A csecsemők meglepő fizikája: hogyan fejlesztjük az emberi szaporodás megértését

Fogantatás – az élet alacsony Reynolds-számmal kezdődik

„A [Sperma] egy állati sejt, amely többnyire… a fejével vagy az elülső részével az irányomba úszik. A farok, amely úszáskor úgy csapkod, mint egy kígyószerű mozdulat, mint az angolna a vízben. Így írta a holland üzletember és tudós Antoine van Leeuwenhoek a Royal Societynek az 1670-es években a spermával kapcsolatos megfigyeléseiről. Egyedi gyártású mikroszkópjait használva, amelyek minden eddiginél erősebbek voltak, van Leeuwenhoek volt az első, aki belekukkantott a mikroszkopikus birodalomba. Körülbelül kéznagyságú eszközeivel mikrométeres felbontású tárgyakat tudott leképezni, egyértelműen feloldva a testen vagy a testben található különféle típusú „állatokat”, beleértve a spermiumokat is.

Van Leeuwenhoek akut megfigyelései ellenére több száz évbe telt, amíg határozott elképzelést kaptunk arról, hogyan tud a spermium a női reproduktív traktusban található összetett folyadékokon keresztül továbbhaladni. Az első nyomok az 1880-as évek végén érkeztek a Osborne Reynolds ír fizikus aki az angliai Owens College-ban (ma Manchesteri Egyetem) dolgozott. Ezalatt Reynolds egy sor folyadékdinamikai kísérletet végzett, és ezekből összefüggést talált a folyadékban lévő test tehetetlensége és a közeg viszkozitása – a Reynold-szám – között. Durván szólva, egy folyadékban, például vízben lévő nagy tárgynak nagy Reynolds-száma lenne, ami azt jelenti, hogy az objektum által létrehozott tehetetlenségi erők dominálnak. De egy mikroszkopikus testre, például a spermára, a folyadék viszkózus erői lennének a legnagyobb hatással.

Ennek a furcsa világnak a fizikáját, ahol a viszkózus erők dominálnak, több fizikus dolgozta ki az 1950-es években, köztük Geoffrey Taylor a Cambridge-i Egyetemről. Glicerinnel, egy nagy viszkozitású közeggel végzett kísérletek során kimutatta, hogy alacsony Reynolds-szám mellett az úszó mikroorganizmus fizikája a „ferde mozgással” magyarázható. Ha veszel egy vékony hengert, például egy szívószálat, és függőlegesen hagyod beleesni egy nagy viszkozitású folyadékba, például szirupba, akkor függőlegesen fog megtenni – ahogyan azt várhatod. Ha a szívószálat az oldalára teszi, akkor is függőlegesen fog leesni, de a megnövekedett ellenállás miatt fele olyan gyorsan, mint az álló tok. Ha azonban átlósan helyezi a szalmát, és hagyja, hogy leessen, az nem függőlegesen lefelé mozdul el, hanem átlós irányban – ez az úgynevezett ferde mozgás.

Ennek az az oka, hogy a test hosszában a húzóerő kisebb, mint a merőleges irányban – vagyis a szalma gyorsabban akar haladni a hosszában, mint merőlegesen, így vízszintesen és függőlegesen is csúszik. Az 1950-es évek elején Taylor és Geoff Hancock a Manchesteri Egyetemről (Egyesült Királyság) részletes számításokat végeztek a spermiumok utazási módjáról. Kimutatták, hogy miközben a spermium csapkodja a farkát, ferde mozgásokat hoz létre a különböző szakaszokon, viszkózus meghajtást hozva létre.

Ma a kutatók egyre bonyolultabb modelleket építenek a spermiumok úszására. Ezek a modellek nemcsak elméleti betekintést nyújtanak, hanem az asszisztált reprodukciós technikákban is alkalmazhatók. Matematikus David Smith a Birminghami Egyetemről, Egyesült Királyság – aki biológiai folyadékdinamikán dolgozott több mint két évtizede – és kollégái kifejlesztettek egy spermaelemző technikát. Szinkronizált Flagella elemzés és spermiumkövetés (FAST), kitűnő részletességgel képes leképezni és elemezni a spermium farkát. A képekből matematikai modellek segítségével kiszámítja, mekkora erőt fejt ki a test a folyadékra. A csomag kiszámítja a sperma úszási hatékonyságát is – azt, hogy milyen messzire mozog bizonyos mennyiségű energia felhasználásával.

