Die überraschende Physik von Babys: Wie wir unser Verständnis der menschlichen Fortpflanzung verbessern

Empfängnis – das Leben beginnt bei einer niedrigen Reynolds-Zahl

„[Sperma] ist ein Tierchen, das meistens … mit seinem Kopf oder Vorderteil in meine Richtung schwimmt. Der Schwanz, der beim Schwimmen wie eine schlangenartige Bewegung peitscht, wie Aale im Wasser.“ So schrieb der niederländische Geschäftsmann und Wissenschaftler Antonie van Leeuwenhoek an die Royal Society in den 1670er Jahren bezüglich seiner Beobachtungen von Spermien. Mit seinen speziell angefertigten Mikroskopen, die leistungsstärker waren als alles zuvor, war van Leeuwenhoek der Erste, der in den mikroskopischen Bereich spähte. Mit seinen etwa handgroßen Geräten konnte er Objekte mit Mikrometerauflösung abbilden und viele verschiedene Arten von „Tierchen“, die sich auf oder im Körper befinden, einschließlich Spermien, klar auflösen.

Trotz der scharfsinnigen Beobachtungen von van Leeuwenhoek dauerte es Hunderte von Jahren, bis man eine genaue Vorstellung davon hatte, wie Spermien durch die komplexen Flüssigkeiten im weiblichen Fortpflanzungstrakt dringen können. Die ersten Hinweise kamen in den späten 1880er Jahren aus der Der irische Physiker Osborne Reynolds der am Owens College in England (heute University of Manchester) arbeitete. Während dieser Zeit führte Reynolds eine Reihe von Fluiddynamikexperimenten durch und erhielt daraus eine Beziehung zwischen der Trägheit, die ein Körper in einer Flüssigkeit bereitstellen kann, und der Viskosität des Mediums – die Reynolds-Zahl. Grob gesagt hätte ein großes Objekt in einer Flüssigkeit wie Wasser eine große Reynolds-Zahl, was bedeutet, dass die vom Objekt erzeugten Trägheitskräfte dominieren. Aber für einen mikroskopisch kleinen Körper wie Spermien wären es die viskosen Kräfte der Flüssigkeit, die den größten Einfluss hätten.

Die Physik, die diese seltsame Welt erklärt, in der viskose Kräfte dominieren, wurde in den 1950er Jahren von mehreren Physikern ausgearbeitet, darunter Geoffrey Taylor von der University of Cambridge. Durch Experimente mit Glycerin, einem hochviskosen Medium, zeigte er, dass bei einer niedrigen Reynolds-Zahl die Physik eines schwimmenden Mikroorganismus durch „schräge Bewegung“ erklärt werden kann. Wenn Sie einen dünnen Zylinder, z. B. einen Strohhalm, nehmen und ihn aufrecht in eine hochviskose Flüssigkeit wie Sirup fallen lassen, wird er dies senkrecht tun – wie Sie vielleicht erwarten. Wenn Sie den Strohhalm auf die Seite legen, fällt er immer noch vertikal, aber aufgrund des erhöhten Luftwiderstands halb so schnell wie das aufrecht stehende Gehäuse. Legt man den Strohhalm jedoch schräg und lässt ihn fallen, bewegt er sich nicht senkrecht nach unten, sondern fällt in diagonaler Richtung – die sogenannte Schrägbewegung.

Dies geschieht, weil der Widerstand entlang der Körperlänge geringer ist als in der senkrechten Richtung – was bedeutet, dass sich der Strohhalm entlang seiner Länge schneller bewegen möchte als senkrecht, sodass er sowohl horizontal rutscht als auch vertikal fällt. In den frühen 1950er Jahren führten Taylor und Geoff Hancock von der University of Manchester, UK, detaillierte Berechnungen darüber durch, wie ein Spermium reisen könnte. Sie zeigten, dass das Spermium, wenn es mit seinem Schwanz peitscht, an verschiedenen Stellen schräge Bewegungen erzeugt, die einen viskosen Vortrieb erzeugen.

