Η εκπληκτική φυσική των μωρών: πώς βελτιώνουμε την κατανόησή μας για την ανθρώπινη αναπαραγωγή

Σύλληψη – η ζωή ξεκινά με χαμηλό αριθμό Reynolds

«[Το σπέρμα] είναι ένα ζώο που ως επί το πλείστον…κολυμπά με το κεφάλι ή το μπροστινό του μέρος προς την κατεύθυνση μου. Η ουρά, που όταν κολυμπάει, μαστιγώνει σαν κίνηση σαν φίδι, σαν χέλια στο νερό». Έτσι έγραψε ο Ολλανδός επιχειρηματίας και επιστήμονας Antoine van Leeuwenhoek στη Βασιλική Εταιρεία τη δεκαετία του 1670 σχετικά με τις παρατηρήσεις του για το σπέρμα. Χρησιμοποιώντας τα ειδικά κατασκευασμένα μικροσκόπια του, τα οποία ήταν πιο ισχυρά από οτιδήποτε είχε φτιαχτεί πριν, ο van Leeuwenhoek ήταν ο πρώτος που κοίταξε στο μικροσκοπικό βασίλειο. Οι συσκευές του, που είχαν περίπου το μέγεθος ενός χεριού, του επέτρεπαν να απεικονίσει αντικείμενα με μικρομετρική ανάλυση, αναλύοντας σαφώς πολλούς διαφορετικούς τύπους «ζώων» που βρίσκονται πάνω ή μέσα στο σώμα, συμπεριλαμβανομένων των σπερματοζωαρίων.

Παρά τις οξείες παρατηρήσεις του van Leeuwenhoek, χρειάστηκαν εκατοντάδες χρόνια για να πάρουμε μια σταθερή ιδέα για το πώς το σπέρμα θα μπορούσε να προωθηθεί μέσα από τα πολύπλοκα υγρά που υπάρχουν στη γυναικεία αναπαραγωγική οδό. Οι πρώτες ενδείξεις ήρθαν στα τέλη της δεκαετίας του 1880 από το Ο Ιρλανδός φυσικός Όσμπορν Ρέινολντς που εργάστηκε στο Owens College στην Αγγλία (τώρα Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ). Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ο Reynolds διεξήγαγε μια σειρά από πειράματα δυναμικής ρευστού και από αυτά έλαβε μια σχέση μεταξύ της αδράνειας που μπορεί να προσφέρει ένα σώμα σε ένα υγρό και του ιξώδους του μέσου - τον αριθμό του Reynold. Σε γενικές γραμμές, ένα μεγάλο αντικείμενο σε ένα υγρό όπως το νερό θα είχε μεγάλο αριθμό Reynolds, που σημαίνει ότι κυριαρχούν οι αδρανειακές δυνάμεις που δημιουργούνται από το αντικείμενο. Αλλά για ένα μικροσκοπικό σώμα, όπως το σπέρμα, θα ήταν οι ιξώδεις δυνάμεις του υγρού που θα ασκούσαν τη μεγαλύτερη επιρροή.

Η φυσική που εξηγεί αυτόν τον παράξενο κόσμο όπου κυριαρχούν οι ιξώδεις δυνάμεις επιλύθηκε από αρκετούς φυσικούς τη δεκαετία του 1950, μεταξύ των οποίων Geoffrey Taylor από το Πανεπιστήμιο του Cambridge. Διεξάγοντας πειράματα χρησιμοποιώντας γλυκερίνη, ένα μέσο υψηλού ιξώδους, έδειξε ότι σε χαμηλό αριθμό Reynolds, η φυσική ενός μικροοργανισμού κολύμβησης μπορούσε να εξηγηθεί με «λοξή κίνηση». Εάν πάρετε έναν λεπτό κύλινδρο, όπως ένα καλαμάκι, και τον αφήσετε να πέσει όρθια σε ένα υγρό υψηλού ιξώδους όπως το σιρόπι, θα το κάνει κάθετα – όπως μπορείτε να περιμένετε. Εάν βάλετε το καλαμάκι στο πλάι, θα εξακολουθεί να πέφτει κατακόρυφα, αλλά κατά το ήμισυ τόσο γρήγορα από την όρθια θήκη λόγω αυξημένης οπισθέλκουσας. Ωστόσο, όταν βάζετε το καλαμάκι διαγώνια και το αφήνετε να πέσει, δεν κινείται κατακόρυφα προς τα κάτω αλλά πέφτει σε διαγώνια κατεύθυνση – αυτό που είναι γνωστό ως λοξή κίνηση.

