Vauvojen yllättävä fysiikka: kuinka parannamme ymmärrystämme ihmisen lisääntymisestä

Synnytys – elämä alkaa pienestä Reynolds-luvusta

"[Siittiö] on eläinkudos, joka enimmäkseen… ui päällään tai etuosallani minun suuntaani. Häntä, joka uidessa räväyttää kuin käärmemäinen liike, kuin ankeriaat vedessä." Näin kirjoitti hollantilainen liikemies ja tiedemies Antoine van Leeuwenhoek Royal Societylle 1670-luvulla koskien hänen havaintojaan siittiöistä. Van Leeuwenhoek käytti mittatilaustyönä valmistettuja mikroskooppejaan, jotka olivat tehokkaampia kuin mikään aiemmin tehty, ja hän kurkisi ensimmäisenä mikroskooppiseen maailmaan. Hänen laitteensa, jotka olivat suunnilleen käden kokoisia, antoivat hänelle mahdollisuuden kuvata esineitä mikrometrin tarkkuudella, mikä erottaa selvästi monia erilaisia ​​kehon päällä tai sisällä olevia "eläinlajeja", mukaan lukien siittiöt.

Van Leeuwenhoekin akuuteista havainnoista huolimatta kesti satoja vuosia saada varma käsitys siitä, kuinka siittiöt voisivat kulkeutua naisen lisääntymiskanavassa olevien monimutkaisten nesteiden läpi. Ensimmäiset vihjeet tulivat 1880-luvun lopulla Irlantilainen fyysikko Osborne Reynolds joka työskenteli Owens Collegessa Englannissa (nykyinen Manchesterin yliopisto). Tänä aikana Reynolds suoritti sarjan nestedynamiikkakokeita ja sai niistä yhteyden nesteessä olevan kappaleen inertian ja väliaineen viskositeetin – Reynoldin numeron – välillä. Karkeasti sanottuna suurella esineellä nesteessä, kuten vedessä, olisi suuri Reynoldsin luku, mikä tarkoittaa, että kohteen luomat inertiavoimat ovat hallitsevia. Mutta mikroskooppisessa kappaleessa, kuten siittiössä, nesteen viskoosiset voimat vaikuttaisivat eniten.

Fysiikan, joka selittää tätä outoa maailmaa, jossa viskoosivoimat hallitsevat, kehittivät useat fyysikot 1950-luvulla, mukaan lukien Geoffrey Taylor Cambridgen yliopistosta. Suorittamalla kokeita glyseriinillä, korkean viskositeetin väliaineella, hän osoitti, että pienellä Reynolds-luvulla uivan mikro-organismin fysiikka voidaan selittää "viistoliikkeellä". Jos otat ohuen sylinterin, kuten pillin, ja annat sen pudota pystysuoraan korkeaviskoosiseen nesteeseen, kuten siirappiin, se putoaa pystysuorassa – kuten saatat odottaa. Jos asetat pillin kyljelleen, se putoaa edelleen pystysuunnassa, mutta puolet nopeammin kuin pystysuora kotelo lisääntyneen vastuksen vuoksi. Kuitenkin, kun asetat pillin vinosti ja annat sen pudota, se ei liiku pystysuunnassa alaspäin, vaan putoaa vinottain – ns. vinoliike.

Tämä johtuu siitä, että vastus rungon pituudella on pienempi kuin kohtisuorassa suunnassa – eli pilli haluaa liikkua pituuttaan nopeammin kuin kohtisuorassa, joten se liukuu sekä vaakasuunnassa että putoaa pystysuunnassa. 1950-luvun alussa Taylor ja Geoff Hancock Manchesterin yliopistosta Iso-Britanniasta suorittivat yksityiskohtaisia ​​laskelmia siittiöiden liikkumisesta. He osoittivat, että kun siittiö piiskaa häntäänsä, se saa aikaan vinoja liikkeitä eri osissa, mikä tuottaa viskoosia propulsiota.

