הפיזיקה המפתיעה של תינוקות: כיצד אנו משפרים את ההבנה שלנו לגבי רבייה אנושית

התעברות - החיים מתחילים במספר ריינולדס נמוך

"[זרע] הוא חיה שבעיקר... שוחה עם הראש או החלק הקדמי שלה לכיווני. הזנב, שכשהוא שוחה הוא מצליף כמו תנועה דמוית נחש, כמו צלופחים במים." כך כתב איש העסקים והמדען ההולנדי אנטואן ואן לוונהוק לחברה המלכותית בשנות השבעים של המאה ה-1670 בנוגע לתצפיות שלו על זרע. באמצעות המיקרוסקופים שנבנו בהתאמה אישית, שהיו חזקים יותר מכל מה שנעשה קודם לכן, ואן לוונהוק היה הראשון שהציץ לתחום המיקרוסקופי. המכשירים שלו, שהיו בערך בגודל של יד, אפשרו לו לצלם אובייקטים ברזולוציית מיקרומטר, ופותרים בבירור סוגים רבים ושונים של "חיות" השוכנות בגוף או בגוף, כולל זרע.

למרות התצפיות החריפות של ואן לוונהוק, נדרשו מאות שנים כדי לקבל מושג מוצק לגבי איך זרע יכול להניע דרך הנוזלים המורכבים הקיימים במערכת הרבייה הנשית. הרמזים הראשונים הגיעו בסוף שנות השמונים של המאה ה-1880 הפיזיקאי האירי אוסבורן ריינולדס שעבד באוונס קולג' באנגליה (כיום אוניברסיטת מנצ'סטר). במהלך אותה תקופה, ריינולדס ערך סדרה של ניסויים דינמיים של נוזלים, ומהם השיג קשר בין האינרציה שגוף בנוזל יכול לספק לבין הצמיגות של המדיום - מספר ריינולד. באופן גס, לעצם גדול בנוזל כמו מים יהיה מספר ריינולדס גדול, כלומר כוחות אינרציאליים שנוצרו על ידי העצם הם דומיננטיים. אבל עבור גוף מיקרוסקופי, כגון זרע, הכוחות הצמיגים של הנוזל יהיו בעלי ההשפעה הגדולה ביותר.

הפיזיקה שמסבירה את העולם המוזר הזה שבו שולטים כוחות צמיגים נעשתה על ידי כמה פיזיקאים בשנות ה-1950, כולל ג'פרי טיילור מאוניברסיטת קיימברידג'. כשהוא ערך ניסויים באמצעות גליצרין, תווך בעל צמיגות גבוהה, הוא הראה שבמספר ריינולדס נמוך, ניתן להסביר את הפיזיקה של מיקרואורגניזם שוחה על ידי "תנועה אלכסונית". אם אתה לוקח גליל דק, כמו קשית, ונותן לו ליפול זקוף בנוזל בעל צמיגות גבוהה כמו סירופ, הוא יעשה זאת אנכית - כפי שאתה עשוי לצפות. אם תשים את הקש על צידו, הוא עדיין יירד אנכית, אבל חצי מהר מהמארז הניצב בגלל גרר מוגבר. עם זאת, כאשר שמים את הקש באלכסון ונותנים לו ליפול, הוא אינו זז אנכית כלפי מטה אלא נופל בכיוון אלכסוני - מה שמכונה תנועה אלכסונית.

זה קורה בגלל שהגרר לאורך הגוף נמוך יותר מאשר בכיוון הניצב - כלומר הקש רוצה לנוע לאורכו מהר יותר מאשר במאונך, ולכן הוא מחליק אופקית כמו גם נופל אנכית. בתחילת שנות ה-1950, טיילור וג'ף הנקוק מאוניברסיטת מנצ'סטר, בריטניה, ביצעו חישובים מפורטים לגבי האופן שבו זרע יכול לנוע. הם הראו שכאשר הזרע מצליף בזנבו, הוא יוצר תנועות אלכסוניות בחלקים שונים, ומייצר הנעה צמיגה.

