La sorprendente fisica dei bambini: come stiamo migliorando la nostra comprensione della riproduzione umana

Concezione: la vita inizia con un numero di Reynolds basso

“[Lo sperma] è un animaletto che per lo più... nuota con la testa o la parte anteriore nella mia direzione. La coda, che quando nuota sferza come un movimento da serpente, come le anguille nell'acqua. Così scriveva l'uomo d'affari e scienziato olandese Antonie van Leeuwenhoek alla Royal Society nel 1670 in merito alle sue osservazioni sullo sperma. Usando i suoi microscopi costruiti su misura, che erano più potenti di qualsiasi cosa fatta prima, van Leeuwenhoek fu il primo a scrutare nel regno microscopico. I suoi dispositivi, che avevano all'incirca le dimensioni di una mano, gli consentivano di visualizzare oggetti con una risoluzione micrometrica, risolvendo chiaramente molti diversi tipi di "animaletti" che risiedono su o nel corpo, incluso lo sperma.

Nonostante le acute osservazioni di van Leeuwenhoek, ci sono voluti centinaia di anni per avere un'idea precisa di come lo sperma potesse spingersi attraverso i fluidi complessi che esistono all'interno del tratto riproduttivo femminile. I primi indizi arrivarono alla fine del 1880 dal Il fisico irlandese Osborne Reynolds che ha lavorato all'Owens College in Inghilterra (ora Università di Manchester). Durante quel periodo, Reynolds condusse una serie di esperimenti di fluidodinamica, e da essi ottenne una relazione tra l'inerzia che un corpo in un liquido può fornire e la viscosità del mezzo – il numero di Reynolds. In parole povere, un oggetto di grandi dimensioni in un liquido come l'acqua avrebbe un numero di Reynolds elevato, il che significa che le forze inerziali create dall'oggetto sono dominanti. Ma per un corpo microscopico, come lo sperma, sarebbero le forze viscose del liquido ad avere la maggiore influenza.

La fisica che spiega questo strano mondo in cui dominano le forze viscose è stata elaborata da diversi fisici negli anni '1950, tra cui Geoffrey Taylor dell'Università di Cambridge. Conducendo esperimenti utilizzando la glicerina, un mezzo ad alta viscosità, dimostrò che a un basso numero di Reynolds, la fisica di un microrganismo che nuota poteva essere spiegata con il "movimento obliquo". Se prendi un cilindro sottile, come una cannuccia, e lo lasci cadere verticalmente in un fluido ad alta viscosità come lo sciroppo, lo farà verticalmente, come ci si potrebbe aspettare. Se metti la cannuccia su un lato, cadrà comunque verticalmente, ma la metà della velocità della custodia verticale a causa della maggiore resistenza. Tuttavia, quando metti la cannuccia in diagonale e la lasci cadere, non si muove verticalmente verso il basso ma cade in direzione diagonale, ciò che è noto come movimento obliquo.

Ciò si verifica perché la resistenza lungo la lunghezza del corpo è inferiore rispetto alla direzione perpendicolare, il che significa che la cannuccia vuole muoversi lungo la sua lunghezza più velocemente di quanto non faccia perpendicolarmente, quindi scivola orizzontalmente e cade verticalmente. All'inizio degli anni '1950, Taylor e Geoff Hancock dell'Università di Manchester, nel Regno Unito, effettuarono calcoli dettagliati su come poteva viaggiare uno spermatozoo. Hanno dimostrato che mentre lo sperma frusta la coda, crea movimenti obliqui in diverse sezioni, producendo una propulsione viscosa.

Oggi i ricercatori stanno costruendo modelli sempre più complessi di come gli spermatozoi nuotano. Questi modelli non sono solo per approfondimenti teorici, ma hanno anche applicazioni nelle tecniche di riproduzione assistita. Matematico David Smith dell'Università di Birmingham, Regno Unito – che ha lavorato sulla fluidodinamica biologica per oltre due decenni - e i colleghi hanno sviluppato una tecnica di analisi dello sperma. Soprannominato Analisi dei flagelli e monitoraggio degli spermatozoi (FAST), può visualizzare e analizzare la coda di uno spermatozoo nei minimi dettagli. Dalle immagini, utilizza modelli matematici per calcolare quanta forza il corpo sta applicando al fluido. Il pacchetto calcola anche l'efficienza di nuoto dello spermatozoo, ovvero quanto lontano si muove utilizzando una certa quantità di energia.

Il team ha iniziato gli studi clinici con FAST nel 2018 e, se la tecnica avrà successo, potrebbe aiutare le coppie a valutare quale tipo di tecnica di riproduzione assistita potrebbe funzionare per loro. Le simulazioni potrebbero mostrare, ad esempio, che "l'inseminazione intrauterina" - in cui lo sperma viene lavato e poi iniettato nell'utero, bypassando il canale cervicale - potrebbe avere lo stesso successo su diversi cicli rispetto all'esecuzione di procedure di fecondazione in vitro più costose e invasive. In alternativa, la loro tecnica potrebbe essere utilizzata per aiutare ad analizzare l'impatto della contraccezione maschile. "Questo progetto riguarda lo sfruttamento delle tecnologie del 21° secolo per affrontare i problemi di fertilità maschile", afferma Smith.

