Fisika bayi yang mengejutkan: bagaimana kita meningkatkan pemahaman kita tentang reproduksi manusia

Konsepsi - kehidupan dimulai pada bilangan Reynolds rendah

“[Sperma] adalah animalcule yang kebanyakan… berenang dengan kepala atau bagian depannya ke arah saya. Ekornya, yang ketika berenang, mencambuk seperti gerakan seperti ular, seperti belut di dalam air.” Demikian tulis pengusaha dan ilmuwan Belanda itu Antoine van Leeuwenhoek kepada Royal Society pada tahun 1670-an tentang pengamatannya terhadap sperma. Menggunakan mikroskop yang dibuat khusus, yang lebih kuat dari apa pun yang dibuat sebelumnya, van Leeuwenhoek adalah orang pertama yang mengintip ke dunia mikroskopis. Perangkatnya, yang seukuran tangan, memungkinkannya mencitrakan objek dengan resolusi mikrometer, dengan jelas menyelesaikan berbagai jenis "kule hewan" yang berada di atau di dalam tubuh, termasuk sperma.

Terlepas dari pengamatan tajam van Leeuwenhoek, butuh ratusan tahun untuk mendapatkan ide yang kuat tentang bagaimana sperma dapat bergerak melalui cairan kompleks yang ada di dalam saluran reproduksi wanita. Petunjuk pertama datang pada akhir 1880-an dari Fisikawan Irlandia Osborne Reynolds yang bekerja di Owens College di Inggris (sekarang University of Manchester). Selama waktu itu, Reynolds melakukan serangkaian percobaan dinamika fluida, dan dari mereka memperoleh hubungan antara inersia yang dapat diberikan oleh benda dalam cairan dan viskositas medium – bilangan Reynold. Secara kasar, benda besar dalam cairan seperti air akan memiliki bilangan Reynolds yang besar, yang berarti gaya inersia yang diciptakan oleh benda tersebut dominan. Tetapi untuk tubuh mikroskopis, seperti sperma, kekuatan kental cairanlah yang paling berpengaruh.

Fisika yang menjelaskan dunia aneh di mana kekuatan kental mendominasi ini dikerjakan oleh beberapa fisikawan pada 1950-an, termasuk Geoffrey Taylor dari University of Cambridge. Melakukan percobaan menggunakan gliserin, media dengan viskositas tinggi, dia menunjukkan bahwa pada bilangan Reynolds yang rendah, fisika mikroorganisme perenang dapat dijelaskan dengan "gerakan miring". Jika Anda mengambil silinder tipis, seperti sedotan, dan membiarkannya jatuh tegak dalam cairan dengan viskositas tinggi seperti sirup, itu akan terjadi secara vertikal – seperti yang Anda duga. Jika Anda meletakkan sedotan pada sisinya, sedotan akan tetap jatuh secara vertikal, tetapi setengah dari kecepatan sedotan karena peningkatan tarikan. Namun, ketika Anda meletakkan sedotan secara diagonal dan membiarkannya jatuh, sedotan tidak bergerak vertikal ke bawah tetapi jatuh ke arah diagonal – yang dikenal sebagai gerakan miring.

Hal ini terjadi karena hambatan sepanjang tubuh lebih rendah daripada arah tegak lurus – yang berarti sedotan ingin bergerak sepanjang panjangnya lebih cepat daripada tegak lurus, sehingga sedotan tergelincir secara horizontal dan juga jatuh secara vertikal. Pada awal 1950-an, Taylor dan Geoff Hancock dari University of Manchester, Inggris, melakukan perhitungan terperinci tentang bagaimana sebuah sperma dapat melakukan perjalanan. Mereka menunjukkan bahwa saat sperma mengibaskan ekornya, ia menciptakan gerakan miring di bagian yang berbeda, menghasilkan daya dorong yang kental.

