فیزیک شگفت‌انگیز نوزادان: چگونه درک خود را از تولید مثل انسان بهبود می‌دهیم

مفهوم - زندگی با تعداد رینولدز پایین شروع می شود

«[اسپرم] حیوانی است که بیشتر ... با سر یا قسمت جلویی خود در جهت من شنا می کند. دمی که هنگام شنا مثل حرکت مار مانند مارماهی در آب مژگان می زند. تاجر و دانشمند هلندی چنین نوشت آنتونی ون لیووانگوک به انجمن سلطنتی در دهه 1670 در مورد مشاهدات او از اسپرم. ون لیوونهوک با استفاده از میکروسکوپ های سفارشی خود، که از هر چیزی که قبلا ساخته شده بود قدرتمندتر بود، اولین کسی بود که به قلمرو میکروسکوپی نگاه کرد. دستگاه‌های او که تقریباً به اندازه یک دست بودند، به او اجازه می‌داد از اشیاء با وضوح میکرومتری تصویربرداری کند، و به وضوح انواع مختلفی از «جانوران» را که روی یا در بدن قرار دارند، از جمله اسپرم، تشخیص می‌دهند.

علی‌رغم مشاهدات حاد ون لیوونهوک، صدها سال طول کشید تا ایده‌ای محکم در مورد اینکه چگونه اسپرم می‌تواند از طریق مایعات پیچیده موجود در دستگاه تناسلی زنانه حرکت کند، به دست آید. اولین سرنخ ها در اواخر دهه 1880 به دست آمد آزبورن رینولدز فیزیکدان ایرلندی که در کالج اونز در انگلستان (دانشگاه منچستر کنونی) کار می کرد. در آن زمان، رینولدز یک سری آزمایش‌های دینامیک سیالات را انجام داد و از آن‌ها رابطه‌ای بین اینرسی که یک جسم در مایع می‌تواند ایجاد کند و ویسکوزیته محیط - عدد رینولد به دست آورد. به طور کلی، یک جسم بزرگ در مایعی مانند آب دارای عدد رینولدز بزرگ است، که به این معنی است که نیروهای اینرسی ایجاد شده توسط جسم غالب هستند. اما برای یک جسم میکروسکوپی، مانند اسپرم، این نیروهای چسبناک مایع هستند که بیشترین تأثیر را خواهند داشت.

فیزیک توضیح دهنده این دنیای عجیب و غریب که در آن نیروهای چسبناک غالب هستند توسط چندین فیزیکدان در دهه 1950 کار شد، از جمله جفری تیلور از دانشگاه کمبریج. او با انجام آزمایش‌هایی با استفاده از گلیسیرین، یک محیط با ویسکوزیته بالا، نشان داد که در عدد رینولدز پایین، فیزیک یک میکروارگانیسم شنا را می‌توان با «حرکت مورب» توضیح داد. اگر یک استوانه نازک مانند نی را بردارید و بگذارید به صورت عمودی در مایعی مانند شربت با ویسکوزیته بالا بیفتد، این کار را به صورت عمودی انجام می دهد - همانطور که ممکن است انتظار داشته باشید. اگر نی را در کنار آن قرار دهید، همچنان به صورت عمودی می افتد، اما به دلیل افزایش کشش، به اندازه نیمی از بدنه عمودی می افتد. با این حال، هنگامی که نی را به صورت مورب قرار می دهید و می گذارید بیفتد، به صورت عمودی به سمت پایین حرکت نمی کند، بلکه در یک جهت مورب می افتد - چیزی که به عنوان حرکت اریب شناخته می شود.

این به این دلیل رخ می دهد که کشش در طول بدن کمتر از جهت عمود است - به این معنی که نی می خواهد در طول خود سریعتر از عمود حرکت کند، بنابراین به صورت افقی می لغزد و همچنین به صورت عمودی می افتد. در اوایل دهه 1950، تیلور و جف هنکاک از دانشگاه منچستر، بریتانیا، محاسبات دقیقی در مورد چگونگی حرکت یک اسپرم انجام دادند. آنها نشان دادند که وقتی اسپرم دم خود را شلاق می زند، حرکات مورب در بخش های مختلف ایجاد می کند و نیروی محرکه چسبناک تولید می کند.