Αυτό συμβαίνει επειδή η οπισθέλκουσα κατά μήκος του σώματος είναι μικρότερη από ό,τι στην κάθετη κατεύθυνση – που σημαίνει ότι το άχυρο θέλει να κινείται κατά μήκος του γρηγορότερα από ό,τι κάθετα, επομένως γλιστράει οριζόντια και πέφτει κατακόρυφα. Στις αρχές της δεκαετίας του 1950, ο Taylor και ο Geoff Hancock από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, στο Ηνωμένο Βασίλειο, έκαναν λεπτομερείς υπολογισμούς σχετικά με το πώς ένα σπέρμα θα μπορούσε να ταξιδέψει. Έδειξαν ότι καθώς το σπέρμα χτυπά την ουρά του, δημιουργεί λοξές κινήσεις σε διαφορετικά τμήματα, παράγοντας παχύρρευστη ώθηση.

Σήμερα, οι ερευνητές κατασκευάζουν πολύπλοκα μοντέλα για το πώς κολυμπούν τα σπερματοζωάρια. Αυτά τα μοντέλα δεν είναι μόνο για θεωρητικές γνώσεις, αλλά έχουν και εφαρμογές σε τεχνικές υποβοηθούμενης αναπαραγωγής. Μαθηματικός Ντέιβιντ Σμιθ από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, UK – ο οποίος έχει εργαστεί στη δυναμική των βιολογικών υγρών για πάνω από δύο δεκαετίες – και οι συνάδελφοι έχουν αναπτύξει μια τεχνική ανάλυσης σπέρματος. Μεταγλωττισμένη Ανάλυση Μαστιγίων και Παρακολούθηση Σπέρματος (FAST), μπορεί να απεικονίσει και να αναλύσει την ουρά ενός σπέρματος με εξαιρετική λεπτομέρεια. Από τις εικόνες, χρησιμοποιεί μαθηματικά μοντέλα για να υπολογίσει πόση δύναμη ασκεί το σώμα στο υγρό. Η συσκευασία υπολογίζει επίσης την αποτελεσματικότητα κολύμβησης του σπέρματος – πόσο μακριά κινείται χρησιμοποιώντας μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας.

Η ομάδα ξεκίνησε κλινικές δοκιμές με το FAST το 2018 και εάν η τεχνική είναι επιτυχής, θα μπορούσε να βοηθήσει τα ζευγάρια να αξιολογήσουν ποιος τύπος τεχνικής υποβοηθούμενης αναπαραγωγής μπορεί να λειτουργήσει για αυτά. Οι προσομοιώσεις μπορεί να δείξουν, για παράδειγμα, ότι η «ενδομήτρια σπερματέγχυση» - κατά την οποία το σπέρμα πλένεται και στη συνέχεια εγχέεται στη μήτρα, παρακάμπτοντας τον αυχενικό σωλήνα - θα μπορούσε να είναι εξίσου επιτυχημένη σε αρκετούς κύκλους με τη διενέργεια πιο ακριβών και επεμβατικών διαδικασιών εξωσωματικής γονιμοποίησης. Εναλλακτικά, η τεχνική τους θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει στην ανάλυση του αντίκτυπου της ανδρικής αντισύλληψης. «Αυτό το έργο αφορά την αξιοποίηση τεχνολογιών του 21ου αιώνα για την αντιμετώπιση προβλημάτων ανδρικής γονιμότητας», λέει ο Smith.