Heute bauen Forscher immer komplexere Modelle dafür, wie Spermien schwimmen. Diese Modelle dienen nicht nur theoretischen Erkenntnissen, sondern finden auch Anwendung in assistierten Reproduktionstechniken. Mathematiker David Smith von der Universität Birmingham, UK – der an biologischer Fluiddynamik gearbeitet hat seit über zwei Jahrzehnten – und Kollegen haben eine Technik zur Spermienanalyse entwickelt. Synchronisiert Flagellenanalyse und Spermienverfolgung (FAST) kann es den Schwanz eines Spermiums bis ins kleinste Detail abbilden und analysieren. Aus den Bildern berechnet es anhand mathematischer Modelle, wie viel Kraft der Körper auf die Flüssigkeit ausübt. Das Paket berechnet auch die Schwimmeffizienz des Spermiums – wie weit es sich mit einer bestimmten Energiemenge bewegt.

Das Team begann 2018 mit klinischen Studien mit FAST, und wenn die Technik erfolgreich ist, könnte sie Paaren helfen, einzuschätzen, welche Art von assistierter Reproduktionstechnik für sie geeignet ist. Die Simulationen könnten beispielsweise zeigen, dass eine „intrauterine Insemination“, bei der Spermien gewaschen und dann unter Umgehung des Gebärmutterhalskanals in die Gebärmutter injiziert werden, über mehrere Zyklen hinweg genauso erfolgreich sein könnte wie die Durchführung teurerer und invasiver IVF-Verfahren. Alternativ könnte ihre Technik verwendet werden, um die Auswirkungen der männlichen Empfängnisverhütung zu analysieren. „Bei diesem Projekt geht es darum, Technologien des 21. Jahrhunderts zu nutzen, um männliche Fruchtbarkeitsprobleme anzugehen“, sagt Smith.

Schwangerschaft und die Plazenta – der Baum des Lebens

Bestehend aus einem Netzwerk dicker violetter Gefäße Die Plazenta, die einem flachen Kuchen ähnelt, ist der lebensspendende Alien im Inneren. Eine gesunde Plazenta ist ein einzigartiges Schwangerschaftsorgan und hat bei voller Geburt einen Durchmesser von etwa 22 Zentimetern, eine Dicke von 2.5 Zentimetern und eine Masse von etwa 0.6 kg. Es ist eine direkte Verbindung zwischen der Mutter und dem Fötus, versorgt den Fötus mit Sauerstoff und Nährstoffen und ermöglicht es ihm, Abfallprodukte wie Kohlendioxid und Harnstoff, die ein Hauptbestandteil des Urins sind, zurückzusenden.

Aus nur einer Ansammlung von Zellen in der Frühschwangerschaft beginnt die Plazenta, eine Grundstruktur zu bilden, sobald sie sich mit der Gebärmutterschleimhaut verflochten hat. Dies führt schließlich zu einem Netzwerk von fötalen Gefäßen, die sich zu Zottenbäumen verzweigen – ein bisschen wie japanische Bonsais – die im „Zwischenzottenraum“ von mütterlichem Blut gebadet werden. Die Plazenta könnte als fünfzig miteinander verbundene Bonsai-Bäume beschrieben werden, die verkehrt herum oben auf einem Fischbecken stehen, das dank des Pumpens mehrerer mütterlicher Arterien am Boden voller Blut ist.

Schätzungsweise 550 Kilometer fötaler Blutgefäße enthaltend – ähnlich lang wie der Grand Canyon – beträgt die Gesamtfläche der Plazenta für den Gasaustausch etwa 13 m². Ein Teil der Schwierigkeit beim Studium der Plazenta ist auf diese unterschiedlichen Skalen zurückzuführen. Die andere Frage ist zu wissen, wie sich dieses riesige Netzwerk aus fötalen Gefäßen mit einem Durchmesser von jeweils etwa 200 μm letztendlich auf die Leistung eines zentimetergroßen Organs auswirkt.

Der Austausch von Gasen zwischen mütterlichem und fötalem Blut erfolgt über Diffusion durch das Gewebe des Zottenbaums – wobei die fötalen Gefäße, die dem Zottengewebe am nächsten liegen, für den Austausch verantwortlich sind. Durch die Kombination experimenteller Daten mit mathematischer Modellierung der komplizierten Geometrie der fötalen Blutgefäße, für das letzte Jahrzehnt Mathematiker Igor Chernyavsky von der Universität Manchester und Kollegen haben den Transport von Gasen und anderen Nährstoffen in der Plazenta untersucht.

