De verrassende fysica van baby's: hoe we ons begrip van menselijke voortplanting verbeteren

Conceptie - het leven begint bij een laag Reynoldsgetal

“[Sperma] is een diertje dat meestal... met zijn kop of voorkant in mijn richting zwemt. De staart, die tijdens het zwemmen zweepslagen maakt als een slangachtige beweging, als palingen in het water.” Dat schrijft de Nederlandse zakenman en wetenschapper Antoine van Leeuwenhoek aan de Royal Society in de jaren 1670 over zijn observaties van sperma. Met behulp van zijn op maat gemaakte microscopen, die krachtiger waren dan alles wat eerder was gemaakt, was van Leeuwenhoek de eerste die in het microscopische rijk tuurde. Zijn apparaten, die ongeveer zo groot waren als een hand, stelden hem in staat objecten met een resolutie van een micrometer in beeld te brengen, waarbij hij duidelijk veel verschillende soorten "diertjes" op of in het lichaam kon onderscheiden, waaronder sperma.

Ondanks de scherpe observaties van Van Leeuwenhoek, duurde het honderden jaren om enig idee te krijgen van hoe sperma zich kon voortbewegen door de complexe vloeistoffen die in het vrouwelijke voortplantingsstelsel bestaan. De eerste aanwijzingen kwamen in de late jaren 1880 van de Ierse natuurkundige Osborne Reynolds die werkte aan het Owens College in Engeland (nu de Universiteit van Manchester). Gedurende die tijd voerde Reynolds een reeks experimenten met vloeistofdynamica uit, en daaruit verkreeg hij een relatie tussen de traagheid die een lichaam in een vloeistof kan bieden en de viscositeit van het medium - het getal van Reynold. Grof gezegd zou een groot object in een vloeistof zoals water een groot Reynoldsgetal hebben, wat betekent dat de traagheidskrachten die door het object worden gecreëerd, dominant zijn. Maar voor een microscopisch lichaam, zoals sperma, zouden de stroperige krachten van de vloeistof de meeste invloed hebben.

De fysica die deze vreemde wereld verklaart waarin stroperige krachten domineren, werd in de jaren vijftig door verschillende natuurkundigen uitgewerkt, waaronder Geoffrey Taylor van de Universiteit van Cambridge. Door experimenten uit te voeren met glycerine, een medium met een hoge viscositeit, toonde hij aan dat bij een laag Reynoldsgetal de fysica van een zwemmend micro-organisme kan worden verklaard door "schuine beweging". Als je een dunne cilinder neemt, zoals een rietje, en deze rechtop laat vallen in een vloeistof met een hoge viscositeit zoals siroop, dan zal hij dat verticaal doen – zoals je mag verwachten. Als je het rietje op zijn kant legt, zal het nog steeds verticaal vallen, maar half zo snel als het rechtopstaande geval vanwege de grotere weerstand. Wanneer je het rietje echter diagonaal neerzet en laat vallen, beweegt het niet verticaal naar beneden maar valt het in diagonale richting – de zogenaamde schuine beweging.

Dit gebeurt omdat de weerstand over de lengte van het lichaam lager is dan in de loodrechte richting - wat betekent dat het rietje sneller over de lengte wil bewegen dan loodrecht, dus het glijdt zowel horizontaal als verticaal. Begin jaren vijftig voerden Taylor en Geoff Hancock van de Universiteit van Manchester, VK, gedetailleerde berekeningen uit over hoe een sperma zich kon verplaatsen. Ze toonden aan dat terwijl het sperma met zijn staart zwiept, het schuine bewegingen maakt op verschillende secties, waardoor stroperige voortstuwing ontstaat.

