शिशुओं की आश्चर्यजनक भौतिकी: हम मानव प्रजनन के बारे में अपनी समझ में सुधार कैसे कर रहे हैं

गर्भाधान - जीवन कम रेनॉल्ड्स संख्या से शुरू होता है

“[शुक्राणु] एक प्राणी है जो अधिकतर... अपना सिर या अगला भाग मेरी दिशा में रखकर तैरता है। पूँछ, जो तैरते समय सांप जैसी हरकत करती है, जैसे पानी में मछलियाँ।” ऐसा डच व्यवसायी और वैज्ञानिक ने लिखा एंटोनी वैन लीउवेनहोएक 1670 के दशक में शुक्राणु के अपने अवलोकन के संबंध में रॉयल सोसाइटी में। अपने कस्टम-निर्मित सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए, जो पहले बनी किसी भी चीज़ से अधिक शक्तिशाली थे, वैन लीउवेनहॉक सूक्ष्म क्षेत्र में झाँकने वाले पहले व्यक्ति थे। उनके उपकरण, जो एक हाथ के आकार के थे, उन्हें माइक्रोमीटर रिज़ॉल्यूशन के साथ वस्तुओं की छवि बनाने देते थे, जिससे शुक्राणु सहित शरीर में या उसके अंदर रहने वाले कई अलग-अलग प्रकार के "जानवरों" का स्पष्ट रूप से पता चलता था।

वैन लीउवेनहॉक की गहन टिप्पणियों के बावजूद, इस बारे में कोई ठोस विचार प्राप्त करने में सैकड़ों साल लग गए कि शुक्राणु महिला प्रजनन पथ के भीतर मौजूद जटिल तरल पदार्थों के माध्यम से कैसे आगे बढ़ सकते हैं। पहला सुराग 1880 के दशक के अंत में मिला आयरिश भौतिक विज्ञानी ओसबोर्न रेनॉल्ड्स जिन्होंने इंग्लैंड के ओवेन्स कॉलेज (अब मैनचेस्टर विश्वविद्यालय) में काम किया। उस समय के दौरान, रेनॉल्ड्स ने द्रव-गतिकी प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की, और उनसे तरल में एक शरीर द्वारा प्रदान की जा सकने वाली जड़ता और माध्यम की चिपचिपाहट - रेनॉल्ड की संख्या के बीच एक संबंध प्राप्त किया। मोटे तौर पर कहें तो, पानी जैसे तरल में एक बड़ी वस्तु में एक बड़ी रेनॉल्ड्स संख्या होगी, जिसका अर्थ है कि वस्तु द्वारा बनाई गई जड़त्वीय ताकतें प्रमुख हैं। लेकिन शुक्राणु जैसे सूक्ष्म शरीर के लिए, तरल की चिपचिपी शक्तियाँ ही सबसे अधिक प्रभाव डालेंगी।

इस अजीब दुनिया की व्याख्या करने वाली भौतिकी जहां चिपचिपी ताकतें हावी हैं, 1950 के दशक में कई भौतिकविदों द्वारा काम किया गया था, जिनमें शामिल हैं कैंब्रिज विश्वविद्यालय से जेफ्री टेलर. ग्लिसरीन, एक उच्च-चिपचिपापन माध्यम का उपयोग करके प्रयोग करते हुए, उन्होंने दिखाया कि कम रेनॉल्ड्स संख्या पर, एक तैराकी सूक्ष्मजीव की भौतिकी को "तिरछी गति" द्वारा समझाया जा सकता है। यदि आप एक पतला सिलेंडर लेते हैं, जैसे कि एक पुआल, और इसे सिरप जैसे उच्च-चिपचिपाहट वाले तरल पदार्थ में सीधा गिरा देते हैं, तो यह लंबवत रूप से ऐसा करेगा - जैसा कि आप उम्मीद कर सकते हैं। यदि आप पुआल को इसके किनारे पर रखते हैं, तो यह अभी भी लंबवत रूप से गिरेगा, लेकिन बढ़ते खिंचाव के कारण सीधे मामले की तुलना में आधा तेजी से गिरेगा। हालाँकि, जब आप तिनके को तिरछे रखते हैं और उसे गिरने देते हैं, तो वह लंबवत नीचे की ओर नहीं जाता है, बल्कि तिरछी दिशा में गिरता है - जिसे तिरछी गति के रूप में जाना जाता है।