Εγκυμοσύνη και πλακούντας – το δέντρο της ζωής

Αποτελείται από ένα δίκτυο παχύρρευστων αγγείων και μοιάζει με ένα επίπεδο κέικ, ο πλακούντας είναι ο ζωογόνος εξωγήινος μέσα. Ένα όργανο μοναδικό για την εγκυμοσύνη, ένας υγιής πλακούντας σε τελειόμηνο έχει διάμετρο περίπου 22 εκατοστά, πάχος 2.5 εκατοστά και μάζα περίπου 0.6 κιλά. Είναι ένας άμεσος δεσμός μεταξύ της μητέρας και του εμβρύου, παρέχοντας στο έμβρυο οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά και επιτρέποντάς του να στέλνει πίσω προϊόντα αποβλήτων, όπως διοξείδιο του άνθρακα και ουρία, ένα κύριο συστατικό των ούρων.

Μόνο από μια συλλογή κυττάρων στην αρχή της εγκυμοσύνης, ο πλακούντας αρχίζει να σχηματίζει μια βασική δομή μόλις συμπλέκεται με την επένδυση της μήτρας. Αυτό τελικά οδηγεί σε ένα δίκτυο εμβρυϊκών αγγείων που διακλαδίζονται για να σχηματίσουν λαχνοειδή δέντρα – λίγο σαν ιαπωνικά μπονσάι – που λούζονται με μητρικό αίμα στον «ενδιάμεσο χώρο». Ο πλακούντας θα μπορούσε να περιγραφεί ως πενήντα συνδεδεμένα δέντρα μπονσάι ανάποδα στην κορυφή μιας δεξαμενής ψαριών που είναι γεμάτη αίμα, χάρη στην άντληση πολλών μητρικών αρτηριών στο κάτω μέρος.

Εκτιμάται ότι περιέχει περίπου 550 χιλιόμετρα εμβρυϊκών αιμοφόρων αγγείων - παρόμοιο σε μήκος με το Grand Canyon - η συνολική επιφάνεια του πλακούντα για ανταλλαγή αερίων είναι περίπου 13 μέτρα². Μέρος της δυσκολίας μελέτης του πλακούντα οφείλεται σε αυτές τις ποικίλες κλίμακες. Το άλλο ζήτημα είναι να γνωρίζουμε πώς αυτό το τεράστιο δίκτυο των εμβρυϊκών αγγείων, τα οποία έχουν διάμετρο περίπου 200 μm το καθένα, επηρεάζει τελικά την απόδοση ενός οργάνου κλίμακας εκατοστών.

Η ανταλλαγή αερίων μεταξύ του μητρικού και του εμβρυϊκού αίματος γίνεται μέσω διάχυσης μέσω του ιστού των λαχνών του δέντρου – με τα εμβρυϊκά αγγεία που βρίσκονται πιο κοντά στον λαχνοειδή ιστό που θεωρείται ότι κάνουν την ανταλλαγή. Συνδυάζοντας πειραματικά δεδομένα με μαθηματική μοντελοποίηση της περίπλοκης γεωμετρίας των αιμοφόρων αγγείων του εμβρύου, για την τελευταία δεκαετία, μαθηματικός Igor Chernyavsky από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και οι συνεργάτες του έχουν μελετήσει τη μεταφορά αερίων και άλλων θρεπτικών συστατικών στον πλακούντα.

Η ομάδα διαπίστωσε ότι παρά την απίστευτα πολύπλοκη τοπολογία των εμβρυϊκών αγγείων, υπάρχει ένας βασικός αδιάστατος αριθμός που μπορεί να εξηγήσει τη μεταφορά διαφορετικών θρεπτικών συστατικών στον πλακούντα. Ο προσδιορισμός της χημικής κατάστασης ενός μείγματος είναι ένα σύνθετο πρόβλημα – η μόνη κατάσταση «αναφοράς» είναι η ισορροπία, όταν όλες οι αντιδράσεις ισορροπούν μεταξύ τους και καταλήγουν σε μια σταθερή σύνθεση.