A csapat 2018-ban kezdte meg a FAST klinikai vizsgálatait, és ha a technika sikeres, segíthet a pároknak felmérni, hogy milyen típusú asszisztált reprodukciós technika működhet náluk. A szimulációk megmutathatják például, hogy az „intrauterin megtermékenyítés” – amelyben a spermiumokat kimossák, majd a méhbe fecskendezik, a méhnyakcsatornát megkerülve – ugyanolyan sikeres lehet több cikluson keresztül, mint a drágább és invazív IVF eljárások elvégzése. Alternatív megoldásként technikájukat fel lehetne használni a férfi fogamzásgátlás hatásának elemzésére. „Ez a projekt a 21. századi technológiák hasznosításáról szól a férfiak termékenységi problémáinak megoldására” – mondja Smith.

A terhesség és a méhlepény – az élet fája

Vastag lila edények hálózatából áll és lapos tortára hasonlító méhlepény a benne lévő éltető idegen. A várandósságra jellemző szerv, az egészséges méhlepény teljes életkorban körülbelül 22 centiméter átmérőjű, 2.5 centiméter vastag és körülbelül 0.6 kg tömegű. Közvetlen kapcsolat az anya és a magzat között, oxigénnel és tápanyagokkal látja el a magzatot, és lehetővé teszi, hogy visszaküldje a salakanyagokat, például a szén-dioxidot és a karbamidot, amelyek a vizelet egyik fő összetevője.

A terhesség korai szakaszában pusztán sejtgyűjteményből a méhlepény alapszerkezetet kezd kialakítani, amint összefonódik a méh nyálkahártyájával. Ez végül a magzati erek hálózatához vezet, amelyek elágazva bohos fákat alkotnak – kicsit olyan, mint a japán bonsaiak –, amelyek az anyai vérben fürdenek a „bolyhos térben”. A méhlepényt úgy lehetne leírni, mint ötven összekapcsolt bonsaifát, fejjel lefelé egy akvárium tetején, amely tele van vérrel, köszönhetően több anyai artériának az alján.

A becslések szerint körülbelül 550 kilométernyi magzati véredényt tartalmaz – hasonló hosszúságú, mint a Grand Canyon –, a méhlepény teljes gázcsere-felülete körülbelül 13 méter.². A méhlepény tanulmányozásának nehézségei részben ezeknek a változó skáláknak tudhatók be. Az más kérdés, hogy tudjuk, hogy a magzati erek hatalmas hálózata, amelyek mindegyike körülbelül 200 μm átmérőjű, hogyan befolyásolja végső soron egy centiméteres szerv teljesítményét.

A gázcsere az anyai és a magzati vér között diffúzió útján történik a boholyos fa szövetén keresztül – úgy gondolják, hogy a boholyszövethez legközelebb eső magzati erek végzik a cserét. A matematikus az elmúlt évtizedben a kísérleti adatok és a magzati erek bonyolult geometriájának matematikai modellezésének kombinálásával Igor Csernyavszkij a Manchesteri Egyetemről és munkatársai a gázok és más tápanyagok placentában történő szállítását tanulmányozták.

A csapat megállapította, hogy a magzati erek hihetetlenül összetett topológiája ellenére van egy kulcsfontosságú dimenzió nélküli szám, amely megmagyarázhatja a különböző tápanyagok placentában történő szállítását. A keverék kémiai állapotának meghatározása összetett probléma – az egyetlen „referencia” állapot az egyensúlyi állapot, amikor az összes reakció kiegyenlíti egymást, és stabil összetételűvé válik.