ऐसा इसलिए होता है क्योंकि शरीर की लंबाई के साथ ड्रैग लंबवत दिशा की तुलना में कम होता है - जिसका अर्थ है कि स्ट्रॉ लंबवत की तुलना में अपनी लंबाई के साथ तेजी से आगे बढ़ना चाहता है, इसलिए यह क्षैतिज रूप से फिसलने के साथ-साथ लंबवत रूप से गिरता है। 1950 के दशक की शुरुआत में, यूके के मैनचेस्टर विश्वविद्यालय से टेलर और ज्योफ हैनकॉक ने विस्तृत गणना की कि एक शुक्राणु कैसे यात्रा कर सकता है। उन्होंने दिखाया कि जैसे ही शुक्राणु अपनी पूंछ को चाबुक मारता है, यह चिपचिपा प्रणोदन पैदा करते हुए विभिन्न वर्गों में तिरछी गति बनाता है।

आज, शोधकर्ता हमेशा जटिल मॉडल बना रहे हैं कि शुक्राणु कैसे तैरते हैं। ये मॉडल न केवल सैद्धांतिक अंतर्दृष्टि के लिए हैं, बल्कि सहायक प्रजनन तकनीकों में भी अनुप्रयोग हैं। गणितज्ञ बर्मिंघम विश्वविद्यालय से डेविड स्मिथ, यूके - जिसने जैविक द्रव गतिकी पर काम किया है दो दशकों से अधिक समय से - और सहकर्मियों ने एक शुक्राणु-विश्लेषण तकनीक विकसित की है। डब फ्लैगेल्ला विश्लेषण और शुक्राणु ट्रैकिंग (फास्ट)।), यह एक शुक्राणु की पूंछ की अति सूक्ष्म विस्तार से छवि और विश्लेषण कर सकता है। छवियों से, यह गणना करने के लिए गणितीय मॉडल का उपयोग करता है कि शरीर तरल पदार्थ पर कितना बल लगा रहा है। पैकेज शुक्राणु की तैराकी दक्षता की भी गणना करता है - यह एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा का उपयोग करके कितनी दूर तक चलता है।

टीम ने 2018 में FAST के साथ क्लिनिकल परीक्षण शुरू किया, और अगर तकनीक सफल रही, तो यह जोड़ों को यह आकलन करने में मदद कर सकता है कि किस प्रकार की सहायक प्रजनन तकनीक उनके लिए काम कर सकती है। उदाहरण के लिए, सिमुलेशन दिखा सकते हैं कि "अंतर्गर्भाशयी गर्भाधान" - जिसमें शुक्राणु को धोया जाता है और फिर गर्भाशय ग्रीवा नहर को दरकिनार कर गर्भाशय में इंजेक्ट किया जाता है - अधिक महंगी और आक्रामक आईवीएफ प्रक्रियाओं को पूरा करने के रूप में कई चक्रों में सफल हो सकता है। वैकल्पिक रूप से, उनकी तकनीक का उपयोग पुरुष गर्भनिरोधक के प्रभाव का विश्लेषण करने में मदद के लिए किया जा सकता है। "यह परियोजना पुरुष प्रजनन समस्याओं को दूर करने के लिए 21वीं सदी की तकनीकों का उपयोग करने के बारे में है," स्मिथ कहते हैं।

गर्भावस्था और नाल - जीवन का वृक्ष

मोटे बैंगनी रंग के बर्तनों के जाल से मिलकर बनता है और एक फ्लैट केक जैसा दिखने वाला, प्लेसेंटा जीवन देने वाला एलियन है। गर्भावस्था के लिए एक अनूठा अंग, पूर्ण अवधि में एक स्वस्थ गर्भनाल का व्यास लगभग 22 सेंटीमीटर, 2.5 सेंटीमीटर मोटा और लगभग 0.6 किलोग्राम वजन होता है। यह माँ और भ्रूण के बीच एक सीधा संबंध है, भ्रूण को ऑक्सीजन और पोषक तत्व प्रदान करता है, और इसे अपशिष्ट उत्पादों, जैसे कि कार्बन डाइऑक्साइड और यूरिया, मूत्र के एक प्रमुख घटक को वापस भेजने की अनुमति देता है।

