Den overraskende fysikken til babyer: hvordan vi forbedrer vår forståelse av menneskelig reproduksjon

Unnfangelse – livet begynner ved lavt Reynolds tall

"[Sperm] er en dyrkule som for det meste ... svømmer med hodet eller den fremre delen i min retning. Halen, som, når den svømmer, vipper som en slangelignende bevegelse, som ål i vann.» Så skrev den nederlandske forretningsmannen og vitenskapsmannen Antoine van Leeuwenhoek til Royal Society på 1670-tallet angående hans observasjoner av sædceller. Ved å bruke sine spesialbygde mikroskoper, som var kraftigere enn noe tidligere laget, var van Leeuwenhoek den første som kikket inn i det mikroskopiske riket. Enhetene hans, som var omtrent på størrelse med en hånd, lot ham avbilde objekter med mikrometeroppløsning, og klart å løse mange forskjellige typer "dyr" som befinner seg på eller i kroppen, inkludert sædceller.

Til tross for van Leeuwenhoeks akutte observasjoner, tok det hundrevis av år å få noen sikker ide om hvordan sædceller kunne drive gjennom de komplekse væskene som finnes i den kvinnelige forplantningskanalen. De første ledetrådene kom på slutten av 1880-tallet fra Den irske fysikeren Osborne Reynolds som jobbet ved Owens College i England (nå University of Manchester). I løpet av den tiden gjennomførte Reynolds en rekke væskedynamiske eksperimenter, og fra dem oppnådde han et forhold mellom tregheten som et legeme i en væske kan gi og viskositeten til mediet - Reynolds tall. Grovt sett vil en stor gjenstand i en væske som vann ha et stort Reynolds-tall, noe som betyr at treghetskrefter skapt av gjenstanden er dominerende. Men for en mikroskopisk kropp, som sædceller, vil det være de viskøse kreftene til væsken som vil ha størst innflytelse.

Fysikken som forklarer denne merkelige verdenen hvor viskøse krefter dominerer ble utarbeidet av flere fysikere på 1950-tallet, bl.a. Geoffrey Taylor fra University of Cambridge. Ved å utføre eksperimenter med glyserin, et medium med høy viskositet, viste han at ved et lavt Reynolds-tall kunne fysikken til en svømmende mikroorganisme forklares med "skrå bevegelse". Hvis du tar en tynn sylinder, for eksempel et sugerør, og lar den falle oppreist i en væske med høy viskositet som sirup, vil den gjøre det vertikalt – som du kanskje forventer. Hvis du legger sugerøret på siden, vil det fortsatt falle vertikalt, men halvparten så fort som den stående kassen på grunn av økt luftmotstand. Men når du legger halmen diagonalt og lar det falle, beveger det seg ikke vertikalt nedover, men faller i diagonal retning – det som kalles skråbevegelse.

Dette skjer fordi luftmotstanden langs kroppen er lavere enn i vinkelrett retning - noe som betyr at strået ønsker å bevege seg langs lengden raskere enn det gjør vinkelrett, så det glir horisontalt i tillegg til å falle vertikalt. På begynnelsen av 1950-tallet utførte Taylor og Geoff Hancock fra University of Manchester, Storbritannia, detaljerte beregninger om hvordan en sædcelle kunne bevege seg. De viste at når sæden pisker halen, skaper den skrå bevegelser i forskjellige seksjoner, og produserer viskøs fremdrift.

I dag bygger forskere stadig komplekse modeller for hvordan sædceller svømmer. Disse modellene er ikke bare for teoretisk innsikt, men har også anvendelser i assistert reproduksjonsteknikker. Matematiker David Smith fra University of Birmingham, Storbritannia – som har jobbet med biologisk væskedynamikk i over to tiår – og kolleger har utviklet en sædanalyseteknikk. Dubbet Flagella-analyse og spermsporing (RASK), kan den avbilde og analysere halen til en sperm i utsøkte detaljer. Fra bildene bruker den matematiske modeller for å beregne hvor mye kraft kroppen påfører væsken. Pakken beregner også sædcellens svømmeeffektivitet – hvor langt den beveger seg ved å bruke en viss mengde energi.