Nykyään tutkijat rakentavat yhä monimutkaisia ​​malleja siittiöiden uimisesta. Nämä mallit eivät ole vain teoreettisia oivalluksia, vaan niillä on myös sovelluksia avusteisissa lisääntymistekniikoissa. Matemaatikko David Smith Birminghamin yliopistosta, Iso-Britannia – joka on työskennellyt biologisen nestedynamiikan parissa yli kahden vuosikymmenen ajan – ja kollegat ovat kehittäneet siittiöanalyysitekniikan. Dubattuna Flagella-analyysi ja siittiöiden seuranta (FAST), se voi kuvata ja analysoida siittiön häntää hienosti yksityiskohtaisesti. Kuvista se laskee matemaattisten mallien avulla, kuinka paljon voimaa keho kohdistaa nesteeseen. Paketti laskee myös siittiön uintitehokkuuden – kuinka pitkälle se liikkuu tietyllä energiamäärällä.

Tiimi aloitti kliiniset tutkimukset FAST:lla vuonna 2018, ja jos tekniikka onnistuu, se voi auttaa pariskuntia arvioimaan, millainen avusteinen lisääntymistekniikka voi toimia heille. Simulaatiot voivat osoittaa esimerkiksi, että "kohdunsisäinen keinohedelmöitys" – jossa siittiöt pestään ja sitten injektoidaan kohtuun ohittaen kohdunkaulan kanavan – voisi olla yhtä onnistunut useissa jaksoissa kuin kalliimpien ja invasiivisten IVF-toimenpiteiden suorittaminen. Vaihtoehtoisesti heidän tekniikkaansa voitaisiin käyttää apuna analysoimaan miesten ehkäisyn vaikutuksia. "Tässä projektissa on kyse 21-luvun tekniikoiden hyödyntämisestä miesten hedelmällisyysongelmien ratkaisemiseksi", Smith sanoo.

Raskaus ja istukka – elämän puu

Koostuu paksujen violettien alusten verkostosta ja litteää kakkua muistuttava istukka on elämää antava muukalainen sisällä. Ainutlaatuinen raskauden elin, terve istukka täysiaikaisena on halkaisijaltaan noin 22 senttimetriä, paksuus 2.5 senttimetriä ja paino noin 0.6 kiloa. Se on suora yhteys äidin ja sikiön välillä, tarjoten sikiölle happea ja ravinteita ja mahdollistaa sen, että se lähettää takaisin kuona-aineita, kuten hiilidioksidia ja ureaa, jotka ovat virtsan pääkomponentti.

Pelkästään raskauden alkuvaiheessa olevasta solukokoelmasta istukka alkaa muodostaa perusrakenteen, kun se kietoutuu kohdun limakalvon kanssa. Tämä johtaa lopulta sikiön verisuonten verkostoon, jotka haarautuvat muodostaen villoisia puita – vähän kuin japanilaisia ​​bonsaiseja –, jotka kylpevät äidin veressä "vilkkutilassa". Istukka voitaisiin kuvata viideksikymmeneksi yhdistettynä bonsaipuuna ylösalaisin akvaariossa, joka on täynnä verta, kiitos useiden äidin valtimoiden pumppauksen pohjassa.

Arvioidaan sisältävän noin 550 kilometriä sikiön verisuonia – saman pituisia kuin Grand Canyon – istukan kaasunvaihdon kokonaispinta-ala on noin 13 metriä². Osa istukan tutkimisen vaikeuksista johtuu näistä vaihtelevista asteikoista. Toinen asia on tietää, kuinka tämä valtava sikiön verisuonten verkosto, jotka ovat halkaisijaltaan noin 200 μm, lopulta vaikuttaa senttimetrin kokoisen elimen suorituskykyyn.

Kaasujen vaihto äidin ja sikiön veren välillä tapahtuu diffuusion kautta villoisen puun kudoksen läpi – sikiön suonten, jotka ovat lähimpänä villikudosta, uskotaan tekevän vaihdon. Viimeisen vuosikymmenen matemaatikko yhdistämällä kokeelliset tiedot sikiön verisuonten monimutkaisen geometrian matemaattiseen mallinnukseen Igor Chernyavsky Manchesterin yliopistosta ja kollegat ovat tutkineet kaasujen ja muiden ravinteiden kulkeutumista istukassa.

Tiimi havaitsi, että huolimatta sikiön verisuonten uskomattoman monimutkaisesta topologiasta, on olemassa avaindimensio, joka voi selittää eri ravintoaineiden kulkeutumisen istukassa. Seoksen kemiallisen tilan määrittäminen on monimutkainen ongelma – ainoa "vertailutila" on tasapainotila, jolloin kaikki reaktiot tasapainottavat toisiaan ja päätyvät stabiiliin koostumukseen.

