Imikute üllatav füüsika: kuidas me parandame oma arusaamist inimeste paljunemisest

Viljastumine – elu algab madalast Reynoldsi numbrist

"[Sperma] on loom, mis enamasti … ujub pea või esiosaga minu suunas. Saba, mis ujudes lööb nagu madu liigutus, nagu angerjas vees. Nii kirjutas Hollandi ärimees ja teadlane Antoine van Leeuwenhoek Kuninglikule Seltsile 1670. aastatel seoses tema spermavaatlustega. Kasutades oma eritellimusel valmistatud mikroskoope, mis olid võimsamad kui miski varem, vaatas van Leeuwenhoek esimesena mikroskoopilist valdkonda. Tema seadmed, mis olid umbes käe suurused, võimaldasid tal pildistada mikromeetrise eraldusvõimega objekte, mis selgelt eraldavad paljusid erinevaid kehal või kehas asuvaid "loomi", sealhulgas spermat.

Vaatamata van Leeuwenhoeki teravatele tähelepanekutele kulus sadu aastaid, et saada kindel ettekujutus selle kohta, kuidas spermatosoidid võiksid liikuda läbi naiste suguelundites leiduvate keeruliste vedelike. Esimesed vihjed tulid 1880. aastate lõpust Iiri füüsik Osborne Reynolds kes töötas Inglismaal Owensi kolledžis (praegu Manchesteri ülikool). Selle aja jooksul viis Reynolds läbi rea vedelikudünaamika katseid ja sai nende põhjal seose vedelikus oleva keha inertsi ja keskkonna viskoossuse – Reynoldi numbri – vahel. Jämedalt öeldes oleks vedelikus, näiteks vees, suurel objektil suur Reynoldsi arv, mis tähendab, et objekti poolt tekitatud inertsiaaljõud on domineerivad. Kuid mikroskoopilise keha, näiteks spermatosoidide puhul oleks kõige suurem mõju vedeliku viskoossetele jõududele.

Füüsika, mis selgitab seda kummalist maailma, kus domineerivad viskoossed jõud, töötasid 1950. aastatel välja mitmed füüsikud, sealhulgas Geoffrey Taylor Cambridge'i ülikoolist. Tehes katseid kõrge viskoossusega keskkonna glütseriiniga, näitas ta, et madala Reynoldsi arvu korral saab ujuva mikroorganismi füüsikat seletada "kaldliikumisega". Kui võtate õhukese silindri, näiteks kõrre, ja lasete sellel kõrge viskoossusega vedelikus nagu siirup püsti kukkuda, teeb see seda vertikaalselt – nagu võite arvata. Kui panna põhk külili, langeb see siiski vertikaalselt, kuid suurenenud takistuse tõttu poole kiiremini kui püstine ümbris. Kui aga asetada põhk diagonaalselt ja lasta sel kukkuda, ei liigu see vertikaalselt alla, vaid kukub diagonaalis – nn kaldus liikumisena.

Selle põhjuseks on asjaolu, et takistus piki keha pikkust on väiksem kui ristisuunas – see tähendab, et põhk tahab liikuda piki oma pikkust kiiremini kui risti, mistõttu see libiseb nii horisontaalselt kui ka vertikaalselt. 1950. aastate alguses tegid Taylor ja Geoff Hancock Manchesteri ülikoolist Ühendkuningriigist üksikasjalikke arvutusi selle kohta, kuidas sperma võiks reisida. Nad näitasid, et kui sperma piitsutab saba, tekitab see erinevates osades kaldus liigutusi, tekitades viskoosse tõukejõu.

Tänapäeval ehitavad teadlased üha keerukamaid mudeleid sperma ujumiseks. Need mudelid pole mõeldud ainult teoreetiliseks arusaamiseks, vaid neil on ka rakendusi kunstliku viljastamise tehnikates. matemaatik David Smith Birminghami ülikoolist, Ühendkuningriik – kes on töötanud bioloogiliste vedelike dünaamika kallal üle kahe aastakümne – ja kolleegid on välja töötanud sperma analüüsi tehnika. Dubleeritud Flagella analüüs ja sperma jälgimine (FAST), suudab see oivaliste detailidega pildistada ja analüüsida sperma saba. Piltide põhjal arvutab see matemaatilisi mudeleid, kui palju jõudu keha vedelikule avaldab. Pakett arvutab ka sperma ujumistõhususe – kui kaugele see teatud energiahulgaga liigub.

Meeskond alustas FAST-i kliinilisi uuringuid 2018. aastal ja kui tehnika on edukas, võib see aidata paaridel hinnata, millist tüüpi kunstliku viljastamise tehnika võib nende jaoks töötada. Simulatsioonid võivad näiteks näidata, et "emakasisene viljastamine" – mille käigus sperma pestakse ja seejärel süstitakse emakasse, mööda emakakaela kanalit – võib olla sama edukas mitme tsükli jooksul kui kallimate ja invasiivsemate IVF-protseduuride läbiviimine. Teise võimalusena võib nende tehnikat kasutada meeste rasestumisvastaste vahendite mõju analüüsimiseks. "Selle projekti eesmärk on kasutada 21. sajandi tehnoloogiaid meeste viljakuse probleemide lahendamiseks," ütleb Smith.