امروزه، محققان در حال ساخت مدل‌های پیچیده‌ای برای نحوه شنا کردن اسپرم‌ها هستند. این مدل ها فقط برای بینش نظری نیستند، بلکه در تکنیک های کمک باروری نیز کاربرد دارند. ریاضیدان دیوید اسمیت از دانشگاه بیرمنگام، انگلستان – که روی دینامیک سیالات بیولوژیکی کار کرده است برای بیش از دو دهه - و همکاران یک تکنیک تجزیه و تحلیل اسپرم را توسعه داده اند. دوبله شده آنالیز تاژک و ردیابی اسپرم (FAST، می تواند دم اسپرم را با جزئیات بسیار عالی تصویر و تجزیه و تحلیل کند. از روی تصاویر، از مدل های ریاضی برای محاسبه میزان نیرویی که بدن به مایع وارد می کند، استفاده می کند. این بسته همچنین بازده شنای اسپرم را محاسبه می‌کند - با استفاده از مقدار مشخصی انرژی چقدر حرکت می‌کند.

این تیم کارآزمایی‌های بالینی را با FAST در سال 2018 آغاز کردند و اگر این تکنیک موفقیت‌آمیز باشد، می‌تواند به زوج‌ها کمک کند تا ارزیابی کنند که چه نوع تکنیک کمک باروری ممکن است برای آنها مفید باشد. برای مثال، شبیه‌سازی‌ها ممکن است نشان دهند که «تلقیح داخل رحمی» - که در آن اسپرم شسته می‌شود و سپس به داخل رحم تزریق می‌شود و کانال دهانه رحم را دور می‌زند - می‌تواند به اندازه انجام روش‌های گران‌تر و تهاجمی‌تر IVF در چندین دوره موفق باشد. روش دیگر، می تواند از تکنیک آنها برای کمک به تجزیه و تحلیل تأثیر پیشگیری از بارداری مردانه استفاده شود. اسمیت می‌گوید: «این پروژه در مورد استفاده از فناوری‌های قرن 21 برای رسیدگی به مشکلات باروری مردان است.

بارداری و جفت - درخت زندگی

متشکل از شبکه ای از عروق ضخیم بنفش جفت که شبیه یک کیک تخت است، بیگانه حیات بخش درون است. یک عضو منحصر به فرد برای بارداری، جفت سالم در ترم کامل حدود 22 سانتی متر قطر، 2.5 سانتی متر ضخامت و با جرم حدود 0.6 کیلوگرم است. این یک ارتباط مستقیم بین مادر و جنین است و اکسیژن و مواد مغذی را برای جنین فراهم می‌کند و به او اجازه می‌دهد تا مواد زائد مانند دی اکسید کربن و اوره، جزء اصلی ادرار را پس بفرستد.

فقط از مجموعه ای از سلول ها در اوایل بارداری، جفت پس از درهم تنیدگی با پوشش داخلی رحم، شروع به تشکیل یک ساختار اساسی می کند. این در نهایت منجر به شبکه‌ای از عروق جنینی می‌شود که منشعب می‌شوند و درختان پرزدار را تشکیل می‌دهند - کمی شبیه بونسای ژاپنی - که در "فضای بین پرز" در خون مادر غرق می‌شوند. جفت را می توان به عنوان پنجاه درخت بونسای متصل وارونه در بالای یک مخزن ماهی که پر از خون است، به لطف پمپاژ چندین شریان مادری در پایین توصیف کرد.

تخمین زده می شود که حاوی حدود 550 کیلومتر رگ خونی جنین باشد - طولی مشابه گرند کانیون - سطح کل جفت برای تبادل گاز حدود 13 متر است.². بخشی از دشواری مطالعه جفت به دلیل این مقیاس های مختلف است. مسئله دیگر این است که بدانیم این شبکه عظیم رگ های جنین که هر کدام حدود 200 میکرومتر عرض دارند، در نهایت چگونه بر عملکرد یک اندام در مقیاس سانتی متر تأثیر می گذارد.

تبادل گازها بین خون مادر و جنین از طریق انتشار از طریق بافت درخت پرز انجام می شود - با نزدیک ترین رگ های جنینی به بافت پرز که تصور می شود این تبادل را انجام می دهند. با ترکیب داده های تجربی با مدل سازی ریاضی هندسه پیچیده رگ های خونی جنین، ریاضیدان دهه گذشته ایگور چرنیاوسکی از دانشگاه منچستر و همکارانش انتقال گازها و سایر مواد مغذی را در جفت مطالعه کرده اند.

این تیم دریافت که علیرغم توپولوژی فوق العاده پیچیده عروق جنین، یک عدد کلیدی بدون بعد وجود دارد که می تواند انتقال مواد مغذی مختلف را در جفت توضیح دهد. تعیین وضعیت شیمیایی یک مخلوط یک مشکل پیچیده است - تنها حالت "مرجع" تعادل است، زمانی که همه واکنش ها یکدیگر را متعادل می کنند و به یک ترکیب پایدار ختم می شوند.