Das Team fand heraus, dass es trotz der unglaublich komplexen Topologie der fötalen Gefäße eine dimensionslose Schlüsselzahl gibt, die den Transport verschiedener Nährstoffe in der Plazenta erklären kann. Die Bestimmung des chemischen Zustands einer Mischung ist ein komplexes Problem – der einzige „Referenz“-Zustand ist das Gleichgewicht, wenn sich alle Reaktionen gegenseitig ausgleichen und zu einer stabilen Zusammensetzung führen.

In den 1920er Jahren versuchte der Physikochemiker Gerhard Damköhler, einen Zusammenhang für die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen oder Diffusion in Gegenwart einer Strömung herzustellen. In diesem Nicht-Gleichgewichtsszenario kam er auf eine einzige Zahl – die Damköhler-Zahl – die verwendet werden kann, um die Zeit für die „Chemie zu passieren“ mit der Durchflussrate in derselben Region zu vergleichen.

Die Damköhler-Zahl ist nützlich, wenn es um die Plazenta geht, da das Organ gelöste Stoffe – wie Sauerstoff, Glukose und Harnstoff – bei Vorhandensein sowohl eines fötalen als auch eines mütterlichen Blutflusses diffundiert. Hier ist die Damköhler-Zahl definiert als das Verhältnis zwischen der Diffusionsmenge und der Blutflussrate. Bei einer Damköhler-Zahl größer als eins dominiert die Diffusion und erfolgt schneller als die Blutflussrate, bekannt als „Flow Limited“. Bei einer Zahl kleiner als eins ist die Strömungsgeschwindigkeit größer als die Diffusionsgeschwindigkeit, bekannt als „diffusionsbegrenzt“. Chernyavsky und Kollegen fanden heraus, dass trotz der verschiedenen komplexen Anordnungen der fetalen Kapillaren in der Endzotte die Bewegung verschiedener Gase in und aus den fetalen Kapillaren durch die Damköhler-Zahl beschrieben werden konnte – die er das „vereinheitlichende Prinzip“ in der Plazenta nannte.

Die Forscher fanden zum Beispiel heraus, dass Kohlenmonoxid und Glukose in der Plazenta diffusionsbegrenzt sind, während Kohlendioxid und Harnstoff stärker flussbegrenzt sind. Es wird angenommen, dass Kohlenmonoxid von der Plazenta effizient ausgetauscht wird, weshalb das Rauchen der Mutter und die Luftverschmutzung für das Baby gefährlich sein können. Interessanterweise ist Sauerstoff nahezu sowohl strömungs- als auch diffusionsbeschränkt, was auf ein Design hindeutet, das möglicherweise für das Gas optimiert ist; was Sinn macht, da es so lebenswichtig ist.

Es ist nicht bekannt, warum es so viele Damköhler-Zahlen gibt, aber eine mögliche Erklärung ist, dass die Plazenta robust sein muss, da sie viele verschiedene Aufgaben hat, zu denen sowohl die Ernährung als auch der Schutz des Babys gehören. Angesichts der Schwierigkeit, die Plazenta sowohl experimentell zu untersuchen in utero und wenn es im dritten Geburtsstadium entbunden wird, wissen wir noch vieles über dieses feinstoffliche Organ.

Babyhood – es ist gut zu reden

Es ist schwer auszudrücken, wie schwer es Babys im Prinzip ist, ihre Sprache zu erlernen – aber sie scheinen bemerkenswert gut darin zu sein. Wenn ein Kleinkind zwei bis drei Jahre alt ist, entwickelt sich seine Sprache unglaublich schnell, wobei Kleinkinder in der Lage sind, komplexe – und grammatikalisch korrekte – Sätze zu bilden. Diese Entwicklung ist so schnell, dass sie schwer zu untersuchen und noch lange nicht vollständig verstanden ist. Wie Babys Sprache lernen, ist in der Tat heiß umstritten, mit vielen konkurrierenden Theorien unter Linguisten.

Fast alle menschlichen Sprachen können mit einer sogenannten kontextfreien Grammatik beschrieben werden – einem Satz von (rekursiven) Regeln, die eine baumartige Struktur erzeugen. Die drei Hauptaspekte einer kontextfreien Grammatik sind „nicht-terminale“ Symbole, „terminale“ Symbole und „Produktionsregeln“. In einer Sprache sind nichtterminale Symbole Aspekte wie Nominalphrasen oder Verbphrasen (dh Teile des Satzes, die in kleinere Teile zerlegt werden können). Terminalsymbole werden erzeugt, wenn alle Operationen durchgeführt wurden, wie beispielsweise die einzelnen Wörter selbst. Schließlich gibt es die versteckten Produktionsregeln, die bestimmen, wo die Terminalsymbole platziert werden müssen, um einen sinnvollen Satz zu erzeugen.