प्रारंभिक गर्भावस्था में केवल कोशिकाओं के संग्रह से, गर्भाशय की परत के साथ जुड़ने के बाद प्लेसेंटा एक मूल संरचना बनाना शुरू कर देता है। यह अंततः भ्रूण के जहाजों के एक नेटवर्क की ओर जाता है जो खलनायिका के पेड़ बनाने के लिए बाहर निकलते हैं - जापानी बोन्साई की तरह थोड़ा सा - जो "इंटरविलस स्पेस" में मातृ रक्त में नहाया जाता है। प्लेसेंटा को पचास जुड़े हुए बोन्साई पेड़ों के रूप में वर्णित किया जा सकता है जो एक मछली टैंक के शीर्ष पर उल्टा होता है जो रक्त से भरा होता है, नीचे कई मातृ धमनियों के पंपिंग के लिए धन्यवाद।

लगभग 550 किलोमीटर भ्रूण की रक्त वाहिकाएं होने का अनुमान है - ग्रैंड कैन्यन की लंबाई के समान - गैस विनिमय के लिए प्लेसेंटा का कुल सतह क्षेत्र लगभग 13 मीटर है². प्लेसेंटा का अध्ययन करने में कठिनाई का एक हिस्सा इन अलग-अलग पैमानों के कारण है। दूसरा मुद्दा यह जानना है कि कैसे भ्रूण वाहिकाओं का यह विशाल नेटवर्क, जो लगभग 200 माइक्रोन के पार है, अंततः एक सेंटीमीटर-स्केल अंग के प्रदर्शन को प्रभावित करता है।

मातृ और भ्रूण के रक्त के बीच गैसों का आदान-प्रदान विलस ट्री टिश्यू के माध्यम से प्रसार के माध्यम से होता है - विलस टिश्यू के निकटतम भ्रूण वाहिकाओं के साथ एक्सचेंज करना माना जाता है। पिछले दशक के गणितज्ञों के लिए भ्रूण रक्त वाहिकाओं की जटिल ज्यामिति के गणितीय मॉडलिंग के साथ प्रयोगात्मक डेटा को जोड़कर मैनचेस्टर विश्वविद्यालय से इगोर चेर्न्याव्स्की और सहकर्मी नाल में गैसों और अन्य पोषक तत्वों के परिवहन का अध्ययन कर रहे हैं।

टीम ने पाया कि भ्रूण के जहाजों की अविश्वसनीय रूप से जटिल टोपोलॉजी के बावजूद, एक महत्वपूर्ण आयामहीन संख्या है जो प्लेसेंटा में विभिन्न पोषक तत्वों के परिवहन की व्याख्या कर सकती है। मिश्रण की रासायनिक अवस्था का निर्धारण करना एक जटिल समस्या है - एकमात्र "संदर्भ" अवस्था संतुलन है, जब सभी प्रतिक्रियाएँ एक दूसरे को संतुलित करती हैं और एक स्थिर संरचना में समाप्त होती हैं।

1920 के दशक में, भौतिक रसायनज्ञ गेरहार्ड डैमकोहलर ने प्रवाह की उपस्थिति में रासायनिक प्रतिक्रियाओं या प्रसार की दर के लिए एक संबंध बनाने का प्रयास किया। इस गैर-संतुलन परिदृश्य में, वह एक एकल संख्या - डैमकोहलर संख्या - के साथ आए, जिसका उपयोग उसी क्षेत्र में प्रवाह दर के साथ "रसायन विज्ञान के घटित होने" के समय की तुलना करने के लिए किया जा सकता है।

डैमकोहलर नंबर प्लेसेंटा के लिए उपयोगी होता है क्योंकि अंग भ्रूण और मातृ रक्त प्रवाह दोनों की उपस्थिति में ऑक्सीजन, ग्लूकोज और यूरिया जैसे विलेय को फैलाता है। यहां, दमकोहलर संख्या को रक्त प्रवाह की दर के विरुद्ध प्रसार की मात्रा के बीच के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। दमकोहलर संख्या के लिए एक से बड़ा, प्रसार हावी होता है और रक्त प्रवाह दर से तेज होता है, जिसे "प्रवाह सीमित" कहा जाता है। एक से कम संख्या के लिए, प्रवाह दर प्रसार दर से अधिक होती है, जिसे "प्रसार सीमित" के रूप में जाना जाता है। चेर्न्याव्स्की और उनके सहयोगी पाया गया कि, टर्मिनल विलस में भ्रूण केशिकाओं की विभिन्न जटिल व्यवस्थाओं के बावजूद, भ्रूण केशिकाओं के अंदर और बाहर विभिन्न गैसों के संचलन को दमकोहलर संख्या द्वारा वर्णित किया जा सकता है - जिसे उन्होंने प्लेसेंटा में "एकीकृत सिद्धांत" कहा।