در دهه 1920، گرهارد دامکوهلر، شیمی‌دان فیزیک، تلاش کرد تا رابطه‌ای را برای سرعت واکنش‌های شیمیایی یا انتشار در حضور جریان ایجاد کند. در این سناریوی غیرتعادلی، او به یک عدد واحد رسید - عدد دامکوهلر - که می‌توان از آن برای مقایسه زمان وقوع "شیمی" با سرعت جریان در همان منطقه استفاده کرد.

عدد دامکوهلر در مورد جفت مفید است زیرا این اندام در حال انتشار املاح - مانند اکسیژن، گلوکز و اوره - در حضور جریان خون جنین و مادر است. در اینجا عدد دامکوهلر به عنوان نسبت بین میزان انتشار در برابر سرعت جریان خون تعریف می شود. برای عدد دامکوهلر بزرگتر از یک، انتشار غالب است و سریعتر از سرعت جریان خون رخ می‌دهد که به «جریان محدود» معروف است. برای عددی کمتر از یک، سرعت جریان بیشتر از نرخ انتشار است که به نام "Diffusion limited" شناخته می شود. چرنیاوسکی و همکاران دریافت که، با وجود آرایش های پیچیده مختلف مویرگ های جنین در پرز انتهایی، حرکت گازهای مختلف به داخل و خارج از مویرگ های جنین را می توان با عدد دامکوهلر توصیف کرد - که او آن را "اصل متحد کننده" در جفت نامید.

به عنوان مثال، محققان دریافتند که مونوکسید کربن و گلوکز در جفت دارای انتشار محدود هستند، در حالی که دی اکسید کربن و اوره جریان محدودتری دارند. تصور می شود که مونوکسید کربن به طور موثر توسط جفت مبادله می شود، به همین دلیل است که سیگار کشیدن مادر و آلودگی هوا می تواند برای نوزاد خطرناک باشد. به طرز جالبی، اکسیژن نزدیک به محدود بودن جریان و انتشار است، که طرحی را پیشنهاد می‌کند که شاید برای گاز بهینه شده باشد. با توجه به اینکه برای زندگی بسیار مهم است، منطقی است.

ناشناخته است که چرا طیف وسیعی از اعداد دامکوهلر وجود دارد، اما یک توضیح ممکن این است که جفت باید قوی باشد، با توجه به نقش های مختلف آن، که شامل تغذیه و محافظت از کودک در برابر آسیب می شود. با توجه به دشواری مطالعه تجربی جفت هر دو در دوران جنینی و هنگامی که در مرحله سوم تولد زایمان می شود، هنوز چیزهای زیادی در مورد این اندام اثیری نمی دانیم.

دوران کودکی - صحبت کردن خوب است

بیان اینکه اصولاً چقدر سخت است که نوزادان زبان خود را یاد بگیرند دشوار است - اما به نظر می رسد که آنها در انجام این کار بسیار خوب به نظر می رسند. هنگامی که یک نوزاد دو تا سه ساله است، زبان او به سرعت باورنکردنی پیچیده می شود و کودکان نوپا قادر به ساختن جملات پیچیده – و از نظر گرامری صحیح هستند. این پیشرفت به قدری سریع است که مطالعه آن دشوار است، و به دور از درک کامل است. در واقع، نحوه یادگیری زبان توسط نوزادان با بسیاری از تئوری‌های رقیب در میان زبان شناسان مورد بحث و مناقشه قرار گرفته است.

تقریباً همه زبان‌های انسانی را می‌توان با چیزی که به عنوان دستور زبان بدون متن شناخته می‌شود توصیف کرد - مجموعه‌ای از قوانین (بازگردانی) که ساختاری درخت‌مانند ایجاد می‌کند. سه جنبه اصلی گرامر بدون بافت عبارتند از نمادهای «غیر پایانی»، نمادهای «پایانه» و «قوانین تولید». در یک زبان، نمادهای غیر پایانی جنبه هایی مانند عبارات اسمی یا عبارات فعل هستند (یعنی قسمت هایی از جمله که می توانند به قسمت های کوچکتر تقسیم شوند). نمادهای پایانه زمانی تولید می شوند که همه عملیات انجام شده باشد، مانند خود کلمات. در نهایت، قوانین تولید پنهانی وجود دارد که تعیین می کند نمادهای پایانه باید در کجا قرار گیرند تا جمله ای منطقی تولید شود.