Στη δεκαετία του 1920, ο φυσικοχημικός Gerhard Damköhler προσπάθησε να επεξεργαστεί μια σχέση για τον ρυθμό των χημικών αντιδράσεων ή της διάχυσης παρουσία ροής. Σε αυτό το σενάριο μη ισορροπίας, βρήκε έναν μόνο αριθμό - τον αριθμό Damköhler - που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συγκρίνει το χρόνο για να συμβεί η "χημεία" με τον ρυθμό ροής στην ίδια περιοχή.

Ο αριθμός Damköhler είναι χρήσιμος όταν πρόκειται για τον πλακούντα, επειδή το όργανο διαχέει διαλυμένες ουσίες - όπως οξυγόνο, γλυκόζη και ουρία - παρουσία ροής αίματος τόσο του εμβρύου όσο και της μητέρας. Εδώ, ο αριθμός Damköhler ορίζεται ως η αναλογία μεταξύ της ποσότητας διάχυσης προς τον ρυθμό ροής του αίματος. Για έναν αριθμό Damköhler μεγαλύτερο από ένα, η διάχυση κυριαρχεί και εμφανίζεται ταχύτερα από τον ρυθμό ροής του αίματος, γνωστό ως «περιορισμένης ροής». Για έναν αριθμό μικρότερο από ένα, ο ρυθμός ροής είναι μεγαλύτερος από τον ρυθμό διάχυσης, γνωστός ως "περιορισμένη διάχυση". Chernyavsky και συνεργάτες διαπίστωσε ότι, παρά τις διάφορες περίπλοκες διευθετήσεις των εμβρυϊκών τριχοειδών στην τελική λάχνη, η κίνηση διαφορετικών αερίων μέσα και έξω από τα εμβρυϊκά τριχοειδή θα μπορούσε να περιγραφεί με τον αριθμό Damköhler – τον ​​οποίο ονόμασε «ενοποιητική αρχή» στον πλακούντα.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν, για παράδειγμα, ότι το μονοξείδιο του άνθρακα και η γλυκόζη στον πλακούντα έχουν περιορισμένη διάχυση, ενώ το διοξείδιο του άνθρακα και η ουρία είναι πιο περιορισμένη ροή. Το μονοξείδιο του άνθρακα πιστεύεται ότι ανταλλάσσεται αποτελεσματικά από τον πλακούντα, γι' αυτό το κάπνισμα της μητέρας και η ατμοσφαιρική ρύπανση μπορεί να είναι επικίνδυνα για το μωρό. Περιέργως, το οξυγόνο είναι σχεδόν περιορισμένο τόσο στη ροή όσο και στη διάχυση, υποδηλώνοντας έναν σχεδιασμό που είναι ίσως βελτιστοποιημένος για το αέριο. που είναι λογικό δεδομένου ότι είναι τόσο κρίσιμο για τη ζωή.

Είναι άγνωστο γιατί υπάρχει τόσο μεγάλο εύρος αριθμών Damköhler, αλλά μια πιθανή εξήγηση είναι ότι ο πλακούντας πρέπει να είναι εύρωστος, δεδομένων των πολλών διαφορετικών ρόλων του, που περιλαμβάνουν τόσο τη θρέψη όσο και την προστασία του μωρού από βλάβη. Δεδομένης της δυσκολίας πειραματικής μελέτης του πλακούντα και τα δύο στη μήτρα και όταν γεννιέται στο τρίτο στάδιο της γέννησης, υπάρχουν ακόμα πολλά που δεν γνωρίζουμε για αυτό το αιθέριο όργανο.