Ein Satz in einer kontextfreien Grammatiksprache kann als Baum visualisiert werden, wobei die Zweige die „nicht-terminalen“ Objekte sind, die das Kind beim Sprachenlernen nicht hört – wie Verbphrasen und so weiter. Die Blätter des Baumes hingegen sind die Endsymbole oder die eigentlichen Worte, die gehört werden. Beispielsweise können in dem Satz „Der Bär ging in die Höhle“ „der Bär“ und „ging in die Höhle“ abgespalten werden, um jeweils eine Nominalphrase (NP) und eine Verbalphrase (VP) zu bilden. Diese beiden Teile können dann weiter aufgeteilt werden, bis das Endergebnis einzelne Wörter einschließlich Determinatoren (Det) und Präpositionsphrasen (PP) sind (siehe Abbildung). Wenn Säuglinge Menschen zuhören, die in vollständig gebildeten Sätzen sprechen (die hoffentlich grammatikalisch korrekt sind), werden sie nur den Blättern des baumartigen Netzwerks (den Wörtern und der Position in einem Satz) ausgesetzt. Aber irgendwie müssen sie aus dem Wortgemisch, das sie hören, auch die Regeln der Sprache extrahieren.

In 2019, Eric De Giuli von der Ryerson University in Kanada modellierte diese baumartige Struktur mit den Werkzeugen der statistischen Physik (Physik. Rev. Letts. 122 128301). Während Säuglinge zuhören, passen sie kontinuierlich die Gewichtung der Möglichkeitszweige an, wenn sie Sprache hören. Letztendlich erhalten Äste, die unsinnige Sätze produzieren, ein geringeres Gewicht – weil sie nie gehört werden – im Vergleich zu informationsreichen Ästen, denen größere Gewichte gegeben werden. Durch die kontinuierliche Durchführung dieses Rituals des Zuhörens „beschneidet“ das Kind den Baum im Laufe der Zeit, um zufällige Wortanordnungen zu verwerfen, während es diejenigen mit sinnvoller Struktur beibehält. Dieser Beschneidungsprozess reduziert sowohl die Anzahl der Äste in der Nähe der Baumoberfläche als auch die in der Tiefe.

Das Faszinierende an dieser Idee aus physikalischer Sicht ist, dass bei gleichen Gewichten die Sprache zufällig ist – vergleichbar mit dem Einfluss von Wärme auf Teilchen in der Thermodynamik. Aber sobald Gewichtungen zu den Zweigen hinzugefügt und angepasst werden, um bestimmte grammatikalische Sätze zu erzeugen, beginnt die „Temperatur“ zu sinken. De Giuli ließ sein Modell für 25,000 mögliche unterschiedliche „Sprachen“ (einschließlich Computersprachen) laufen und fand ein universelles Verhalten, wenn es darum ging, „die Temperatur zu senken“. An einem bestimmten Punkt gibt es einen scharfen Abfall in dem, was analog zur thermodynamischen Entropie oder Unordnung ist, wenn die Sprache von einem Körper zufälliger Anordnungen zu einem mit hohem Informationsgehalt übergeht. Stellen Sie sich einen blubbernden Topf mit durcheinandergebrachten Wörtern vor, der zum Abkühlen vom Herd genommen wird, bis sich Wörter und Sätze zu einer bestimmten Struktur oder Grammatik „kristallisieren“.

Dieser abrupte Wechsel ist auch vergleichbar mit einem Phasenübergang in der statistischen Mechanik – an einem bestimmten Punkt wechselt die Sprache von einem zufälligen Wortgewirr zu einem hochstrukturierten Kommunikationssystem, das reich an Informationen ist und Sätze mit komplexen Strukturen und Bedeutungen enthält. De Giuli glaubt, dass dieses Modell (das, wie er betont, nur ein Modell und keine endgültige Schlussfolgerung dafür ist, wie Säuglinge Sprache lernen) erklären könnte, warum ein Kind in einem bestimmten Entwicklungsstadium unglaublich schnell lernt, grammatikalische Sätze zu konstruieren. Es kommt ein Punkt, an dem sie genug zugehört haben, damit alles für sie Sinn ergibt. Sprache, so scheint es, ist nur ein Kinderspiel.