Az 1920-as években Gerhard Damköhler fizikai kémikus megpróbált összefüggést kidolgozni az áramlás jelenlétében zajló kémiai reakciók vagy diffúzió sebességére vonatkozóan. Ebben a nem egyensúlyi forgatókönyvben egyetlen számot – a Damköhler-számot – talált ki, amellyel összehasonlítható a „kémia bekövetkezésének” ideje az áramlási sebességgel ugyanabban a régióban.

A Damköhler-szám hasznos a placentánál, mivel a szerv oldott anyagokat – például oxigént, glükózt és karbamidot – diffundál a magzati és az anyai véráramlás jelenlétében. Itt a Damköhler-szám a diffúzió mértéke és a véráramlás sebessége közötti arány. Egynél nagyobb Damköhler-szám esetén a diffúzió dominál, és gyorsabban megy végbe, mint a véráramlás sebessége, amelyet „áramláskorlátozottnak” neveznek. Egynél kisebb szám esetén az áramlási sebesség nagyobb, mint a diffúziós sebesség, amelyet „diffúzió korlátozott”. Csernyavszkij és munkatársai megállapította, hogy a magzati kapillárisok terminális boholyban lévő összetett elrendeződése ellenére a különböző gázok mozgása a magzati kapillárisokba be- és kifelé a Damköhler-számmal írható le – amelyet a méhlepényben „egyesítő elvnek” nevezett.

A kutatók például azt találták, hogy a placentában a szén-monoxid és a glükóz diffúziója korlátozott, míg a szén-dioxid és a karbamid áramlása korlátozottabb. Úgy gondolják, hogy a szén-monoxidot a méhlepény hatékonyan cseréli ki, ezért az anyai dohányzás és a levegőszennyezés veszélyes lehet a baba számára. Érdekes módon az oxigén közel áll ahhoz, hogy mind az áramlás, mind a diffúzió korlátozott, ami egy olyan kialakítást sugall, amely talán a gázra van optimalizálva; aminek van értelme, mivel olyan kritikus az életben.

Nem ismert, hogy miért ilyen sok a Damköhler-szám, de az egyik lehetséges magyarázat az, hogy a méhlepénynek robusztusnak kell lennie, tekintettel számos különböző szerepére, amelyek magukban foglalják a baba táplálását és védelmét a károktól. Tekintettel a placenta kísérleti tanulmányozásának nehézségeire mindkettő méhen belüli és amikor a születés harmadik szakaszában megszületik, még mindig sok mindent nem tudunk erről az éteri szervről.

Babakor – jó beszélgetni

Nehéz kifejezni, hogy elvileg milyen nehéz a csecsemőknek elsajátítani a nyelvet – de úgy tűnik, nagyon jók ebben. Amikor egy csecsemő két-három éves, nyelve hihetetlenül gyorsan kifinomulttá válik, és a kisgyermekek képesek összetett – és nyelvtanilag helyes – mondatokat alkotni. Ez a fejlődés olyan gyors, hogy nehéz tanulmányozni, és messze nem teljesen érthető. Valójában hevesen vitatott, hogy a csecsemők hogyan tanulják meg a nyelvet, és a nyelvészek között sok versengő elmélet létezik.

Szinte minden emberi nyelv leírható az úgynevezett kontextusmentes nyelvtannal – (rekurzív) szabályok halmazával, amely faszerű struktúrát hoz létre. A környezetfüggetlen nyelvtan három fő szempontja a „nem terminális” szimbólumok, a „terminális” szimbólumok és a „gyártási szabályok”. Egy nyelvben a nem terminális szimbólumok olyan szempontok, mint a főnévi kifejezések vagy az igei kifejezések (azaz a mondatrészek, amelyek kisebb részekre bonthatók). A terminálszimbólumok akkor jönnek létre, ha az összes műveletet végrehajtották, például maguk az egyes szavak. Végül ott vannak a rejtett előállítási szabályok, amelyek meghatározzák, hogy a terminálszimbólumokat hol kell elhelyezni, hogy értelmes mondatot hozzanak létre.