Rasedus ja platsenta – elupuu

Koosneb paksude purpursete anumate võrgust ja lamedat kooki meenutav platsenta on sees elu andev tulnukas. Terve platsenta, mis on ainulaadne raseduse ajal, on läbimõõduga umbes 22 sentimeetrit, paksusega 2.5 sentimeetrit ja massiga umbes 0.6 kg. See on otsene side ema ja loote vahel, varustades loote hapniku ja toitainetega ning võimaldades tal tagasi saata jääkaineid, nagu süsinikdioksiid ja uurea, mis on uriini põhikomponent.

Ainult rakkude kogumist raseduse alguses hakkab platsenta moodustama põhistruktuuri, kui see põimub emaka limaskestaga. See viib lõpuks loote veresoonte võrgustikuni, mis hargnevad ja moodustavad villseid puid – natuke nagu Jaapani bonsaisid –, mis ujuvad “vaheruumis” emaveres. Platsentat võiks kirjeldada kui viitkümmend ühendatud bonsaipuud tagurpidi akvaariumi tipus, mis on täis verd tänu mitmete emaarterite pumpamisele põhjas.

Hinnanguliselt sisaldab umbes 550 kilomeetrit loote veresooni – pikkuselt sarnane Grand Canyoniga –, platsenta kogupindala gaasivahetuseks on umbes 13 m.². Osa platsenta uurimise raskustest on tingitud nendest erinevatest skaaladest. Teine probleem on teada, kuidas see tohutu loote veresoonte võrgustik, millest igaüks on umbes 200 μm, mõjutab lõpuks sentimeetrise elundi jõudlust.

Gaaside vahetus ema ja loote vere vahel toimub difusiooni teel läbi villipuu koe – vahetust teostavad loote veresooned, mis on kõige lähemal karvakoele. Viimase kümnendi matemaatik, ühendades eksperimentaalsed andmed loote veresoonte keeruka geomeetria matemaatilise modelleerimisega Igor Tšernjavski Manchesteri ülikoolist ja kolleegid on uurinud gaaside ja muude toitainete transporti platsentas.

Meeskond leidis, et vaatamata loote veresoonte uskumatult keerulisele topoloogiale on oluline mõõtmeteta arv, mis võib selgitada erinevate toitainete transporti platsentas. Segu keemilise oleku määramine on keeruline probleem – ainuke “võrdlus” olek on tasakaal, mil kõik reaktsioonid tasakaalustavad üksteist ja jõuavad stabiilsesse koostisesse.

1920. aastatel püüdis füüsikakeemik Gerhard Damköhler välja töötada seose keemiliste reaktsioonide või difusiooni kiiruse vahel voolu juuresolekul. Selle mittetasakaalu stsenaariumi puhul tuli ta välja ühe numbri – Damköhleri ​​numbri –, mille abil saab võrrelda aega, mille jooksul keemia juhtub, voolukiirusega samas piirkonnas.

Damköhleri ​​number on platsenta puhul kasulik, kuna see elund hajutab lahustunud aineid – nagu hapnik, glükoos ja uurea – nii loote kui ka ema verevoolu juuresolekul. Siin on Damköhleri ​​arv määratletud kui difusiooni hulga ja verevoolu kiiruse suhe. Kui Damköhleri ​​arv on suurem kui üks, domineerib difusioon ja see toimub kiiremini kui verevoolu kiirus, mida nimetatakse "voolu piiramiseks". Kui arv on väiksem kui üks, on voolukiirus suurem difusioonikiirusest, mida nimetatakse difusioonipiiranguks. Tšernjavski ja kolleegid leidis, et vaatamata loote kapillaaride mitmesugusele keerukale paigutusele terminali villus, saab erinevate gaaside liikumist loote kapillaaridesse ja sealt välja kirjeldada Damköhleri ​​numbriga – mida ta nimetas platsenta "ühendavaks põhimõtteks".

Uurijad leidsid näiteks, et süsinikmonooksiidi ja glükoosi difusioon platsentas on piiratud, samas kui süsinikdioksiid ja uurea on rohkem piiratud. Arvatakse, et platsenta vahetab vingugaasi tõhusalt, mistõttu võivad ema suitsetamine ja õhusaaste olla lapsele ohtlikud. Huvitaval kombel on hapnik peaaegu piiratud nii voolu kui ka difusiooniga, mis viitab disainile, mis on võib-olla gaasi jaoks optimeeritud; mis on mõttekas, kuna see on elu jaoks nii kriitiline.

Pole teada, miks Damköhleri ​​numbreid nii palju on, kuid üks võimalik seletus on see, et platsenta peab olema tugev, arvestades selle paljusid erinevaid rolle, mis hõlmavad nii lapse toitmist kui ka kaitsmist kahju eest. Arvestades platsenta eksperimentaalse uurimise raskusi emakasisene ja kui see sünnib kolmandas sünnitusjärgus, on selle eeterliku elundi kohta veel palju teadmata.