Saat ini, para peneliti sedang membangun model yang rumit tentang bagaimana sperma berenang. Model-model ini tidak hanya untuk wawasan teoretis, tetapi juga memiliki aplikasi dalam teknik reproduksi berbantuan. Ahli matematika David Smith dari Universitas Birmingham, Inggris – yang telah mengerjakan dinamika fluida biologis selama lebih dari dua dekade – dan rekannya telah mengembangkan teknik analisis sperma. Dijuluki Analisis Flagela dan Pelacakan Sperma (FAST), ia dapat mencitrakan dan menganalisis ekor sperma dengan sangat detail. Dari gambar tersebut, ia menggunakan model matematis untuk menghitung seberapa besar gaya yang diterapkan tubuh pada fluida. Paket itu juga menghitung efisiensi berenang sperma – seberapa jauh ia bergerak menggunakan sejumlah energi tertentu.

Tim memulai uji klinis dengan FAST pada tahun 2018, dan jika teknik ini berhasil, ini dapat membantu pasangan menilai jenis teknik reproduksi berbantuan apa yang cocok untuk mereka. Simulasi dapat menunjukkan, misalnya, bahwa "inseminasi intrauterin" - di mana sperma dicuci dan kemudian disuntikkan ke dalam rahim, melewati saluran serviks - bisa sama suksesnya selama beberapa siklus dengan melakukan prosedur IVF yang lebih mahal dan invasif. Alternatifnya, teknik mereka dapat digunakan untuk membantu menganalisis dampak kontrasepsi pria. “Proyek ini tentang memanfaatkan teknologi abad ke-21 untuk mengatasi masalah kesuburan pria,” kata Smith.

Kehamilan dan plasenta – pohon kehidupan

Terdiri dari jaringan pembuluh ungu tebal dan menyerupai kue pipih, plasenta adalah alien pemberi kehidupan di dalamnya. Sebuah organ yang unik untuk kehamilan, plasenta yang sehat saat cukup bulan berdiameter sekitar 22 sentimeter, tebal 2.5 sentimeter, dan dengan massa sekitar 0.6 kg. Ini adalah hubungan langsung antara ibu dan janin, memberi janin oksigen dan nutrisi, dan memungkinkannya mengirim kembali produk limbah, seperti karbon dioksida dan urea, komponen utama urin.

Dari sekadar kumpulan sel di awal kehamilan, plasenta mulai membentuk struktur dasar begitu terjalin dengan lapisan rahim. Ini akhirnya mengarah ke jaringan pembuluh janin yang bercabang membentuk pohon vili - sedikit mirip bonsai Jepang - yang bermandikan darah ibu di "ruang antar vili". Plasenta dapat digambarkan sebagai lima puluh pohon bonsai yang terhubung terbalik di bagian atas tangki ikan yang penuh dengan darah, berkat pemompaan beberapa pembuluh darah ibu di bagian bawah.

Diperkirakan mengandung sekitar 550 kilometer pembuluh darah janin – sama panjangnya dengan Grand Canyon – luas permukaan total plasenta untuk pertukaran gas adalah sekitar 13 m². Bagian dari kesulitan mempelajari plasenta adalah karena skala yang bervariasi ini. Masalah lainnya adalah mengetahui bagaimana jaringan besar pembuluh janin ini, yang masing-masing berukuran sekitar 200 μm, pada akhirnya memengaruhi kinerja organ berukuran sentimeter.

Pertukaran gas antara darah ibu dan janin adalah melalui difusi melalui jaringan pohon vili – dengan pembuluh janin yang paling dekat dengan jaringan vili dianggap melakukan pertukaran. Dengan menggabungkan data eksperimen dengan pemodelan matematis dari geometri pembuluh darah janin yang rumit, selama dekade terakhir matematikawan Igor Chernyavsky dari Universitas Manchester dan rekannya telah mempelajari pengangkutan gas dan nutrisi lain di dalam plasenta.

Tim menemukan bahwa terlepas dari topologi pembuluh darah janin yang sangat kompleks, ada angka kunci tanpa dimensi yang dapat menjelaskan pengangkutan berbagai nutrisi di plasenta. Menentukan keadaan kimia suatu campuran adalah masalah yang kompleks – satu-satunya keadaan "referensi" adalah kesetimbangan, ketika semua reaksi saling menyeimbangkan dan berakhir dalam komposisi yang stabil.