A szövegkörnyezet-független nyelvtani mondatok faként is megjeleníthetők, ahol az ágak a „nem terminális” objektumok, amelyeket a csecsemő nem hall nyelvtanulás közben – például igei kifejezések stb. Eközben a fa levelei a végszimbólumok, vagy a ténylegesen hallható szavak. Például a „A medve besétált a barlangba” mondatban a „medve” és a „besétált a barlangba” elválasztható, így egy főnévi kifejezést (NP) és egy igei kifejezést (VP) alkothatunk. Ezt a két részt ezután tovább lehet osztani, amíg a végeredmény egyedi szavak lesznek, beleértve a meghatározókat (Det) és az elöljáró kifejezéseket (PP) (lásd az ábrát). Amikor a csecsemők teljesen kialakított mondatokban beszélnek (remélhetőleg nyelvtanilag helyesen), akkor csak a faszerű hálózat levelei (a mondatban szereplő szavak és hely) vannak kitéve. De valahogy nekik is ki kell vonniuk a nyelv szabályait a hallott szavak keverékéből.

A 2019, Eric De Giuli a kanadai Ryerson Egyetemről ezt a faszerű szerkezetet a statisztikai fizika eszközeivel modellezte (Phys. Rev. Letts. 122 128301). Miközben a csecsemők hallgatnak, folyamatosan módosítják a lehetőségek ágainak súlyát, miközben hallják a nyelvet. Végül az értelmetlen mondatokat előállító ágak kisebb súlyt kapnak – mert soha nem hallják –, mint az információban gazdag ágak, amelyek nagyobb súlyt kapnak. A hallgatás ezen rituáléjának folyamatos végrehajtásával a csecsemő idővel „megmetszi” a fát, hogy elvesse a véletlenszerű szóelrendezéseket, miközben megtartja az értelmes szerkezetűeket. Ez a metszési folyamat csökkenti mind a fa felszínéhez közeli, mind a mélyebben fekvő ágak számát.

Ennek az ötletnek a lenyűgöző aspektusa fizikai szempontból az, hogy amikor a súlyok egyenlőek, a nyelv véletlenszerű – ami összehasonlítható azzal, hogy a hő hogyan hat a részecskékre a termodinamikában. De amint súlyokat adnak az ágakhoz, és beállítják, hogy konkrét nyelvtani mondatokat hozzanak létre, a „hőmérséklet” csökkenni kezd. De Giuli modelljét 25,000 XNUMX lehetséges különálló „nyelven” futtatta (beleértve a számítógépes nyelveket is), és univerzális viselkedést talált a „hőmérséklet csökkentésére”. Egy bizonyos ponton a termodinamikai entrópiához vagy rendezetlenséghez hasonló erős visszaesés következik be, amikor a nyelv véletlenszerű elrendezések halmazából magas információtartalommal rendelkezővé válik. Gondoljunk csak az összekeveredett szavak bugyborékoló edényére, amelyet leveszünk a tűzhelyről, hogy kihűljön, amíg a szavak és kifejezések el nem kezdenek „kristályosodni” egy meghatározott szerkezetté vagy nyelvtanba.

Ez a hirtelen váltás a statisztikus mechanikában is egy fázisátalakuláshoz hasonlít – egy bizonyos ponton a nyelv a szavak véletlenszerű zűrzavarából egy rendkívül strukturált, információban gazdag, összetett szerkezetű és jelentésű mondatokat tartalmazó kommunikációs rendszerre vált át. De Giuli úgy gondolja, hogy ez a modell (melyet ő hangsúlyozza, hogy csak egy modell, és nem egy végleges következtetés arra vonatkozóan, hogy a csecsemők hogyan tanulnak nyelvet) magyarázatot adhat arra, hogy a gyermek fejlődésének egy bizonyos szakaszában miért tanul meg hihetetlenül gyorsan nyelvtani mondatokat alkotni. Eljön az a pont, amikor eleget hallgatnak ahhoz, hogy minden értelmet nyerjen. A nyelv, úgy tűnik, csak gyerekjáték.