शोधकर्ताओं ने पाया, उदाहरण के लिए, प्लेसेंटा में कार्बन मोनोऑक्साइड और ग्लूकोज प्रसार सीमित हैं, जबकि कार्बन डाइऑक्साइड और यूरिया अधिक प्रवाह सीमित हैं। ऐसा माना जाता है कि गर्भनाल द्वारा कार्बन मोनोऑक्साइड का कुशलतापूर्वक आदान-प्रदान किया जाता है, यही कारण है कि मातृ धूम्रपान और वायु प्रदूषण बच्चे के लिए खतरनाक हो सकता है। आश्चर्यजनक रूप से, ऑक्सीजन प्रवाह और प्रसार दोनों सीमित होने के करीब है, एक डिजाइन का सुझाव दे रहा है जो शायद गैस के लिए अनुकूलित है; जो समझ में आता है कि यह जीवन के लिए बहुत महत्वपूर्ण है।

यह अज्ञात है कि दमकोहलर संख्याओं की इतनी विस्तृत श्रृंखला क्यों है, लेकिन एक संभावित व्याख्या यह है कि प्लेसेंटा मजबूत होना चाहिए, इसकी कई अलग-अलग भूमिकाएं हैं, जिसमें बच्चे को नुकसान से पोषण और सुरक्षा दोनों शामिल हैं। प्लेसेंटा दोनों का प्रयोगात्मक रूप से अध्ययन करने की कठिनाई को देखते हुए utero में और जब यह जन्म के तीसरे चरण में दिया जाता है, तब भी हम इस ईथर अंग के बारे में बहुत कुछ नहीं जानते हैं।

बचपन - बात करना अच्छा है

यह व्यक्त करना मुश्किल है कि सिद्धांत रूप में, बच्चों के लिए अपनी भाषा चुनना कितना कठिन है - लेकिन ऐसा करने में वे उल्लेखनीय रूप से अच्छे लगते हैं। जब एक शिशु दो से तीन साल का होता है, तो उसकी भाषा अविश्वसनीय रूप से जल्दी परिष्कृत हो जाती है, बच्चे जटिल - और व्याकरणिक रूप से सही - वाक्यों का निर्माण करने में सक्षम हो जाते हैं। यह विकास इतना तेज है कि इसका अध्ययन करना कठिन है, और पूरी तरह से समझा जाना बहुत दूर है। दरअसल, भाषाविदों के बीच कई प्रतिस्पर्धी सिद्धांतों के साथ, बच्चे भाषा कैसे सीखते हैं, इस पर काफी विवाद है।

लगभग सभी मानव भाषाओं को एक संदर्भ-मुक्त व्याकरण के रूप में जाना जाता है - (पुनरावर्ती) नियमों का एक सेट जो एक पेड़ जैसी संरचना उत्पन्न करता है। एक संदर्भ-मुक्त व्याकरण के तीन मुख्य पहलू "गैर-टर्मिनल" प्रतीक, "टर्मिनल" प्रतीक और "उत्पादन नियम" हैं। किसी भाषा में, गैर-टर्मिनल प्रतीक संज्ञा वाक्यांश या क्रिया वाक्यांश जैसे पहलू होते हैं (अर्थात वाक्य के कुछ भाग जिन्हें छोटे भागों में तोड़ा जा सकता है)। टर्मिनल प्रतीकों का उत्पादन तब किया जाता है जब सभी ऑपरेशन किए जाते हैं, जैसे कि व्यक्तिगत शब्द स्वयं। अंत में, छिपे हुए उत्पादन नियम हैं जो यह निर्धारित करते हैं कि टर्मिनल प्रतीकों को कहाँ रखा जाना चाहिए, एक वाक्य का निर्माण करने के लिए जो समझ में आता है।

संदर्भ-मुक्त व्याकरण भाषा में एक वाक्य को एक पेड़ के रूप में देखा जा सकता है, जिसकी शाखाएँ "गैर-टर्मिनल" वस्तुएं होती हैं जिन्हें शिशु भाषा सीखते समय नहीं सुनता है - जैसे क्रिया वाक्यांश, और इसी तरह। इस बीच, पेड़ की पत्तियाँ अंतिम प्रतीक हैं, या वास्तविक शब्द हैं जो सुनाई देते हैं। उदाहरण के लिए, वाक्य में "भालू गुफा में चला गया", "भालू" और "गुफा में चला गया" को क्रमशः संज्ञा वाक्यांश (एनपी) और क्रिया वाक्यांश (वीपी) बनाने के लिए विभाजित किया जा सकता है। उन दो हिस्सों को तब तक विभाजित किया जा सकता है जब तक कि अंतिम परिणाम अलग-अलग शब्द न हो जिसमें निर्धारक (डीईटी) और पूर्वसर्ग वाक्यांश (पीपी) शामिल हों (आंकड़ा देखें)। जब शिशु पूरी तरह से बने वाक्यों (जो उम्मीद है कि व्याकरण की दृष्टि से सही हैं) में बात कर रहे लोगों को सुनते हैं, तो वे केवल पेड़ जैसे नेटवर्क (एक वाक्य में शब्द और स्थान) की पत्तियों के संपर्क में आते हैं। लेकिन किसी तरह, उन्हें उन शब्दों के मिश्रण से भाषा के नियम भी निकालने होंगे जो वे सुन रहे हैं।