Pada tahun 1920-an, ahli kimia fisik Gerhard Damköhler berusaha untuk mencari hubungan laju reaksi kimia atau difusi dengan adanya aliran. Dalam skenario non-ekuilibrium ini, dia menghasilkan satu angka – angka Damköhler – yang dapat digunakan untuk membandingkan waktu “keterjadian kimiawi” dengan laju aliran di wilayah yang sama.

Nomor Damköhler berguna untuk plasenta karena organ tersebut menyebarkan zat terlarut – seperti oksigen, glukosa, dan urea – dengan adanya aliran darah janin dan ibu. Di sini, bilangan Damköhler didefinisikan sebagai rasio antara jumlah difusi terhadap laju aliran darah. Untuk bilangan Damköhler yang lebih besar dari satu, difusi mendominasi dan terjadi lebih cepat daripada laju aliran darah, yang dikenal sebagai “aliran terbatas”. Untuk angka kurang dari satu, laju alir lebih besar dari laju difusi, yang dikenal sebagai “difusi terbatas”. Chernyavsky dan rekannya menemukan bahwa, terlepas dari berbagai pengaturan kompleks kapiler janin di vili terminal, pergerakan gas yang berbeda masuk dan keluar dari kapiler janin dapat dijelaskan oleh nomor Damköhler - yang disebutnya "prinsip pemersatu" di plasenta.

Para peneliti menemukan, misalnya, bahwa karbon monoksida dan glukosa dalam plasenta dibatasi difusi, sementara karbon dioksida dan urea lebih dibatasi alirannya. Karbon monoksida diduga dipertukarkan secara efisien oleh plasenta, sehingga ibu yang merokok dan polusi udara dapat berbahaya bagi bayi. Menariknya, oksigen hampir menjadi aliran dan difusi terbatas, menunjukkan desain yang mungkin dioptimalkan untuk gas; yang masuk akal mengingat itu sangat penting bagi kehidupan.

Tidak diketahui mengapa ada begitu banyak nomor Damköhler, tetapi satu penjelasan yang mungkin adalah bahwa plasenta harus kuat, mengingat banyak perannya yang berbeda, termasuk memberi makan dan melindungi bayi dari bahaya. Mengingat sulitnya mempelajari plasenta secara eksperimental dalam rahim dan ketika dilahirkan pada kelahiran tahap ketiga, masih banyak yang tidak kita ketahui tentang organ halus ini.

Masa bayi – senang berbicara

Sulit untuk mengungkapkan betapa sulitnya, pada prinsipnya, bagi bayi untuk mempelajari bahasa mereka – tetapi mereka tampaknya sangat pandai melakukannya. Ketika bayi berusia dua hingga tiga tahun, bahasanya menjadi sangat canggih dengan sangat cepat, dengan balita mampu menyusun kalimat yang rumit – dan benar secara tata bahasa. Perkembangan ini begitu pesat sehingga sulit untuk dipelajari, dan jauh dari pengertian sepenuhnya. Memang, bagaimana bayi belajar bahasa diperdebatkan dengan sengit, dengan banyak teori yang saling bersaing di antara para ahli bahasa.

Hampir semua bahasa manusia dapat dijelaskan dengan apa yang dikenal sebagai tata bahasa bebas konteks – seperangkat aturan (rekursif) yang menghasilkan struktur seperti pohon. Tiga aspek utama tata bahasa bebas konteks adalah simbol "non-terminal", simbol "terminal", dan "aturan produksi". Dalam bahasa, simbol non-terminal adalah aspek seperti frasa kata benda atau frasa kata kerja (yaitu bagian kalimat yang dapat dipecah menjadi bagian yang lebih kecil). Simbol terminal dihasilkan ketika semua operasi telah dilakukan, seperti kata-kata itu sendiri. Terakhir, ada aturan produksi tersembunyi yang menentukan di mana simbol terminal harus ditempatkan, untuk menghasilkan kalimat yang masuk akal.

