumo de oxígeno para calcular el gasto cardiaco. Ambos llevan el mismo apellido porque fueron propuestos por el mismo científico, pero abordan problemas diferentes. En la práctica clínica, "ley de Fick" suele referirse a la difusión y "principio de Fick" al gasto cardiaco.

¿Qué mide la prueba de DLCO?

La prueba de capacidad de difusión del monóxido de carbono (DLCO) cuantifica cuánto gas consigue atravesar la membrana alveolocapilar por unidad de tiempo y por unidad de gradiente de presión. Es, en la práctica, la aplicación clínica más directa de la primera ley de Fick: si la membrana está engrosada, el área reducida o el lecho capilar empobrecido, la DLCO desciende.

¿Por qué el CO₂ difunde más rápido que el O₂ en el pulmón?

Porque, según la ley de Fick, la velocidad de difusión depende también del coeficiente de difusión de cada gas. El dióxido de carbono tiene una solubilidad en el medio acuoso de la membrana unas veinte veces mayor que la del oxígeno, lo que compensa con creces su masa molecular ligeramente superior. Así, el CO₂ atraviesa la membrana alveolocapilar unas veinte veces más rápido que el O₂ para un mismo gradiente de presión parcial.

Referencias

1. Biblioteca Nacional de Medicina de Estados Unidos. Examen de difusión pulmonar. MedlinePlus, enciclopedia médica en español.
2. Manual MSD, versión para profesionales. Medición del intercambio gaseoso.
3. Encyclopædia Britannica. Adolf E. Fick. German physiologist.
4. Wikipedia en español (colaboradores). Leyes de Fick.