Tegenwoordig bouwen onderzoekers steeds complexere modellen voor hoe sperma zwemt. Deze modellen zijn niet alleen voor theoretische inzichten, maar hebben ook toepassingen in geassisteerde voortplantingstechnieken. Wiskundige David Smith van de Universiteit van Birmingham, VK - die heeft gewerkt aan biologische vloeistofdynamica al meer dan twee decennia - en collega's hebben een techniek voor sperma-analyse ontwikkeld. nagesynchroniseerd Flagella-analyse en sperma-tracking (FAST), kan het de staart van een zaadcel tot in de kleinste details in beeld brengen en analyseren. Op basis van de afbeeldingen gebruikt het wiskundige modellen om te berekenen hoeveel kracht het lichaam op de vloeistof uitoefent. Het pakket berekent ook de zwemefficiëntie van het sperma - hoe ver het beweegt met een bepaalde hoeveelheid energie.

Het team begon in 2018 met klinische proeven met FAST, en als de techniek succesvol is, kan het stellen helpen beoordelen welk type geassisteerde voortplantingstechniek voor hen zou kunnen werken. De simulaties kunnen bijvoorbeeld aantonen dat "intra-uteriene inseminatie" - waarbij sperma wordt gewassen en vervolgens in de baarmoeder wordt geïnjecteerd, waarbij het baarmoederhalskanaal wordt omzeild - over meerdere cycli net zo succesvol kan zijn als het uitvoeren van duurdere en invasieve IVF-procedures. Als alternatief zou hun techniek kunnen worden gebruikt om de impact van mannelijke anticonceptie te helpen analyseren. "Dit project gaat over het benutten van 21e-eeuwse technologieën om mannelijke vruchtbaarheidsproblemen aan te pakken", zegt Smith.

Zwangerschap en de placenta – de levensboom

Bestaande uit een netwerk van dikke paarse vaten en lijkt op een platte cake, de placenta is de levengevende alien binnenin. Een orgaan dat uniek is voor zwangerschap, een gezonde placenta op voldragen leeftijd heeft een diameter van ongeveer 22 centimeter, een dikte van 2.5 centimeter en een massa van ongeveer 0.6 kg. Het is een directe link tussen de moeder en de foetus, die de foetus voorziet van zuurstof en voedingsstoffen, en het mogelijk maakt afvalproducten terug te sturen, zoals kooldioxide en ureum, een belangrijk bestanddeel van urine.

Van slechts een verzameling cellen in de vroege zwangerschap, begint de placenta een basisstructuur te vormen zodra deze verweven is met het slijmvlies van de baarmoeder. Dit leidt uiteindelijk tot een netwerk van foetale vaten die zich vertakken om villi-bomen te vormen - een beetje zoals Japanse bonsais - die baden in moederlijk bloed in de "intervilleuze ruimte". De placenta zou kunnen worden omschreven als vijftig verbonden bonsaiboompjes ondersteboven boven in een aquarium dat vol bloed zit, dankzij het pompen van verschillende maternale slagaders op de bodem.

Geschat dat het ongeveer 550 kilometer foetale bloedvaten bevat - vergelijkbaar in lengte met de Grand Canyon - het totale oppervlak van de placenta voor gasuitwisseling is ongeveer 13 m². Een deel van de moeilijkheid om de placenta te bestuderen is te wijten aan deze verschillende schalen. Het andere probleem is weten hoe dit enorme netwerk van foetale vaten, die elk ongeveer 200 μm breed zijn, uiteindelijk de prestaties van een orgaan op centimeterschaal beïnvloedt.

De uitwisseling van gassen tussen maternaal en foetaal bloed vindt plaats via diffusie door het weefsel van de villiboom - waarbij wordt aangenomen dat de foetale vaten die zich het dichtst bij het villiweefsel bevinden de uitwisseling doen. Door experimentele gegevens te combineren met wiskundige modellering van de ingewikkelde geometrie van de bloedvaten van de foetus, heeft de wiskundige de afgelopen tien jaar Igor Chernyavsky van de Universiteit van Manchester en collega's hebben het transport van gassen en andere voedingsstoffen in de placenta bestudeerd.