Παιδική ηλικία - είναι καλό να μιλάμε

Είναι δύσκολο να εκφράσουμε πόσο δύσκολο είναι, καταρχήν, για τα μωρά να μάθουν τη γλώσσα τους – αλλά φαίνονται εξαιρετικά καλά στο να το κάνουν. Όταν ένα βρέφος είναι δύο έως τριών ετών, η γλώσσα του εξελίσσεται απίστευτα γρήγορα, με τα νήπια να μπορούν να κατασκευάσουν περίπλοκες – και γραμματικά σωστές – προτάσεις. Αυτή η εξέλιξη είναι τόσο γρήγορη που είναι δύσκολο να μελετηθεί και απέχει πολύ από το να γίνει πλήρως κατανοητή. Πράγματι, ο τρόπος με τον οποίο τα μωρά μαθαίνουν τη γλώσσα αμφισβητείται έντονα, με πολλές ανταγωνιστικές θεωρίες μεταξύ των γλωσσολόγων.

Σχεδόν όλες οι ανθρώπινες γλώσσες μπορούν να περιγραφούν με αυτό που είναι γνωστό ως γραμματική χωρίς πλαίσιο – ένα σύνολο (αναδρομικών) κανόνων που δημιουργεί μια δομή σαν δέντρο. Οι τρεις κύριες πτυχές μιας γραμματικής χωρίς συμφραζόμενα είναι τα «μη τερματικά» σύμβολα, τα «τερματικά» σύμβολα και οι «κανόνες παραγωγής». Σε μια γλώσσα, τα μη τερματικά σύμβολα είναι πτυχές όπως ονοματικές φράσεις ή ρηματικές φράσεις (δηλαδή μέρη της πρότασης που μπορούν να αναλυθούν σε μικρότερα μέρη). Τα σύμβολα τερματικού παράγονται όταν έχουν εκτελεστεί όλες οι λειτουργίες, όπως οι ίδιες οι μεμονωμένες λέξεις. Τέλος, υπάρχουν οι κρυφοί κανόνες παραγωγής που καθορίζουν πού πρέπει να τοποθετηθούν τα τερματικά σύμβολα, για να παραχθεί μια πρόταση που έχει νόημα.

Μια πρόταση σε μια γλώσσα γραμματικής χωρίς συμφραζόμενα μπορεί να απεικονιστεί ως δέντρο, με τα κλαδιά να είναι τα «μη τερματικά» αντικείμενα που το βρέφος δεν ακούει όταν μαθαίνει γλώσσα – όπως φράσεις ρημάτων κ.λπ. Τα φύλλα του δέντρου, εν τω μεταξύ, είναι τα τερματικά σύμβολα ή οι πραγματικές λέξεις που ακούγονται. Για παράδειγμα, στην πρόταση "The bear walked into the cave", "the bear" και "walked into the cave" μπορούν να διαχωριστούν για να σχηματίσουν μια ονομαστική φράση (NP) και μια ρηματική φράση (VP), αντίστοιχα. Αυτά τα δύο μέρη μπορούν στη συνέχεια να διαχωριστούν περαιτέρω έως ότου το τελικό αποτέλεσμα είναι μεμονωμένες λέξεις, συμπεριλαμβανομένων των προσδιοριστικών (Det) και των φράσεων προθέσεων (PP) (βλ. εικόνα). Όταν τα νήπια ακούν τους ανθρώπους να μιλούν με πλήρως σχηματισμένες προτάσεις (που είναι, ελπίζουμε, γραμματικά σωστές), εκτίθενται μόνο στα φύλλα του δεντροειδούς δικτύου (οι λέξεις και η θέση σε μια πρόταση). Αλλά με κάποιο τρόπο, πρέπει επίσης να αποσπάσουν τους κανόνες της γλώσσας από το μείγμα των λέξεων που ακούνε.

