Babyers overraskende fysik: hvordan vi forbedrer vores forståelse af menneskelig reproduktion

Undfangelse – livet begynder ved lavt Reynolds-tal

"[Sperm] er en dyrklump, der for det meste ... svømmer med hovedet eller den forreste del i min retning. Halen, som, når den svømmer, pisker som en slangelignende bevægelse, som ål i vand." Sådan skrev den hollandske forretningsmand og videnskabsmand Antoine van Leeuwenhoek til Royal Society i 1670'erne vedrørende hans observationer af sperm. Ved at bruge sine specialbyggede mikroskoper, som var kraftigere end noget før, var van Leeuwenhoek den første til at kigge ind i det mikroskopiske rige. Hans enheder, som var omtrent på størrelse med en hånd, lod ham afbilde objekter med mikrometeropløsning, hvilket klart opløste mange forskellige typer "dyredyr", der findes på eller i kroppen, inklusive sædceller.

På trods af van Leeuwenhoeks akutte observationer tog det hundreder af år at få nogen fast idé om, hvordan sædceller kunne drive gennem de komplekse væsker, der findes i den kvindelige forplantningskanal. De første spor kom i slutningen af ​​1880'erne fra Den irske fysiker Osborne Reynolds som arbejdede på Owens College i England (nu University of Manchester). I løbet af den tid udførte Reynolds en række væskedynamik-eksperimenter og opnåede ud fra dem en sammenhæng mellem den inerti, som et legeme i en væske kan give, og mediets viskositet - Reynolds tal. Groft sagt ville en stor genstand i en væske såsom vand have et stort Reynolds-tal, hvilket betyder, at inertikræfter skabt af objektet er dominerende. Men for et mikroskopisk legeme, såsom sædceller, ville det være væskens viskøse kræfter, der ville have størst indflydelse.

Fysikken, der forklarer denne mærkelige verden, hvor viskøse kræfter dominerer, blev udarbejdet af flere fysikere i 1950'erne, bl.a. Geoffrey Taylor fra University of Cambridge. Ved at udføre eksperimenter med glycerin, et medium med høj viskositet, viste han, at ved et lavt Reynolds-tal kunne en svømmende mikroorganismes fysik forklares med "skrå bevægelse". Hvis du tager en tynd cylinder, såsom et sugerør, og lader den falde oprejst i en væske med høj viskositet som sirup, vil den gøre det lodret – som du måske forventer. Hvis du lægger sugerøret på siden, vil det stadig falde lodret, men halvt så hurtigt som det opretstående hus på grund af øget træk. Men når man sætter halmen diagonalt og lader det falde, bevæger det sig ikke lodret nedad, men falder i diagonal retning – det såkaldte skrå bevægelse.

Dette sker, fordi modstanden langs kroppens længde er lavere end i vinkelret retning - hvilket betyder, at halmen ønsker at bevæge sig langs sin længde hurtigere end det gør vinkelret, så det glider vandret såvel som falder lodret. I begyndelsen af ​​1950'erne udførte Taylor og Geoff Hancock fra University of Manchester, Storbritannien, detaljerede beregninger om, hvordan en sædcelle kunne rejse. De viste, at når sæden pisker i halen, skaber den skrå bevægelser i forskellige sektioner, hvilket producerer tyktflydende fremdrift.

I dag bygger forskere stadigt komplekse modeller for, hvordan sædceller svømmer. Disse modeller er ikke kun til teoretisk indsigt, men har også applikationer i assisteret reproduktionsteknikker. Matematiker David Smith fra University of Birmingham, UK – som har arbejdet med biologisk væskedynamik i over to årtier – og kolleger har udviklet en sædanalyseteknik. Døbt Flagella Analyse og Sperm Tracking (FAST), kan den afbilde og analysere halen af ​​en sæd i udsøgte detaljer. Ud fra billederne bruger den matematiske modeller til at beregne, hvor meget kraft kroppen påfører væsken. Pakken beregner også sædcellens svømmeeffektivitet – hvor langt den bevæger sig ved brug af en vis mængde energi.

Holdet begyndte kliniske forsøg med FAST i 2018, og hvis teknikken lykkes, kan den hjælpe par med at vurdere, hvilken type assisteret reproduktionsteknik, der kan fungere for dem. Simuleringerne kan for eksempel vise, at "intrauterin insemination" - hvor sædceller vaskes og derefter sprøjtes ind i livmoderen, uden om livmoderhalskanalen - kunne være lige så vellykket over flere cyklusser som at udføre dyrere og invasive IVF-procedurer. Alternativt kunne deres teknik bruges til at hjælpe med at analysere virkningen af ​​mandlig prævention. "Dette projekt handler om at udnytte det 21. århundredes teknologier til at løse mandlige fertilitetsproblemer," siger Smith.