Het team ontdekte dat ondanks de ongelooflijk complexe topologie van de foetale vaten, er een belangrijk dimensieloos getal is dat het transport van verschillende voedingsstoffen in de placenta kan verklaren. Het bepalen van de chemische toestand van een mengsel is een complex probleem - de enige "referentie" toestand is evenwicht, wanneer alle reacties elkaar in evenwicht houden en in een stabiele samenstelling terechtkomen.

In de jaren twintig probeerde fysisch chemicus Gerhard Damköhler een verband te leggen voor de snelheid van chemische reacties of diffusie in de aanwezigheid van een stroom. In dit niet-evenwichtsscenario bedacht hij een enkel getal - het Damköhler-getal - dat kan worden gebruikt om de tijd voor de "chemie om te gebeuren" te vergelijken met de stroomsnelheid in hetzelfde gebied.

Het Damköhler-getal is nuttig als het gaat om de placenta, omdat het orgaan opgeloste stoffen - zoals zuurstof, glucose en ureum - verspreidt in de aanwezigheid van zowel een foetale als een maternale bloedstroom. Hier wordt het Damköhlergetal gedefinieerd als de verhouding tussen de hoeveelheid diffusie en de snelheid van de bloedstroom. Voor een Damköhler-getal groter dan één domineert diffusie en vindt deze sneller plaats dan de bloedstroomsnelheid, ook wel "flow limited" genoemd. Voor een getal kleiner dan één is de stroomsnelheid groter dan de diffusiesnelheid, ook wel "diffusie beperkt" genoemd. Tsjernjavski en collega's ontdekte dat, ondanks de verschillende complexe arrangementen van foetale capillairen in de terminale villus, de beweging van verschillende gassen in en uit de foetale capillairen kon worden beschreven door het Damköhler-getal - dat hij het "verenigende principe" in de placenta noemde.

De onderzoekers ontdekten bijvoorbeeld dat koolmonoxide en glucose in de placenta diffusiebeperkt zijn, terwijl kooldioxide en ureum meer stroombeperkt zijn. Aangenomen wordt dat koolmonoxide efficiënt wordt uitgewisseld door de placenta, daarom kunnen roken door de moeder en luchtvervuiling gevaarlijk zijn voor de baby. Het is intrigerend dat zuurstof bijna zowel doorstroom- als diffusiebeperkt is, wat duidt op een ontwerp dat misschien is geoptimaliseerd voor het gas; wat logisch is, aangezien het zo cruciaal is voor het leven.

Het is niet bekend waarom er zo'n breed scala aan Damköhler-getallen is, maar een mogelijke verklaring is dat de placenta robuust moet zijn, gezien zijn vele verschillende rollen, waaronder zowel het voeden als het beschermen van de baby tegen schade. Gezien de moeilijkheid om de placenta beide experimenteel te bestuderen in utero en wanneer het wordt afgeleverd in het derde stadium van de geboorte, weten we nog veel niet over dit etherische orgaan.

Babyhood - het is goed om te praten

Het is moeilijk uit te drukken hoe moeilijk het in principe is voor baby's om hun taal op te pikken - maar ze lijken er opmerkelijk goed in te zijn. Wanneer een baby twee tot drie jaar oud is, wordt zijn taal ongelooflijk snel verfijnd, waarbij peuters in staat zijn om complexe - en grammaticaal correcte - zinnen te maken. Deze ontwikkeling gaat zo snel dat het moeilijk te bestuderen is en nog lang niet volledig wordt begrepen. Inderdaad, hoe baby's taal leren, wordt fel bestreden, met veel concurrerende theorieën onder taalkundigen.

Vrijwel alle menselijke talen kunnen worden beschreven met wat bekend staat als een contextvrije grammatica – een set (recursieve) regels die een boomachtige structuur genereren. De drie belangrijkste aspecten van een contextvrije grammatica zijn "niet-terminale" symbolen, "terminale" symbolen en "productieregels". In een taal zijn niet-eindstandige symbolen aspecten zoals zelfstandige naamwoorden of werkwoorden (dwz delen van de zin die in kleinere delen kunnen worden opgesplitst). Terminalsymbolen worden geproduceerd wanneer alle bewerkingen zijn uitgevoerd, zoals de afzonderlijke woorden zelf. Ten slotte zijn er de verborgen productieregels die bepalen waar de terminalsymbolen moeten worden geplaatst om een ​​zin te produceren die logisch is.