2019 में, कनाडा में रायर्सन विश्वविद्यालय से एरिक डी गिउली सांख्यिकीय भौतिकी के उपकरणों का उपयोग करके इस पेड़ जैसी संरचना का मॉडल तैयार किया गया (भौतिक। रेव। लेट्स। 122 128301). जैसे ही शिशु सुनते हैं, वे भाषा सुनते समय संभावनाओं की शाखाओं के वजन को लगातार समायोजित करते हैं। अंततः, निरर्थक वाक्य उत्पन्न करने वाली शाखाओं को कम महत्व मिलता है - क्योंकि उन्हें कभी नहीं सुना जाता है - सूचना-समृद्ध शाखाओं की तुलना में जिन्हें अधिक महत्व दिया जाता है। सुनने के इस अनुष्ठान को लगातार करने से, शिशु समय-समय पर यादृच्छिक-शब्द व्यवस्था को त्यागने के लिए पेड़ की "कांट-छांट" करता है, जबकि सार्थक संरचना वाले को बनाए रखता है। यह छंटाई प्रक्रिया पेड़ की सतह के पास और गहराई में शाखाओं की संख्या दोनों को कम कर देती है।

भौतिक दृष्टिकोण से इस विचार का आकर्षक पहलू यह है कि जब भार बराबर होते हैं, तो भाषा यादृच्छिक होती है - जिसकी तुलना ऊष्मप्रवैगिकी में कणों को कैसे प्रभावित करती है, से की जा सकती है। लेकिन एक बार जब शाखाओं में वजन जोड़ दिया जाता है और विशिष्ट व्याकरणिक वाक्यों का निर्माण करने के लिए समायोजित किया जाता है, तो "तापमान" कम होने लगता है। डी गिउली ने अपने मॉडल को 25,000 संभावित विशिष्ट "भाषाओं" (जिसमें कंप्यूटर भाषाएं शामिल थीं) के लिए चलाया, और जब "तापमान कम करने" की बात आई तो उन्होंने सार्वभौमिक व्यवहार पाया। एक निश्चित बिंदु पर, थर्मोडायनामिक एंट्रॉपी, या विकार के अनुरूप होने वाली चीज़ों में तेज गिरावट होती है, जब भाषा यादृच्छिक व्यवस्था के शरीर से उच्च-सूचना सामग्री वाली होती है। जब तक शब्द और वाक्यांश एक विशिष्ट संरचना या व्याकरण में "क्रिस्टलाइज़" करना शुरू नहीं करते हैं, तब तक ठंडा करने के लिए चूल्हे से उतारे गए शब्दों के बुदबुदाहट वाले बर्तन के बारे में सोचें।

यह अचानक स्विच सांख्यिकीय यांत्रिकी में एक चरण संक्रमण के समान है - एक निश्चित बिंदु पर, भाषा शब्दों की एक यादृच्छिक गड़बड़ी से एक उच्च संरचित संचार प्रणाली में बदल जाती है जो जानकारी से समृद्ध होती है, जिसमें जटिल संरचनाओं और अर्थों वाले वाक्य होते हैं। डी गिउली सोचते हैं कि यह मॉडल (जिस पर वह जोर देते हैं कि यह केवल एक मॉडल है और शिशु कैसे भाषा सीखते हैं, इसके लिए एक निश्चित निष्कर्ष नहीं है) यह समझा सकता है कि विकास के एक निश्चित चरण में बच्चा व्याकरणिक वाक्यों का निर्माण करने के लिए अविश्वसनीय रूप से जल्दी क्यों सीखता है। एक समय ऐसा आता है जब उन्होंने इतना सुन लिया होता है कि यह सब उनके लिए अर्थपूर्ण हो जाता है। लगता है भाषा बच्चों का खेल है।