כיום, חוקרים בונים מודלים מורכבים מתמיד לאופן שחיית הזרע. מודלים אלה אינם מיועדים רק לתובנות תיאורטיות, אלא יש להם גם יישומים בטכניקות רבייה בסיוע. מתמטיקאי דיוויד סמית' מאוניברסיטת ברמינגהם, בריטניה - שעבד על דינמיקת נוזלים ביולוגית במשך יותר משני עשורים - ועמיתיו פיתחו טכניקת ניתוח זרע. מדובב ניתוח Flagella ומעקב זרע (FAST), הוא יכול לצלם ולנתח את זנבו של זרע בפרטי פרטים. מהתמונות, הוא משתמש במודלים מתמטיים כדי לחשב כמה כוח הגוף מפעיל על הנוזל. החבילה גם מחשבת את יעילות השחייה של הזרע - כמה רחוק הוא נע תוך שימוש בכמות מסוימת של אנרגיה.

הצוות החל בניסויים קליניים עם FAST בשנת 2018, ואם הטכניקה תצליח, היא יכולה לעזור לזוגות להעריך איזה סוג של טכניקת רבייה מסייעת עשויה לעבוד עבורם. ההדמיות עשויות להראות, למשל, ש"הזרעה תוך רחמית" - שבה שוטפים זרע ואז מוזרקים לרחם, תוך עקיפת תעלת צוואר הרחם - יכולה להצליח באותה מידה לאורך מספר מחזורים כמו ביצוע הליכי הפריה חוץ גופית יקרים ופולשניים יותר. לחלופין, הטכניקה שלהם יכולה לשמש כדי לעזור לנתח את ההשפעה של אמצעי מניעה לגברים. "הפרויקט הזה עוסק בריתום טכנולוגיות של המאה ה-21 כדי לטפל בבעיות פוריות גבריות", אומר סמית'.

הריון והשליה - עץ החיים

מורכב מרשת של כלי סגול עבים ובדומה לעוגה שטוחה, השליה היא החייזר המעניק חיים בתוכו. איבר ייחודי להריון, שליה בריאה בטווח מלא היא בקוטר של כ-22 ס"מ, עובי של 2.5 ס"מ, ומסה של כ-0.6 ק"ג. זהו קשר ישיר בין האם לעובר, מספק לעובר חמצן וחומרי הזנה, ומאפשר לו לשלוח חזרה חומרי פסולת, כמו פחמן דו חמצני ואוריאה, מרכיב עיקרי בשתן.

רק מאוסף של תאים בתחילת ההריון, השליה מתחילה ליצור מבנה בסיסי ברגע שהיא משתלבת ברירית הרחם. זה מוביל בסופו של דבר לרשת של כלי עובר המסתעפים ויוצרים עצים פרוסים - קצת כמו בונסאי יפני - שטופים בדם אימהי ב"מרחב הבין-דבעי". ניתן לתאר את השליה כחמישים עצי בונסאי מחוברים הפוכים בראש מיכל דגים מלא בדם, הודות לשאיבה של מספר עורקים אימהיים בתחתית.

על פי ההערכות להכיל כ-550 קילומטרים של כלי דם עובריים - באורך דומה לגרנד קניון - שטח הפנים הכולל של השליה להחלפת גזים הוא כ-13 מ'². חלק מהקושי לחקור את השליה נובע מקשקשים משתנים אלו. הנושא השני הוא לדעת כיצד הרשת העצומה הזו של כלי העובר, שכל אחד מהם הוא כ-200 מיקרומטר, משפיעה בסופו של דבר על הביצועים של איבר בקנה מידה של סנטימטר.

חילופי הגזים בין דם האם לעובר מתבצעים באמצעות דיפוזיה דרך רקמת העץ הווילוסי - כאשר כלי העובר הקרובים ביותר לרקמה הווילוסית נחשבים לבצע את ההחלפה. על ידי שילוב של נתונים ניסויים עם מודלים מתמטיים של הגיאומטריה המורכבת של כלי הדם העובריים, בעשור האחרון מתמטיקאי איגור צ'רניאבסקי מאוניברסיטת מנצ'סטר ועמיתיו חקרו את הובלת גזים וחומרים מזינים אחרים בשליה.