Graviditet og moderkagen – livets træ

Bestående af et netværk af tykke lilla kar og ligner en flad kage, moderkagen er det livgivende rumvæsen indeni. Et organ, der er unikt for graviditet, en sund moderkage ved fuld termin er omkring 22 centimeter i diameter, 2.5 centimeter tyk og med en masse på omkring 0.6 kg. Det er en direkte forbindelse mellem moderen og fosteret, der forsyner fosteret med ilt og næringsstoffer og tillader det at sende affaldsprodukter tilbage, såsom kuldioxid og urinstof, en vigtig komponent i urinen.

Fra blot en samling af celler i den tidlige graviditet begynder moderkagen at danne en grundlæggende struktur, når den fletter sig sammen med livmoderslimhinden. Dette fører til sidst til et netværk af føtale kar, der forgrener sig og danner villøse træer - lidt ligesom japanske bonsais - der er badet i moderens blod i det "intervillous rum". Moderkagen kunne beskrives som halvtreds forbundne bonsai-træer på hovedet i toppen af ​​et akvarium, der er fyldt med blod, takket være pumpningen af ​​adskillige moderarterier i bunden.

Anslået til at indeholde omkring 550 kilometer føtale blodkar – tilsvarende i længden som Grand Canyon – placentas samlede overfladeareal til gasudveksling er omkring 13 m². En del af vanskeligheden ved at studere moderkagen skyldes disse varierende skalaer. Det andet problem er at vide, hvordan dette enorme netværk af føtale kar, som hver er omkring 200 μm på tværs, i sidste ende påvirker ydeevnen af ​​et organ i centimeterskala.

Udvekslingen af ​​gasser mellem moder- og fosterblod sker via diffusion gennem det villøse trævæv - med de føtale kar tættest på det villøse væv, der menes at udføre udvekslingen. Ved at kombinere eksperimentelle data med matematisk modellering af den indviklede geometri af fosterets blodkar, har matematikeren for det sidste årti Igor Chernyavsky fra University of Manchester og kolleger har undersøgt transporten af ​​gasser og andre næringsstoffer i moderkagen.

Holdet fandt ud af, at på trods af den utroligt komplekse topologi af føtale kar, er der et nøgledimensionsløst tal, der kan forklare transporten af ​​forskellige næringsstoffer i moderkagen. At bestemme den kemiske tilstand af en blanding er et komplekst problem - den eneste "reference" tilstand er ligevægt, når alle reaktionerne balancerer hinanden og ender i en stabil sammensætning.

I 1920'erne forsøgte den fysiske kemiker Gerhard Damköhler at udarbejde en sammenhæng for hastigheden af ​​kemiske reaktioner eller diffusion i nærvær af en strømning. I dette ikke-ligevægtsscenarie kom han med et enkelt tal - Damköhler-tallet - som kan bruges til at sammenligne tiden for "kemien at ske" med strømningshastigheden i samme region.

Damköhler-tallet er nyttigt, når det kommer til moderkagen, fordi organet diffunderer opløste stoffer - såsom oxygen, glukose og urinstof - i nærværelse af både en føtal og moderblodstrøm. Her er Damköhler-tallet defineret som forholdet mellem mængden af ​​diffusion og blodgennemstrømningshastigheden. For et Damköhler-tal større end én dominerer diffusion og sker hurtigere end blodgennemstrømningshastigheden, kendt som "flow begrænset". For et antal mindre end én er flowhastigheden større end diffusionshastigheden, kendt som "diffusionsbegrænset". Chernyavsky og kolleger fandt ud af, at på trods af de forskellige komplekse arrangementer af føtale kapillærer i den terminale villus, kunne bevægelsen af ​​forskellige gasser ind og ud af føtale kapillærer beskrives ved Damköhler-tallet - som han kaldte det "forenende princip" i moderkagen.

Forskerne fandt for eksempel ud af, at kulilte og glukose i moderkagen er diffusionsbegrænsede, mens kuldioxid og urinstof er mere strømningsbegrænsede. Kulilte menes at blive effektivt udvekslet af moderkagen, hvilket er grunden til, at mødres rygning og luftforurening kan være farligt for barnet. Spændende nok er oxygen tæt på at være både flow- og diffusionsbegrænset, hvilket tyder på et design, der måske er optimeret til gassen; hvilket giver mening, da det er så kritisk for livet.

Det er uvist, hvorfor der er så mange Damköhler-numre, men en mulig forklaring er, at moderkagen skal være robust i betragtning af dens mange forskellige roller, som omfatter både næring og beskyttelse af barnet mod skade. I betragtning af vanskeligheden ved eksperimentelt at studere moderkagen begge dele i livmoderen og når det fødes i den tredje fase af fødslen, er der stadig meget, vi ikke ved om dette æteriske organ.