Gravidanza e placenta: l'albero della vita

Costituito da una rete di spessi vasi viola e simile a una focaccia, la placenta è l'alieno vivificante all'interno. Un organo unico della gravidanza, una placenta sana a termine ha un diametro di circa 22 centimetri, uno spessore di 2.5 centimetri e una massa di circa 0.6 kg. È un collegamento diretto tra la madre e il feto, fornendo al feto ossigeno e sostanze nutritive e permettendogli di rimandare indietro i prodotti di scarto, come l'anidride carbonica e l'urea, uno dei componenti principali dell'urina.

Da un semplice insieme di cellule all'inizio della gravidanza, la placenta inizia a formare una struttura di base una volta che si intreccia con il rivestimento dell'utero. Questo alla fine porta a una rete di vasi fetali che si diramano per formare alberi villosi – un po' come i bonsai giapponesi – che vengono bagnati dal sangue materno nello “spazio intervilloso”. La placenta potrebbe essere descritta come cinquanta alberi bonsai collegati capovolti in cima a un acquario pieno di sangue, grazie al pompaggio di diverse arterie materne sul fondo.

Si stima che contenga circa 550 chilometri di vasi sanguigni fetali - di lunghezza simile al Grand Canyon - la superficie totale della placenta per lo scambio di gas è di circa 13 m². Parte della difficoltà nello studio della placenta è dovuta a queste scale variabili. L'altro problema è sapere come questa enorme rete di vasi fetali, ognuno dei quali è largo circa 200 μm, influisca in ultima analisi sulle prestazioni di un organo su scala centimetrica.

Lo scambio di gas tra sangue materno e fetale avviene tramite diffusione attraverso il tessuto dell'albero villoso, con i vasi fetali più vicini al tessuto villoso che si pensa stiano effettuando lo scambio. Combinando i dati sperimentali con la modellazione matematica dell'intricata geometria dei vasi sanguigni fetali, negli ultimi dieci anni il matematico Igor Chernyavsky dell'Università di Manchester e colleghi hanno studiato il trasporto di gas e altri nutrienti nella placenta.

Il team ha scoperto che, nonostante la topologia incredibilmente complessa dei vasi fetali, esiste un numero adimensionale chiave che può spiegare il trasporto di diversi nutrienti nella placenta. Determinare lo stato chimico di una miscela è un problema complesso - l'unico stato di "riferimento" è l'equilibrio, quando tutte le reazioni si bilanciano tra loro e finiscono in una composizione stabile.

Negli anni '1920, il chimico fisico Gerhard Damköhler tentò di elaborare una relazione per la velocità delle reazioni chimiche o della diffusione in presenza di un flusso. In questo scenario di non equilibrio, ha escogitato un unico numero, il numero di Damköhler, che può essere utilizzato per confrontare il tempo in cui "si verifica la chimica" con la portata nella stessa regione.

Il numero di Damköhler è utile quando si tratta della placenta perché l'organo diffonde soluti – come ossigeno, glucosio e urea – in presenza di un flusso sanguigno sia fetale che materno. Qui, il numero di Damköhler è definito come il rapporto tra la quantità di diffusione e la velocità del flusso sanguigno. Per un numero di Damköhler maggiore di uno, la diffusione domina e si verifica più velocemente della velocità del flusso sanguigno, nota come "flusso limitato". Per un numero inferiore a uno, la portata è maggiore della velocità di diffusione, nota come “diffusione limitata”. Chernyavsky e colleghi scoprì che, nonostante le varie complesse disposizioni dei capillari fetali nei villi terminali, il movimento di diversi gas dentro e fuori i capillari fetali poteva essere descritto dal numero di Damköhler - che chiamò il "principio unificatore" nella placenta.

I ricercatori hanno scoperto, ad esempio, che il monossido di carbonio e il glucosio nella placenta hanno una diffusione limitata, mentre l'anidride carbonica e l'urea hanno un flusso più limitato. Si ritiene che il monossido di carbonio venga scambiato in modo efficiente dalla placenta, motivo per cui il fumo materno e l'inquinamento atmosferico possono essere pericolosi per il bambino. Curiosamente, l'ossigeno è quasi limitato sia dal flusso che dalla diffusione, suggerendo un design forse ottimizzato per il gas; il che ha senso dato che è così fondamentale per la vita.

Non è noto il motivo per cui esiste una gamma così ampia di numeri di Damköhler, ma una possibile spiegazione è che la placenta deve essere robusta, dati i suoi numerosi ruoli diversi, che includono sia nutrire che proteggere il bambino dai pericoli. Data la difficoltà di studiare sperimentalmente la placenta entrambi in utero e quando viene partorito nella terza fase della nascita, c'è ancora molto che non sappiamo di questo organo etereo.