یک جمله در یک زبان دستور زبان بدون متن را می توان به صورت درختی تجسم کرد، با شاخه ها اشیاء "غیر پایانی" که نوزاد هنگام یادگیری زبان نمی شنود - مانند عبارات فعل و غیره. در این میان، برگ های درخت، نمادهای پایانی یا کلمات واقعی هستند که شنیده می شوند. به عنوان مثال، در جمله "خرس وارد غار شد"، "خرس" و "به درون غار قدم زد" را می توان به ترتیب برای تشکیل یک عبارت اسمی (NP) و یک عبارت فعل (VP) تقسیم کرد. سپس می توان آن دو بخش را بیشتر تقسیم کرد تا اینکه نتیجه نهایی کلمات منفرد از جمله تعیین کننده (Det) و عبارات اضافه (PP) باشد (شکل را ببینید). وقتی نوزادان به صحبت‌های مردم در جملات کاملاً شکل‌یافته گوش می‌دهند (که امیدواریم از نظر گرامری درست باشد)، فقط در معرض برگ‌های شبکه درختی (کلمات و مکان در یک جمله) قرار می‌گیرند. اما به نحوی باید قواعد زبان را نیز از ترکیب کلماتی که می شنوند استخراج کنند.

در 2019، اریک دی جولی از دانشگاه رایرسون در کانادا این ساختار درخت مانند را با استفاده از ابزارهای فیزیک آماری مدلسازی کرد (فیزیک کشیش لتس. 122 128301). همانطور که نوزادان گوش می دهند، به طور مداوم وزن شاخه های احتمالات را با شنیدن زبان تنظیم می کنند. در نهایت، شاخه‌هایی که جملات بی‌معنی تولید می‌کنند، وزن‌های کوچک‌تری به دست می‌آورند - زیرا هرگز شنیده نمی‌شوند - در مقایسه با شاخه‌های غنی از اطلاعات که وزن‌های بزرگ‌تری دارند. با انجام مداوم این آیین گوش دادن، نوزاد در طول زمان درخت را هرس می کند تا ترتیبات تصادفی کلمات را کنار بگذارد، در حالی که ساختار معنی دار را حفظ می کند. این فرآیند هرس هم تعداد شاخه های نزدیک به سطح درخت و هم تعداد شاخه های عمیق تر را کاهش می دهد.

جنبه جذاب این ایده از نقطه نظر فیزیکی این است که وقتی وزن ها برابر هستند، زبان تصادفی است - که می توان آن را با نحوه تأثیر گرما بر ذرات در ترمودینامیک مقایسه کرد. اما هنگامی که وزن ها به شاخه ها اضافه می شوند و برای تولید جملات دستوری خاص تنظیم می شوند، "دما" شروع به کاهش می کند. دی جولی مدل خود را برای 25,000 "زبان" متمایز ممکن (که شامل زبان های کامپیوتری نیز می شود) اجرا کرد و در مورد "کاهش دما" رفتار جهانی پیدا کرد. در نقطه ای خاص، زمانی که زبان از مجموعه ای از ترتیبات تصادفی به ترتیبی با محتوای اطلاعات بالا می رود، افت شدیدی در آنچه مشابه آنتروپی ترمودینامیکی یا بی نظمی است وجود دارد. به یک دیگ حبابی از کلمات درهم فکر کنید که از روی اجاق گاز برداشته می شود تا خنک شود، تا زمانی که کلمات و عبارات شروع به "بلور شدن" به یک ساختار یا دستور زبان خاص کنند.

این تغییر ناگهانی همچنین شبیه به یک انتقال فاز در مکانیک آماری است - در یک نقطه خاص، زبان از یک ترکیب تصادفی کلمات به یک سیستم ارتباطی بسیار ساختاریافته که سرشار از اطلاعات است و حاوی جملاتی با ساختارها و معانی پیچیده است تغییر می‌کند. دی جولی فکر می‌کند که این مدل (که تاکید می‌کند تنها یک مدل است و نه یک نتیجه‌گیری قطعی برای نحوه یادگیری زبان در نوزادان) می‌تواند توضیح دهد که چرا در مرحله خاصی از رشد کودک به سرعت باورنکردنی ساخت جملات دستوری را یاد می‌گیرد. زمانی فرا می رسد که آنها به اندازه کافی به آن گوش داده اند تا همه چیز برایشان معنا پیدا کند. به نظر می رسد زبان فقط بازی کودکانه است.