Beebipõlv – on hea rääkida

Raske on väljendada, kui raske on imikutel põhimõtteliselt oma keelt omandada, kuid nad tunduvad selles märkimisväärselt head. Kui imik on kahe- kuni kolmeaastane, muutub tema keel uskumatult kiiresti keerukaks ning väikelapsed saavad koostada keerulisi ja grammatiliselt õigeid lauseid. See areng on nii kiire, et seda on raske uurida ja see pole kaugeltki täielikult mõistetav. Tõepoolest, selle üle, kuidas imikud keelt õpivad, vaieldakse ägedalt ja keeleteadlaste seas on palju konkureerivaid teooriaid.

Peaaegu kõiki inimkeeli saab kirjeldada nn kontekstivaba grammatikaga – (rekursiivsete) reeglite komplektiga, mis loob puutaolise struktuuri. Kontekstivaba grammatika kolm peamist aspekti on "mitteterminaalsed" sümbolid, "terminali" sümbolid ja "tootmisreeglid". Keeles on mitteterminaalsed sümbolid sellised aspektid nagu nimisõnafraasid või verbifraasid (st lause osad, mida saab jagada väiksemateks osadeks). Terminali sümbolid luuakse siis, kui kõik toimingud, näiteks üksikud sõnad ise, on tehtud. Lõpuks on peidetud tootmisreeglid, mis määravad, kuhu terminali sümbolid tuleks paigutada, et luua mõistlik lause.

Kontekstivabas grammatikakeeles olevat lauset saab visualiseerida puuna, mille oksad on "mitteterminaalsed" objektid, mida imik keelt õppides ei kuule – näiteks verbifraasid jne. Vahepeal on puu lehed terminali sümbolid või tegelikud sõnad, mida kuuldakse. Näiteks lauses "Karu kõndis koopasse" saab "karu" ja "kõnnis koopasse" lahutada, moodustades vastavalt nimisõnafraasi (NP) ja tegusõnafraasi (VP). Neid kahte osa saab seejärel edasi jagada, kuni lõpptulemuseks on üksikud sõnad, sealhulgas määrajad (Det) ja eessõnafraasid (PP) (vt joonist). Kui imikud kuulavad, kuidas inimesed räägivad täielikult moodustatud lausetega (see on loodetavasti grammatiliselt õige), puutuvad nad kokku ainult puutaolise võrgu lehtedega (sõnad ja asukoht lauses). Kuid mingil moel peavad nad kuuldavast sõnade segust välja võtma ka keelereeglid.

Aastal 2019, Eric De Giuli Ryersoni ülikoolist Kanadas modelleeris selle puutaolise struktuuri statistilise füüsika vahendeid kasutades (Phys. Rev. Letts. 122 128301). Kui imikud kuulavad, kohandavad nad keelt kuuldes pidevalt võimaluste harude kaalu. Lõpuks omandavad mõttetuid lauseid tekitavad harud väiksema kaalu – kuna neid ei kuule kunagi – võrreldes teaberikaste harudega, millele omistatakse suurem kaal. Pidevalt seda kuulamisrituaali sooritades pügab imik aja jooksul puud, et loobuda juhuslikest sõnade paigutusest, säilitades samal ajal tähendusliku struktuuriga sõnad. See pügamisprotsess vähendab nii puu pinna lähedal kui ka sügavamal asuvate okste arvu.

Selle idee põnev aspekt füüsikalisest vaatepunktist on see, et kui kaalud on võrdsed, on keel juhuslik – seda saab võrrelda sellega, kuidas soojus mõjutab osakesi termodünaamikas. Kuid kui harudele on lisatud kaalud ja kohandatud konkreetsete grammatiliste lausete saamiseks, hakkab "temperatuur" langema. De Giuli kasutas oma mudelit 25,000 XNUMX võimaliku erineva "keele" jaoks (sealhulgas arvutikeeled) ja leidis universaalse käitumise "temperatuuri alandamisel". Teatud hetkel toimub termodünaamilise entroopia või häirega analoogiline järsk langus, kui keel muutub juhuslike korralduste hulgast suure teabesisaldusega keelde. Mõelge segamini segatud sõnade mullitavale pottile, mis võetakse pliidilt jahtuma, kuni sõnad ja fraasid hakkavad "kristalluma" konkreetseks struktuuriks või grammatikaks.

See järsk ümberlülitus sarnaneb ka faasisiirdega statistilises mehaanikas – teatud hetkel lülitub keel juhuslikust sõnade virrvarrist üle väga struktureeritud inforikkaks suhtlussüsteemiks, mis sisaldab keeruka struktuuri ja tähendusega lauseid. De Giuli arvab, et see mudel (mida ta rõhutab, et see on vaid mudel, mitte lõplik järeldus selle kohta, kuidas imikud keelt õpivad) võib selgitada, miks laps õpib teatud arenguetapis uskumatult kiiresti grammatilisi lauseid koostama. Saabub hetk, mil nad on piisavalt kuulanud, et see kõik oleks nende jaoks mõistlik. Tundub, et keel on lihtsalt lapsemäng.