הצוות מצא שלמרות הטופולוגיה המורכבת להפליא של כלי העובר, יש מספר מפתח חסר ממדים שיכול להסביר את ההובלה של חומרים מזינים שונים בשליה. קביעת המצב הכימי של תערובת היא בעיה מורכבת - מצב "ההתייחסות" היחיד הוא שיווי משקל, כאשר כל התגובות מאזנות זו את זו ומגיעות להרכב יציב.

בשנות ה-1920, הכימאי הפיזיקלי גרהרד דמקהלר ניסה למצוא קשר לקצב התגובות הכימיות או הדיפוזיה בנוכחות זרימה. בתרחיש שאינו שיווי משקל זה, הוא מצא מספר בודד - מספר Damköhler - שניתן להשתמש בו כדי להשוות את הזמן שבו "הכימיה תתרחש" עם קצב הזרימה באותו אזור.

מספר Damköhler שימושי כשמדובר בשליה מכיוון שהאיבר מפיץ מומסים - כגון חמצן, גלוקוז ואוריאה - בנוכחות זרימת דם עוברית ואימהית כאחד. כאן, מספר Damköhler מוגדר כיחס בין כמות הדיפוזיה לקצב זרימת הדם. עבור מספר Damköhler גדול מאחד, הדיפוזיה שולטת ומתרחשת מהר יותר מקצב זרימת הדם, המכונה "זרימה מוגבלת". עבור מספר קטן מאחד, קצב הזרימה גדול מקצב הדיפוזיה, המכונה "מוגבל דיפוזיה". צ'רניאבסקי ועמיתיו מצא שלמרות הסדרים המורכבים השונים של נימי העובר בווילוס הטרמינל, ניתן לתאר את התנועה של גזים שונים פנימה והחוצה לנימים העובריים על ידי מספר Damköhler - אותו כינה "העיקרון המאחד" בשליה.

החוקרים מצאו, למשל, שפחמן חד חמצני וגלוקוז בשליה מוגבלים בדיפוזיה, בעוד שפחמן דו חמצני ואוריאה מוגבלים יותר בזרימה. פחמן חד חמצני נחשב לחילופי פחמן ביעילות על ידי השליה, וזו הסיבה שעישון אימהי וזיהום אוויר עלולים להיות מסוכנים לתינוק. באופן מסקרן, חמצן קרוב להיות מוגבל גם בזרימה וגם בדיפוזיה, מה שמרמז על עיצוב שמותאם אולי לגז; וזה הגיוני בהתחשב בכך שהוא כל כך קריטי לחיים.

לא ידוע מדוע יש מגוון כה רחב של מספרי Damköhler, אך הסבר אפשרי אחד הוא שהשליה חייבת להיות חזקה, לאור תפקידיה הרבים השונים, הכוללים גם הזנה וגם הגנה על התינוק מפני נזק. בהתחשב בקושי לחקור ניסיוני את השליה את שניהם ברחם וכאשר הוא יולד בשלב השלישי של הלידה, עדיין יש הרבה שאנחנו לא יודעים על האיבר האתרי הזה.

ילדות - טוב לדבר

קשה להביע כמה קשה, באופן עקרוני, לתינוקות לקלוט את השפה שלהם - אבל נראה שהם טובים להפליא לעשות זאת. כאשר תינוק בן שנתיים עד שלוש, השפה שלו מתחכמת במהירות להפליא, כאשר פעוטות מסוגלים לבנות משפטים מורכבים - ונכונים מבחינה דקדוקית. התפתחות זו כל כך מהירה עד שקשה ללמוד אותה, והיא רחוקה מלהיות מובנת במלואה. ואכן, האופן שבו תינוקות לומדים שפה שנוי במחלוקת חריפה, עם הרבה תיאוריות מתחרות בין בלשנים.

ניתן לתאר כמעט את כל השפות האנושיות במה שמכונה דקדוק נטול הקשר - קבוצה של כללים (רקורסיביים) שיוצרים מבנה דמוי עץ. שלושת ההיבטים העיקריים של דקדוק נטול הקשר הם סמלים "לא סופניים", סמלים "טרמינליים" ו"כללי ייצור". בשפה, סמלים לא סופניים הם היבטים כמו ביטויי עצם או ביטויי פועל (כלומר חלקים מהמשפט שניתן לפרק לחלקים קטנים יותר). סמלי מסוף נוצרים כאשר כל הפעולות בוצעו, כגון המילים הבודדות עצמן. לבסוף, ישנם כללי הייצור הנסתרים שקובעים היכן יש למקם את סמלי הטרמינל, כדי לייצר משפט הגיוני.

