La physique surprenante des bébés : comment nous améliorons notre compréhension de la reproduction humaine

Conception - la vie commence à un faible nombre de Reynolds

« [Sperm] est un animalcule qui… nage principalement avec sa tête ou sa partie avant dans ma direction. La queue, qui, en nageant, fouette comme un mouvement de serpent, comme des anguilles dans l'eau. Ainsi a écrit l'homme d'affaires et scientifique néerlandais Antonie van Leeuwenhoek à la Royal Society dans les années 1670 concernant ses observations de sperme. À l'aide de ses microscopes fabriqués sur mesure, qui étaient plus puissants que tout ce qui avait été fabriqué auparavant, van Leeuwenhoek a été le premier à scruter le domaine microscopique. Ses appareils, qui avaient à peu près la taille d'une main, lui permettaient d'imager des objets avec une résolution micrométrique, résolvant clairement de nombreux types différents d '«animalcules» qui résident sur ou dans le corps, y compris le sperme.

Malgré les observations aiguës de van Leeuwenhoek, il a fallu des centaines d'années pour avoir une idée précise de la façon dont les spermatozoïdes pouvaient se propulser à travers les fluides complexes qui existent dans l'appareil reproducteur féminin. Les premiers indices sont venus à la fin des années 1880 de la Le physicien irlandais Osborne Reynolds qui a travaillé à Owens College en Angleterre (maintenant l'Université de Manchester). Pendant ce temps, Reynolds a mené une série d'expériences sur la dynamique des fluides et en a tiré une relation entre l'inertie qu'un corps dans un liquide peut fournir et la viscosité du milieu - le nombre de Reynold. En gros, un gros objet dans un liquide tel que l'eau aurait un grand nombre de Reynolds, ce qui signifie que les forces d'inertie créées par l'objet sont dominantes. Mais pour un corps microscopique, comme le sperme, ce seraient les forces visqueuses du liquide qui auraient le plus d'influence.

La physique expliquant ce monde étrange où dominent les forces visqueuses a été élaborée par plusieurs physiciens dans les années 1950, dont Geoffrey Taylor de l'Université de Cambridge. Menant des expériences avec de la glycérine, un milieu à haute viscosité, il a montré qu'à un faible nombre de Reynolds, la physique d'un micro-organisme nageur pouvait s'expliquer par un «mouvement oblique». Si vous prenez un cylindre mince, comme une paille, et que vous le laissez tomber à la verticale dans un liquide à haute viscosité comme du sirop, il le fera verticalement – ​​comme vous pouvez vous y attendre. Si vous mettez la paille sur le côté, elle tombera toujours verticalement, mais deux fois moins vite que le boîtier vertical en raison de la traînée accrue. Cependant, lorsque vous placez la paille en diagonale et que vous la laissez tomber, elle ne se déplace pas verticalement vers le bas mais tombe dans une direction diagonale - ce que l'on appelle un mouvement oblique.

Cela se produit parce que la traînée sur la longueur du corps est plus faible que dans la direction perpendiculaire - ce qui signifie que la paille veut se déplacer sur sa longueur plus rapidement que perpendiculairement, de sorte qu'elle glisse horizontalement et tombe verticalement. Au début des années 1950, Taylor et Geoff Hancock de l'Université de Manchester, au Royaume-Uni, ont effectué des calculs détaillés sur la manière dont un spermatozoïde pouvait voyager. Ils ont montré que lorsque le sperme fouette sa queue, il crée des mouvements obliques à différentes sections, produisant une propulsion visqueuse.

Aujourd'hui, les chercheurs construisent des modèles toujours plus complexes sur la façon dont les spermatozoïdes nagent. Ces modèles ne sont pas seulement destinés à des informations théoriques, mais ont également des applications dans les techniques de procréation assistée. Mathématicien David Smith de l'Université de Birmingham, Royaume-Uni - qui a travaillé sur la dynamique des fluides biologiques depuis plus de deux décennies - et ses collègues ont développé une technique d'analyse du sperme. Doublé Analyse des flagelles et suivi du sperme (FAST), il peut imager et analyser la queue d'un spermatozoïde avec des détails exquis. À partir des images, il utilise des modèles mathématiques pour calculer la force que le corps applique au fluide. Le progiciel calcule également l'efficacité de nage du sperme - la distance à laquelle il se déplace en utilisant une certaine quantité d'énergie.

L'équipe a commencé des essais cliniques avec FAST en 2018, et si la technique réussit, cela pourrait aider les couples à évaluer quel type de technique de procréation assistée pourrait fonctionner pour eux. Les simulations peuvent montrer, par exemple, que «l'insémination intra-utérine» - dans laquelle les spermatozoïdes sont lavés puis injectés dans l'utérus, en contournant le canal cervical - pourrait être tout aussi efficace sur plusieurs cycles que la réalisation de procédures de FIV plus coûteuses et invasives. Alternativement, leur technique pourrait être utilisée pour aider à analyser l'impact de la contraception masculine. "Ce projet vise à exploiter les technologies du 21e siècle pour résoudre les problèmes de fertilité masculine", explique Smith.