Barndom – det er godt at snakke

Det er svært at udtrykke, hvor svært det i princippet er for babyer at opfange deres sprog – men de virker bemærkelsesværdigt gode til at gøre det. Når et spædbarn er to til tre år gammelt, bliver dets sprog utroligt hurtigt sofistikeret, hvor småbørn er i stand til at konstruere komplekse – og grammatisk korrekte – sætninger. Denne udvikling er så hurtig, at den er svær at studere, og er langt fra fuldt ud forstået. Faktisk er det meget omstridt, hvordan babyer lærer sprog, med mange konkurrerende teorier blandt sprogforskere.

Næsten alle menneskelige sprog kan beskrives med det, der er kendt som en kontekstfri grammatik – et sæt (rekursive) regler, der genererer en trælignende struktur. De tre hovedaspekter af en kontekstfri grammatik er "ikke-terminale" symboler, "terminale" symboler og "produktionsregler". I et sprog er ikke-terminale symboler aspekter som navneord eller verbum (dvs. dele af sætningen, der kan opdeles i mindre dele). Terminalsymboler frembringes, når alle handlinger er udført, såsom de enkelte ord selv. Endelig er der de skjulte produktionsregler, der bestemmer, hvor terminalsymbolerne skal placeres, for at producere en sætning, der giver mening.

En sætning i et kontekstfrit grammatiksprog kan visualiseres som et træ, hvor grenene er de "ikke-terminale" objekter, som spædbarnet ikke hører, når det lærer sprog - såsom verbumssætninger og så videre. Træets blade er i mellemtiden terminalsymbolerne eller de faktiske ord, der høres. For eksempel i sætningen "Bjørnen gik ind i hulen", kan "bjørnen" og "vandrede ind i hulen" opdeles for at danne henholdsvis en substantivfrase (NP) og en verbumfrase (VP). Disse to dele kan derefter opdeles yderligere, indtil det endelige resultat er individuelle ord inklusive bestemmere (Det) og præpositionssætninger (PP) (se figur). Når spædbørn lytter til folk, der taler i fuldt udformede sætninger (som forhåbentlig er grammatisk korrekte), bliver de kun udsat for bladene i det trælignende netværk (ordene og placeringen i en sætning). Men på en eller anden måde er de også nødt til at udtrække sprogets regler fra den blanding af ord, de hører.

I 2019, blev Eric De Giuli fra Ryerson University i Canada modellerede denne trælignende struktur ved hjælp af værktøjerne fra statistisk fysik (Phys. Rev. Letts. 122 128301). Mens spædbørn lytter, justerer de konstant vægten af ​​mulighedernes grene, mens de hører sproget. Til sidst får grene, der producerer useriøse sætninger, mindre vægt – fordi de aldrig bliver hørt – sammenlignet med informationsrige grene, der tillægges større vægt. Ved kontinuerligt at udføre dette lytteritual "beskærer" spædbarnet træet over tid for at kassere tilfældige ordarrangementer, samtidig med at de bevarer dem med meningsfuld struktur. Denne beskæringsproces reducerer både antallet af grene nær træets overflade og de dybere nede.

Det fascinerende aspekt ved denne idé fra et fysisk synspunkt er, at når vægtene er lige store, er sproget tilfældigt – hvilket kan sammenlignes med, hvordan varme påvirker partikler i termodynamikken. Men når først vægte er tilføjet til grenene og justeret til at producere specifikke grammatiske sætninger, begynder "temperaturen" at falde. De Giuli kørte sin model for 25,000 mulige distinkte "sprog" (som inkluderede computersprog), og fandt universel adfærd, når det kom til at "sænke temperaturen". På et vist tidspunkt er der et kraftigt fald i, hvad der er analogt med termodynamisk entropi, eller uorden, når sproget går fra en krop af tilfældige arrangementer til en, der har højt informationsindhold. Tænk på en boblende gryde med rodede ord, der tages af komfuret for at køle af, indtil ord og sætninger begynder at "krystallisere" til en bestemt struktur eller grammatik.

Dette bratte skifte er også beslægtet med en faseovergang i statistisk mekanik - på et vist tidspunkt skifter sproget fra et tilfældigt virvar af ord til et meget struktureret kommunikationssystem, der er rigt på information, der indeholder sætninger med komplekse strukturer og betydninger. De Giuli mener, at denne model (som han understreger kun er en model og ikke en endelig konklusion for, hvordan spædbørn lærer sprog) kunne forklare, hvorfor et barn på et bestemt udviklingstrin lærer utroligt hurtigt at konstruere grammatiske sætninger. Der kommer et tidspunkt, hvor de har lyttet nok til, at det hele giver mening for dem. Sproget er tilsyneladende kun en barneleg.