ניתן להמחיש משפט בשפת דקדוק נטולת הקשר כעץ, כאשר הענפים הם האובייקטים ה"לא-טרמינליים" שהתינוק אינו שומע כשהוא לומד שפה - כגון ביטויי פועל וכדומה. העלים של העץ, בינתיים, הם הסמלים הסופיים, או המילים האמיתיות שנשמעות. לדוגמה, במשפט "הדוב נכנס למערה", ניתן לפצל את "הדוב" ו"הלך לתוך המערה" ליצירת ביטוי עצם (NP) וביטוי פועל (VP), בהתאמה. לאחר מכן ניתן לפצל את שני החלקים הללו עוד יותר עד שהתוצאה הסופית היא מילים בודדות כולל קובעים (Det) וביטויי יחס (PP) (ראה איור). כאשר תינוקות מקשיבים לאנשים המדברים במשפטים מלאים (שנכון, יש לקוות, דקדוקית), הם נחשפים רק לעלים של הרשת דמוית העצים (המילים והמיקום במשפט). אבל איכשהו, הם גם צריכים לחלץ את כללי השפה מתערובת המילים שהם שומעים.

ב2019, אריק דה ג'ולי מאוניברסיטת ריירסון בקנדה עיצב את המבנה דמוי העץ הזה באמצעות הכלים של הפיזיקה הסטטיסטית (פיזי. הכומר לטס. 122 128301). כאשר תינוקות מקשיבים, הם מכוונים ללא הרף את משקלם של ענפי האפשרויות כשהם שומעים שפה. בסופו של דבר, ענפים שמייצרים משפטים חסרי היגיון מקבלים משקלים קטנים יותר - כי הם אף פעם לא נשמעים - בהשוואה לענפים עשירים במידע שמקבלים משקלים גדולים יותר. על ידי ביצוע מתמיד של טקס הקשבה זה, התינוק "גזם" את העץ לאורך זמן כדי להשליך סידורי מילים אקראיים, תוך שמירה על אלה בעלי מבנה משמעותי. תהליך גיזום זה מפחית הן את מספר הענפים בקרבת פני העץ והן את אלו העמוקים יותר.

ההיבט המרתק של הרעיון הזה מנקודת מבט פיזית הוא שכאשר המשקלים שווים, השפה היא אקראית - מה שניתן להשוות לאופן שבו חום משפיע על חלקיקים בתרמודינמיקה. אבל ברגע שמוסיפים משקלים לענפים ומותאמים לייצור משפטים דקדוקיים ספציפיים, ה"טמפרטורה" מתחילה לרדת. דה ג'ולי הריץ את המודל שלו עבור 25,000 "שפות" אפשריות אפשריות (שכללו שפות מחשב), ומצא התנהגות אוניברסלית בכל הנוגע ל"הורדת הטמפרטורה". בשלב מסוים, ישנה ירידה חדה במה שדומה לאנטרופיה תרמודינמית, או אי-סדר, כאשר השפה עוברת מגוף של סידורים אקראיים לכזו שיש בה תוכן עשיר במידע. חשבו על סיר מבעבע של מילים מבולבלות שמוריד מהכיריים להתקרר, עד שמילים וביטויים מתחילים "להתגבש" למבנה או דקדוק ספציפיים.

המעבר הפתאומי הזה דומה גם למעבר פאזה במכניקה הסטטיסטית – בשלב מסוים, השפה עוברת ממערבולת אקראית של מילים למערכת תקשורת מובנית ועשירה במידע, המכילה משפטים בעלי מבנים ומשמעויות מורכבות. דה ג'ולי חושב שהמודל הזה (שהוא מדגיש שהוא רק מודל ולא מסקנה מוחלטת לאופן שבו תינוקות לומדים שפה) יכול להסביר מדוע בשלב מסוים של התפתחות ילד לומד במהירות להפליא לבנות משפטים דקדוקיים. מגיע שלב שבו הם הקשיבו מספיק כדי שהכל יהיה הגיוני עבורם. שפה, כך נראה, היא רק משחק ילדים.