1920-luvulla fysikaalinen kemisti Gerhard Damköhler yritti selvittää kemiallisten reaktioiden tai diffuusion nopeuden suhteen virtauksen läsnä ollessa. Tässä epätasapainoskenaariossa hän keksi yhden luvun – Damköhlerin luvun – jonka avulla voidaan verrata "kemian tapahtumaan" kuluvaa aikaa virtausnopeuteen samalla alueella.

Damköhler-luku on hyödyllinen istukan suhteen, koska elin hajottaa liuenneita aineita – kuten happea, glukoosia ja ureaa – sekä sikiön että äidin verenkierron läsnäollessa. Tässä Damköhler-luku määritellään diffuusion määrän ja veren virtausnopeuden väliseksi suhteeksi. Kun Damköhler-luku on suurempi kuin yksi, diffuusio hallitsee ja tapahtuu nopeammin kuin veren virtausnopeus, joka tunnetaan nimellä "virtausrajoitettu". Jos luku on pienempi kuin yksi, virtausnopeus on suurempi kuin diffuusionopeus, joka tunnetaan nimellä "diffuusio rajoitettu". Chernyavsky ja kollegat totesi, että huolimatta sikiön kapillaarien monimutkaisista järjestelyistä päätevilluksessa, eri kaasujen liikettä sikiön kapillaareihin ja niistä ulos voidaan kuvata Damköhler-luvulla - jota hän kutsui istukan "yhdistäväksi periaatteeksi".

Tutkijat havaitsivat esimerkiksi, että istukan hiilimonoksidin ja glukoosin diffuusio on rajoitettua, kun taas hiilidioksidin ja urean virtaus on rajoitettumpaa. Istukan uskotaan vaihtavan hiilimonoksidia tehokkaasti, minkä vuoksi äidin tupakointi ja ilmansaasteet voivat olla vaarallisia vauvalle. Mielenkiintoista on, että happi on lähellä sekä virtausta että diffuusiota rajoitettua, mikä viittaa malliin, joka on ehkä optimoitu kaasulle; mikä on järkevää, koska se on niin kriittinen elämälle.

Ei tiedetä, miksi Damköhler-lukuja on niin laaja, mutta yksi mahdollinen selitys on, että istukan on oltava vankka, kun otetaan huomioon sen monet erilaiset tehtävät, joihin kuuluu sekä vauvan ravitseminen että suojaaminen haitoilta. Ottaen huomioon istukan kokeellisen tutkimisen vaikeus kohdussa ja kun se synnytetään kolmannessa syntymävaiheessa, on vielä paljon, mitä emme tiedä tästä eteerisestä elimestä.

Lapsuus – on hyvä puhua

On vaikea ilmaista, kuinka vaikeaa vauvojen periaatteessa on oppia kieltään – mutta he vaikuttavat siinä uskomattoman hyviltä. Kun vauva on XNUMX–XNUMX-vuotias, sen kieli kehittyy uskomattoman nopeasti, ja taaperot pystyvät rakentamaan monimutkaisia ​​– ja kieliopillisesti oikeita – lauseita. Tämä kehitys on niin nopeaa, että sitä on vaikea tutkia, eikä sitä ole täysin ymmärretty. Itse asiassa siitä, kuinka vauvat oppivat kieltä, kiistetään kiivaasti, ja kielitieteilijöiden keskuudessa on monia kilpailevia teorioita.

Lähes kaikki ihmiskielet voidaan kuvata ns. yhteydettömällä kielioppilla – (rekursiivisilla) säännöillä, jotka luovat puumaisen rakenteen. Kontekstittoman kieliopin kolme pääosaa ovat "ei-terminaaliset" symbolit, "pääte"symbolit ja "tuotantosäännöt". Kielessä ei-terminaaliset symbolit ovat aspekteja, kuten substantiivilauseita tai verbilauseita (eli lauseen osia, jotka voidaan jakaa pienempiin osiin). Päätesymbolit syntyvät, kun kaikki toiminnot, kuten itse yksittäiset sanat, on suoritettu. Lopuksi on piilotetut tuotantosäännöt, jotka määrittävät, mihin päätesymbolit tulisi sijoittaa, jotta saadaan järkevä lause.