Σε 2019, Eric De Giuli από το Πανεπιστήμιο Ryerson στον Καναδά μοντελοποίησε αυτή τη δομή που μοιάζει με δέντρο χρησιμοποιώντας τα εργαλεία της στατιστικής φυσικής (Phys. Απ. Letts. 122 128301). Καθώς τα νήπια ακούν, προσαρμόζουν συνεχώς τα βάρη των κλάδων των δυνατοτήτων καθώς ακούν τη γλώσσα. Τελικά, οι κλάδοι που παράγουν ανόητες προτάσεις αποκτούν μικρότερα βάρη - επειδή δεν ακούγονται ποτέ - σε σύγκριση με κλάδους πλούσιους σε πληροφορίες που τους δίνονται μεγαλύτερα βάρη. Εκτελώντας συνεχώς αυτό το τελετουργικό της ακρόασης, το βρέφος «κλαδεύει» το δέντρο με την πάροδο του χρόνου για να απορρίψει τις ρυθμίσεις τυχαίων λέξεων, ενώ διατηρεί αυτές με ουσιαστική δομή. Αυτή η διαδικασία κλαδέματος μειώνει τόσο τον αριθμό των κλαδιών κοντά στην επιφάνεια του δέντρου όσο και εκείνων πιο βαθιά.

Η συναρπαστική πτυχή αυτής της ιδέας από φυσική άποψη είναι ότι όταν τα βάρη είναι ίσα, η γλώσσα είναι τυχαία – κάτι που μπορεί να συγκριθεί με το πώς η θερμότητα επηρεάζει τα σωματίδια στη θερμοδυναμική. Αλλά μόλις προστεθούν βάρη στα κλαδιά και προσαρμοστούν ώστε να παράγουν συγκεκριμένες γραμματικές προτάσεις, η «θερμοκρασία» αρχίζει να μειώνεται. Ο De Giuli έτρεξε το μοντέλο του για 25,000 πιθανές διακριτές «γλώσσες» (οι οποίες περιελάμβαναν γλώσσες υπολογιστών) και βρήκε καθολική συμπεριφορά όταν επρόκειτο να «μειώσει τη θερμοκρασία». Σε ένα ορισμένο σημείο, υπάρχει μια απότομη πτώση σε αυτό που είναι ανάλογο με τη θερμοδυναμική εντροπία ή διαταραχή, όταν η γλώσσα μεταβαίνει από ένα σώμα τυχαίων διατάξεων σε ένα που έχει περιεχόμενο υψηλής πληροφόρησης. Σκεφτείτε μια κατσαρόλα με μπερδεμένες λέξεις που βγαίνει από τη σόμπα για να κρυώσει, έως ότου οι λέξεις και οι φράσεις αρχίσουν να «κρυσταλλώνονται» σε μια συγκεκριμένη δομή ή γραμματική.

Αυτή η απότομη αλλαγή μοιάζει επίσης με μια μετάβαση φάσης στη στατιστική μηχανική – σε ένα ορισμένο σημείο, η γλώσσα μεταβαίνει από ένα τυχαίο συνονθύλευμα λέξεων σε ένα εξαιρετικά δομημένο σύστημα επικοινωνίας που είναι πλούσιο σε πληροφορίες, που περιέχει προτάσεις με πολύπλοκες δομές και έννοιες. Ο De Giuli πιστεύει ότι αυτό το μοντέλο (το οποίο τονίζει ότι είναι μόνο ένα μοντέλο και όχι ένα οριστικό συμπέρασμα για το πώς τα νήπια μαθαίνουν τη γλώσσα) θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί σε ένα συγκεκριμένο στάδιο ανάπτυξης ένα παιδί μαθαίνει απίστευτα γρήγορα να κατασκευάζει γραμματικές προτάσεις. Έρχεται ένα σημείο που έχουν ακούσει αρκετά για να έχουν νόημα για όλα αυτά. Η γλώσσα, φαίνεται, είναι απλώς παιδικό παιχνίδι.