Infanzia: è bello parlare

È difficile esprimere quanto sia difficile, in linea di principio, per i bambini apprendere la loro lingua, ma sembrano straordinariamente bravi a farlo. Quando un bambino ha dai due ai tre anni, il suo linguaggio diventa sofisticato in modo incredibilmente rapido, con i bambini che sono in grado di costruire frasi complesse e grammaticalmente corrette. Questo sviluppo è così rapido che è difficile da studiare ed è ben lungi dall'essere pienamente compreso. In effetti, il modo in cui i bambini imparano la lingua è fortemente contestato, con molte teorie in competizione tra i linguisti.

Quasi tutte le lingue umane possono essere descritte con quella che è nota come grammatica libera dal contesto, un insieme di regole (ricorsive) che genera una struttura ad albero. I tre aspetti principali di una grammatica libera dal contesto sono i simboli "non terminali", i simboli "terminali" e le "regole di produzione". In una lingua, i simboli non terminali sono aspetti come frasi nominali o frasi verbali (cioè parti della frase che possono essere scomposte in parti più piccole). I simboli terminali vengono prodotti quando tutte le operazioni sono state eseguite, come le singole parole stesse. Infine, ci sono le regole di produzione nascoste che determinano dove devono essere collocati i simboli terminali, per produrre una frase che abbia un senso.

Una frase in un linguaggio grammaticale senza contesto può essere visualizzata come un albero, con i rami che sono gli oggetti "non terminali" che il bambino non sente quando impara la lingua, come le frasi verbali e così via. Le foglie dell'albero, nel frattempo, sono i simboli terminali, o le parole effettive che vengono ascoltate. Ad esempio, nella frase "L'orso entrò nella caverna", "l'orso" e "camminò nella caverna" possono essere separati per formare rispettivamente una frase nominale (NP) e una frase verbale (VP). Queste due parti possono quindi essere ulteriormente suddivise fino a quando il risultato finale non è costituito da singole parole che includono determinanti (Det) e frasi di preposizione (PP) (vedi figura). Quando i bambini ascoltano persone che parlano in frasi completamente formate (che sono, si spera, grammaticalmente corrette), sono esposti solo alle foglie della rete ad albero (le parole e la posizione in una frase). Ma in qualche modo devono anche estrarre le regole della lingua dal miscuglio di parole che sentono.

Nel 2019, Eric De Giuli della Ryerson University in Canada modellato questa struttura ad albero utilizzando gli strumenti della fisica statistica (Fis. Rev. Letts. 122 128301). Mentre ascoltano, i bambini adattano continuamente i pesi dei rami delle possibilità mentre ascoltano il linguaggio. Alla fine, i rami che producono frasi prive di senso acquistano un peso minore - perché non vengono mai ascoltati - rispetto ai rami ricchi di informazioni a cui vengono dati pesi maggiori. Eseguendo continuamente questo rituale di ascolto, il bambino "pota" l'albero nel tempo per eliminare arrangiamenti di parole casuali, pur conservando quelli con una struttura significativa. Questo processo di potatura riduce sia il numero di rami vicino alla superficie dell'albero che quelli più profondi.

L'aspetto affascinante di questa idea da un punto di vista fisico è che quando i pesi sono uguali, il linguaggio è casuale, il che può essere paragonato a come il calore influenza le particelle in termodinamica. Ma una volta che i pesi vengono aggiunti ai rami e regolati per produrre frasi grammaticali specifiche, la "temperatura" inizia a diminuire. De Giuli ha eseguito il suo modello per 25,000 possibili "lingue" distinte (che includevano i linguaggi informatici) e ha trovato un comportamento universale quando si trattava di "diminuire la temperatura". Ad un certo punto, c'è un netto calo di ciò che è analogo all'entropia termodinamica, o disordine, quando il linguaggio passa da un corpo di disposizioni casuali a uno che ha un alto contenuto informativo. Pensa a una pentola ribollente di parole confuse che viene tolta dal fornello per raffreddarsi, fino a quando parole e frasi iniziano a "cristallizzarsi" in una struttura o grammatica specifica.

Questo brusco passaggio è anche simile a una transizione di fase nella meccanica statistica: a un certo punto, il linguaggio passa da un miscuglio casuale di parole a un sistema di comunicazione altamente strutturato, ricco di informazioni, contenente frasi con strutture e significati complessi. De Giuli pensa che questo modello (che sottolinea essere solo un modello e non una conclusione definitiva di come i bambini apprendono il linguaggio) potrebbe spiegare perché a un certo stadio di sviluppo un bambino impara in modo incredibilmente rapido a costruire frasi grammaticali. Arriva un punto in cui hanno ascoltato abbastanza perché tutto abbia un senso per loro. La lingua, a quanto pare, è solo un gioco da ragazzi.