Sebuah kalimat dalam bahasa tata bahasa bebas konteks dapat divisualisasikan sebagai pohon, dengan cabang-cabangnya menjadi objek “non-terminal” yang tidak didengar bayi saat belajar bahasa – seperti frase kata kerja, dan sebagainya. Daun pohon, sementara itu, adalah simbol terminal, atau kata-kata aktual yang didengar. Misalnya, dalam kalimat “Beruang berjalan ke dalam gua”, “beruang” dan “berjalan ke dalam gua” dapat dipisahkan masing-masing menjadi frase kata benda (NP) dan frase kata kerja (VP). Kedua bagian tersebut kemudian dapat dipecah lebih lanjut hingga hasil akhirnya adalah kata-kata individual termasuk determinan (Det) dan frase preposisi (PP) (lihat gambar). Ketika bayi mendengarkan orang berbicara dalam kalimat yang terbentuk sempurna (yang, mudah-mudahan, benar secara tata bahasa), mereka hanya terpapar pada daun jaringan seperti pohon (kata dan lokasi dalam kalimat). Namun entah bagaimana, mereka juga harus mengekstrak aturan bahasa dari campuran kata yang mereka dengar.

Dalam 2019, Eric De Giuli dari Universitas Ryerson di Kanada memodelkan struktur seperti pohon ini menggunakan alat fisika statistik (Fisika. Pendeta Letts. 122 128301). Saat bayi mendengarkan, mereka terus-menerus menyesuaikan bobot cabang kemungkinan saat mereka mendengar bahasa. Pada akhirnya, cabang-cabang yang menghasilkan kalimat-kalimat yang tidak masuk akal memperoleh bobot yang lebih kecil – karena tidak pernah terdengar – dibandingkan dengan cabang-cabang kaya informasi yang diberi bobot lebih besar. Dengan terus melakukan ritual mendengarkan ini, bayi "memangkas" pohon dari waktu ke waktu untuk membuang pengaturan kata acak, sambil mempertahankan struktur yang bermakna. Proses pemangkasan ini mengurangi jumlah cabang di dekat permukaan pohon dan cabang yang lebih dalam.

Aspek menarik dari ide ini dari sudut pandang fisik adalah ketika bobotnya sama, bahasa menjadi acak – yang dapat dibandingkan dengan bagaimana panas memengaruhi partikel dalam termodinamika. Tapi begitu bobot ditambahkan ke cabang dan disesuaikan untuk menghasilkan kalimat tata bahasa tertentu, "suhu" mulai menurun. De Giuli menjalankan modelnya untuk 25,000 kemungkinan "bahasa" yang berbeda (termasuk bahasa komputer), dan menemukan perilaku universal dalam hal "menurunkan suhu". Pada titik tertentu, ada penurunan tajam dalam apa yang analog dengan entropi termodinamika, atau ketidakteraturan, ketika bahasa berubah dari susunan acak menjadi susunan yang memiliki kandungan informasi tinggi. Pikirkan sepanci kata campur aduk yang diambil dari kompor untuk didinginkan, sampai kata dan frasa mulai "mengkristal" menjadi struktur atau tata bahasa tertentu.

Peralihan mendadak ini juga mirip dengan transisi fase dalam mekanika statistik – pada titik tertentu, bahasa beralih dari kata-kata acak menjadi sistem komunikasi yang sangat terstruktur yang kaya akan informasi, berisi kalimat dengan struktur dan makna yang kompleks. De Giuli berpikir bahwa model ini (yang dia tekankan hanyalah sebuah model dan bukan kesimpulan pasti tentang bagaimana bayi belajar bahasa) dapat menjelaskan mengapa pada tahap perkembangan tertentu seorang anak belajar dengan sangat cepat untuk menyusun kalimat tata bahasa. Ada saatnya ketika mereka telah cukup mendengarkan sehingga semuanya masuk akal bagi mereka. Bahasa, tampaknya, hanyalah permainan anak-anak.