La grossesse et le placenta - l'arbre de vie

Constitué d'un réseau de vaisseaux violets épais et ressemblant à un gâteau plat, le placenta est l'étranger qui donne la vie à l'intérieur. Organe unique à la grossesse, un placenta sain à terme mesure environ 22 centimètres de diamètre, 2.5 centimètres d'épaisseur et une masse d'environ 0.6 kg. C'est un lien direct entre la mère et le fœtus, fournissant au fœtus de l'oxygène et des nutriments, et lui permettant de renvoyer des déchets, tels que le dioxyde de carbone et l'urée, un composant majeur de l'urine.

À partir d'une simple collection de cellules en début de grossesse, le placenta commence à former une structure de base une fois qu'il s'entrelace avec la muqueuse de l'utérus. Cela conduit finalement à un réseau de vaisseaux fœtaux qui se ramifient pour former des arbres villeux - un peu comme les bonsaïs japonais - qui baignent dans le sang maternel dans «l'espace intervilleux». Le placenta pourrait être décrit comme cinquante bonsaïs connectés à l'envers au sommet d'un aquarium rempli de sang, grâce au pompage de plusieurs artères maternelles au fond.

Estimé contenir environ 550 kilomètres de vaisseaux sanguins fœtaux - d'une longueur similaire à celle du Grand Canyon - la surface totale du placenta pour les échanges gazeux est d'environ 13 m². Une partie de la difficulté à étudier le placenta est due à ces échelles variables. L'autre question est de savoir comment cet immense réseau de vaisseaux fœtaux, qui mesurent chacun environ 200 μm de diamètre, affecte in fine les performances d'un organe de taille centimétrique.

L'échange de gaz entre le sang maternel et le sang fœtal se fait par diffusion à travers le tissu de l'arbre villeux - les vaisseaux fœtaux les plus proches du tissu villeux étant censés effectuer l'échange. En combinant des données expérimentales avec une modélisation mathématique de la géométrie complexe des vaisseaux sanguins fœtaux, le mathématicien de la dernière décennie Igor Chernyavsky de l'Université de Manchester et ses collègues ont étudié le transport des gaz et d'autres nutriments dans le placenta.

L'équipe a découvert que malgré la topologie incroyablement complexe des vaisseaux fœtaux, il existe un nombre clé sans dimension qui peut expliquer le transport de différents nutriments dans le placenta. La détermination de l'état chimique d'un mélange est un problème complexe – le seul état « de référence » étant l'équilibre, lorsque toutes les réactions s'équilibrent et aboutissent à une composition stable.

Dans les années 1920, le physico-chimiste Gerhard Damköhler a tenté d'établir une relation pour le taux de réactions chimiques ou de diffusion en présence d'un écoulement. Dans ce scénario de non-équilibre, il a proposé un nombre unique - le nombre de Damköhler - qui peut être utilisé pour comparer le temps nécessaire à la "chimie pour se produire" avec le débit dans la même région.

Le nombre de Damköhler est utile en ce qui concerne le placenta car l'organe diffuse des solutés - tels que l'oxygène, le glucose et l'urée - en présence d'un flux sanguin fœtal et maternel. Ici, le nombre de Damköhler est défini comme le rapport entre la quantité de diffusion et le débit sanguin. Pour un nombre de Damköhler supérieur à un, la diffusion domine et se produit plus rapidement que le débit sanguin, dit « débit limité ». Pour un nombre inférieur à un, le débit est supérieur au débit de diffusion, dit « diffusion limitée ». Chernyavsky et ses collègues ont constaté que, malgré les divers arrangements complexes des capillaires fœtaux dans les villosités terminales, le mouvement de différents gaz entrant et sortant des capillaires fœtaux pouvait être décrit par le nombre de Damköhler - qu'il a appelé le « principe unificateur » dans le placenta.

Les chercheurs ont découvert, par exemple, que le monoxyde de carbone et le glucose dans le placenta sont limités en diffusion, tandis que le dioxyde de carbone et l'urée sont plus limités en débit. On pense que le monoxyde de carbone est efficacement échangé par le placenta, c'est pourquoi le tabagisme maternel et la pollution de l'air peuvent être dangereux pour le bébé. Curieusement, l'oxygène est proche d'être à la fois limité en débit et en diffusion, ce qui suggère une conception qui est peut-être optimisée pour le gaz ; ce qui est logique étant donné qu'il est si essentiel à la vie.

On ne sait pas pourquoi il existe une si large gamme de nombres de Damköhler, mais une explication possible est que le placenta doit être robuste, compte tenu de ses nombreux rôles différents, qui incluent à la fois nourrir et protéger le bébé contre les dommages. Étant donné la difficulté d'étudier expérimentalement le placenta à la fois in utero et quand il est livré au troisième stade de la naissance, il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas sur cet organe éthéré.