Kontekstivapaalla kielioppikielellä oleva lause voidaan visualisoida puuna, jonka oksat ovat "ei-terminaalisia" objekteja, joita lapsi ei kuule oppiessaan kieltä – kuten verbilauseita ja niin edelleen. Puun lehdet ovat puolestaan ​​päätesymboleja tai todellisia sanoja, jotka kuullaan. Esimerkiksi lauseessa "Karhu käveli luolaan" "karhu" ja "käveli luolaan" voidaan jakaa substantiivilauseeksi (NP) ja verbilauseeksi (VP). Nämä kaksi osaa voidaan sitten jakaa edelleen, kunnes lopputuloksena on yksittäisiä sanoja, mukaan lukien määrittäjät (Det) ja prepositiolausekkeet (PP) (katso kuva). Kun vauvat kuuntelevat ihmisten puhuvan täysin muodostetuilla lauseilla (toivottavasti kieliopillisesti oikein), he altistuvat vain puumaisen verkoston lehdille (sanat ja paikka lauseessa). Mutta jotenkin heidän on myös poimia kielen säännöt kuulemiensa sanojen sekoituksesta.

Vuonna 2019, Eric De Giuli Ryersonin yliopistosta Kanadasta mallinnut tämän puumaisen rakenteen tilastollisen fysiikan työkaluilla (Phys. Pastori Letts. 122 128301). Kun lapset kuuntelevat, he säätelevät jatkuvasti mahdollisuuksien haarojen painoja kuultuaan kieltä. Lopulta järjettömiä lauseita tuottavat oksat saavat pienempiä painoja – koska niitä ei koskaan kuulla – verrattuna tietorikkaisiin haaroihin, joille annetaan suurempi paino. Suorittamalla jatkuvasti tätä kuuntelurituaalia lapsi "leikkaa" puuta ajan mittaan hylätäkseen satunnaiset sanajärjestelyt, mutta säilyttää ne, joilla on merkityksellinen rakenne. Tämä karsiminen vähentää sekä puun pinnan lähellä olevien että syvemmällä olevien oksien määrää.

Tämän idean kiehtova puoli fysikaalisesta näkökulmasta on se, että kun painot ovat yhtä suuret, kieli on satunnaista – mitä voidaan verrata siihen, miten lämpö vaikuttaa hiukkasiin termodynamiikassa. Mutta kun painot on lisätty oksiin ja säädetty tuottamaan tiettyjä kieliopillisia lauseita, "lämpötila" alkaa laskea. De Giuli käytti malliaan 25,000 XNUMX mahdolliselle erilliselle "kielelle" (joihin sisältyi tietokonekieliä) ja löysi universaalin käyttäytymisen "lämpötilan alentamisessa". Jossain vaiheessa tapahtuu jyrkkä lasku termodynaamisen entropian tai epäjärjestyksen kanssa, kun kieli muuttuu satunnaisten järjestelyjen kokonaisuudesta korkean informaatiosisällön omaavaksi. Ajattele sekavien sanojen kuplivaa kattilaa, joka otetaan liedeltä jäähtymään, kunnes sanat ja lauseet alkavat "kiteytyä" tietyksi rakenteeksi tai kieliopiksi.

Tämä äkillinen vaihto muistuttaa myös tilastomekaniikan vaiheensiirtymää – jossain vaiheessa kieli muuttuu satunnaisesta sanasekalaista erittäin strukturoituun viestintäjärjestelmään, jossa on runsaasti tietoa ja joka sisältää monimutkaisia ​​rakenteita ja merkityksiä sisältäviä lauseita. De Giuli uskoo, että tämä malli (joka hän korostaa olevan vain malli eikä lopullinen johtopäätös siitä, kuinka vauvat oppivat kieltä) voisi selittää, miksi tietyssä kehitysvaiheessa lapsi oppii uskomattoman nopeasti rakentamaan kieliopillisia lauseita. Tulee hetki, jolloin he ovat kuunnelleet tarpeeksi, jotta se kaikki on heidän mielestään järkevää. Kieli näyttää olevan vain lasten leikkiä.