Een zin in een contextvrije grammaticale taal kan worden gevisualiseerd als een boom, waarbij de takken de "niet-eindstandige" objecten zijn die het kind niet hoort bij het leren van taal - zoals werkwoorduitdrukkingen, enzovoort. De bladeren van de boom zijn ondertussen de eindsymbolen, of de daadwerkelijke woorden die worden gehoord. Bijvoorbeeld, in de zin "De beer liep de grot binnen", kunnen "de beer" en "liep de grot binnen" worden afgesplitst om respectievelijk een zelfstandig naamwoord (NP) en een werkwoordsuitdrukking (VP) te vormen. Die twee delen kunnen vervolgens verder worden gesplitst totdat het eindresultaat individuele woorden is, inclusief determinatoren (Det) en voorzetselzinnen (PP) (zie afbeelding). Wanneer baby's luisteren naar mensen die praten in volledig gevormde zinnen (die hopelijk grammaticaal correct zijn), worden ze alleen blootgesteld aan de bladeren van het boomachtige netwerk (de woorden en locatie in een zin). Maar op de een of andere manier moeten ze ook de regels van de taal halen uit de mix van woorden die ze horen.

In 2019, Eric De Giuli van Ryerson University in Canada heeft deze boomachtige structuur gemodelleerd met behulp van de hulpmiddelen van de statistische fysica (Fysiek. Eerwaarde Letts. 122 128301). Terwijl baby's luisteren, passen ze voortdurend de gewichten van de takken van mogelijkheden aan terwijl ze taal horen. Uiteindelijk krijgen takken die onzinnige zinnen produceren een kleiner gewicht – omdat ze nooit worden gehoord – in vergelijking met informatierijke takken die een groter gewicht krijgen. Door dit ritueel van luisteren continu uit te voeren, "snoeit" het kind de boom in de loop van de tijd om willekeurige woordarrangementen te verwijderen, terwijl de betekenisvolle structuur behouden blijft. Dit snoeiproces vermindert zowel het aantal takken nabij het oppervlak van de boom als die dieper.

Het fascinerende aspect van dit idee vanuit fysisch oogpunt is dat wanneer de gewichten gelijk zijn, de taal willekeurig is - wat kan worden vergeleken met hoe warmte deeltjes in de thermodynamica beïnvloedt. Maar zodra gewichten aan de takken zijn toegevoegd en aangepast om specifieke grammaticale zinnen te produceren, begint de "temperatuur" te dalen. De Giuli voerde zijn model uit voor 25,000 mogelijke verschillende "talen" (waaronder computertalen), en vond universeel gedrag als het ging om "het verlagen van de temperatuur". Op een gegeven moment is er een scherpe daling in wat analoog is aan thermodynamische entropie, of wanorde, wanneer de taal van een geheel van willekeurige arrangementen overgaat in een taal met een hoog informatiegehalte. Denk aan een borrelende pot met door elkaar gegooide woorden die van het fornuis wordt gehaald om af te koelen, totdat woorden en zinnen beginnen te "kristalliseren" tot een specifieke structuur of grammatica.

Deze abrupte omschakeling is ook verwant aan een faseovergang in de statistische mechanica: op een gegeven moment schakelt de taal over van een willekeurige wirwar van woorden naar een zeer gestructureerd communicatiesysteem dat rijk is aan informatie en zinnen bevat met complexe structuren en betekenissen. De Giuli denkt dat dit model (waarvan hij benadrukt dat het slechts een model is en geen definitieve conclusie voor hoe baby's taal leren) zou kunnen verklaren waarom een ​​kind in een bepaalde ontwikkelingsfase ongelooflijk snel leert grammaticale zinnen te maken. Er komt een moment dat ze genoeg hebben geluisterd om het allemaal te begrijpen. Taal lijkt kinderspel.