La petite enfance - il est bon de parler

Il est difficile d'exprimer à quel point il est difficile, en principe, pour les bébés d'apprendre leur langage - mais ils semblent remarquablement bons pour le faire. Lorsqu'un bébé a deux ou trois ans, son langage devient extrêmement rapidement sophistiqué, les tout-petits étant capables de construire des phrases complexes et grammaticalement correctes. Ce développement est si rapide qu'il est difficile à étudier et loin d'être entièrement compris. En effet, la façon dont les bébés apprennent le langage est vivement contestée, avec de nombreuses théories concurrentes parmi les linguistes.

Presque toutes les langues humaines peuvent être décrites avec ce que l'on appelle une grammaire sans contexte - un ensemble de règles (récursives) qui génère une structure arborescente. Les trois principaux aspects d'une grammaire sans contexte sont les symboles « non terminaux », les symboles « terminaux » et les « règles de production ». Dans une langue, les symboles non terminaux sont des aspects comme des phrases nominales ou des phrases verbales (c'est-à-dire des parties de la phrase qui peuvent être décomposées en parties plus petites). Les symboles terminaux sont produits lorsque toutes les opérations ont été effectuées, comme les mots individuels eux-mêmes. Enfin, il y a les règles de production cachées qui déterminent où les symboles terminaux doivent être placés, pour produire une phrase qui a du sens.

Une phrase dans un langage de grammaire sans contexte peut être visualisée comme un arbre, les branches étant les objets « non terminaux » que l'enfant n'entend pas lors de l'apprentissage du langage - comme les phrases verbales, etc. Les feuilles de l'arbre, quant à elles, sont les symboles terminaux, ou les mots réels qui sont entendus. Par exemple, dans la phrase "L'ours est entré dans la grotte", "l'ours" et "est entré dans la grotte" peuvent être séparés pour former une phrase nominale (NP) et une phrase verbale (VP), respectivement. Ces deux parties peuvent ensuite être divisées davantage jusqu'à ce que le résultat final soit des mots individuels comprenant des déterminants (Det) et des phrases de préposition (PP) (voir figure). Lorsque les nourrissons écoutent les gens parler dans des phrases entièrement formées (qui sont, espérons-le, grammaticalement correctes), ils ne sont exposés qu'aux feuilles du réseau arborescent (les mots et leur emplacement dans une phrase). Mais d'une manière ou d'une autre, ils doivent aussi extraire les règles de la langue du mélange de mots qu'ils entendent.

En 2019, Eric De Giuli de l'Université Ryerson au Canada modélisé cette structure arborescente à l'aide des outils de la physique statistique (Phys. Le révérend Letts. 122 128301). Au fur et à mesure que les nourrissons écoutent, ils ajustent continuellement le poids des branches de possibilités à mesure qu'ils entendent le langage. Finalement, les branches qui produisent des phrases absurdes acquièrent des poids plus petits - parce qu'elles ne sont jamais entendues - par rapport aux branches riches en informations qui reçoivent des poids plus importants. En exécutant continuellement ce rituel d'écoute, le nourrisson « taille » l'arbre au fil du temps pour éliminer les arrangements de mots aléatoires, tout en conservant ceux qui ont une structure significative. Ce processus d'élagage réduit à la fois le nombre de branches près de la surface de l'arbre et celles plus profondes.

L'aspect fascinant de cette idée d'un point de vue physique est que lorsque les poids sont égaux, le langage est aléatoire - ce qui peut être comparé à la façon dont la chaleur affecte les particules en thermodynamique. Mais une fois que des poids sont ajoutés aux branches et ajustés pour produire des phrases grammaticales spécifiques, la «température» commence à diminuer. De Giuli a exécuté son modèle pour 25,000 XNUMX "langages" distincts possibles (dont des langages informatiques) et a trouvé un comportement universel lorsqu'il s'agissait de "diminuer la température". À un certain point, il y a une forte baisse de ce qui est analogue à l'entropie thermodynamique, ou désordre, lorsque le langage passe d'un corps d'arrangements aléatoires à un corps à fort contenu informatif. Pensez à un pot bouillonnant de mots mélangés qui est retiré du poêle pour refroidir, jusqu'à ce que les mots et les phrases commencent à « se cristalliser » dans une structure ou une grammaire spécifique.

Ce changement brusque s'apparente également à une transition de phase en mécanique statistique - à un certain moment, le langage passe d'un fouillis aléatoire de mots à un système de communication hautement structuré, riche en informations, contenant des phrases aux structures et aux significations complexes. De Giuli pense que ce modèle (qui, souligne-t-il, n'est qu'un modèle et non une conclusion définitive sur la façon dont les nourrissons apprennent le langage) pourrait expliquer pourquoi, à un certain stade de développement, un enfant apprend incroyablement rapidement à construire des phrases grammaticales. Il arrive un moment où ils en ont suffisamment écouté pour que tout ait un sens pour eux. La langue, semble-t-il, n'est qu'un jeu d'enfant.