Teamet begynte kliniske studier med FAST i 2018, og hvis teknikken er vellykket, kan den hjelpe par med å vurdere hvilken type assistert befruktning som kan fungere for dem. Simuleringene kan for eksempel vise at «intrauterin inseminasjon» – der sædceller vaskes og deretter injiseres i livmoren, utenom livmorhalskanalen – kan være like vellykket over flere sykluser som å utføre dyrere og invasive IVF-prosedyrer. Alternativt kan teknikken deres brukes til å analysere virkningen av mannlig prevensjon. "Dette prosjektet handler om å utnytte teknologier fra det 21. århundre for å håndtere mannlige fruktbarhetsproblemer," sier Smith.

Graviditet og morkaken – livets tre

Består av et nettverk av tykke lilla kar og som ligner en flat kake, er morkaken det livgivende romvesenet inni seg. Et organ som er unikt for graviditet, en sunn morkake ved full termin er rundt 22 centimeter i diameter, 2.5 centimeter tykk og med en masse på omtrent 0.6 kg. Det er en direkte kobling mellom mor og foster, og gir fosteret oksygen og næringsstoffer, og lar det sende tilbake avfallsprodukter, som karbondioksid og urea, en hovedkomponent i urinen.

Fra bare en samling av celler tidlig i svangerskapet, begynner morkaken å danne en grunnleggende struktur når den flettes sammen med livmorslimhinnen. Dette fører til slutt til et nettverk av føtale kar som forgrener seg for å danne villøse trær – litt som japansk bonsais – som er badet i mors blod i det "intervillous rommet". Morkaken kan beskrives som femti sammenkoblede bonsai-trær opp ned på toppen av en fisketank som er full av blod, takket være pumpingen av flere arterier hos mor i bunnen.

Anslått å inneholde rundt 550 kilometer med føtale blodårer – tilsvarende lengde som Grand Canyon – placentas totale overflateareal for gassutveksling er rundt 13 m². En del av vanskelighetene med å studere morkaken skyldes disse varierende skalaene. Det andre problemet er å vite hvordan dette enorme nettverket av føtale kar, som hver er omtrent 200 μm på tvers, til slutt påvirker ytelsen til et organ i centimeterskala.

Utvekslingen av gasser mellom mors- og fosterblod skjer via diffusjon gjennom det villøse trevevet - med fosterkarene nærmest det villøse vevet som antas å gjøre utvekslingen. Ved å kombinere eksperimentelle data med matematisk modellering av den intrikate geometrien til fosterets blodårer, har matematiker det siste tiåret Igor Chernyavsky fra University of Manchester og kolleger har studert transport av gasser og andre næringsstoffer i morkaken.

Teamet fant at til tross for den utrolig komplekse topologien til føtale kar, er det et nøkkeldimensjonsløst tall som kan forklare transporten av forskjellige næringsstoffer i morkaken. Å bestemme den kjemiske tilstanden til en blanding er et komplekst problem - den eneste "referanse"-tilstanden er likevekt, når alle reaksjonene balanserer hverandre og ender opp i en stabil sammensetning.

På 1920-tallet forsøkte fysisk kjemiker Gerhard Damköhler å finne ut et forhold for hastigheten på kjemiske reaksjoner eller diffusjon i nærvær av en strøm. I dette ikke-likevektsscenarioet kom han opp med et enkelt tall - Damköhler-tallet - som kan brukes til å sammenligne tiden før "kjemien skal skje" med strømningshastigheten i samme region.

Damköhler-tallet er nyttig når det kommer til morkaken fordi organet diffunderer oppløste stoffer – som oksygen, glukose og urea – i nærvær av både fosterets og mors blodstrøm. Her er Damköhler-tallet definert som forholdet mellom diffusjonsmengden og blodstrømmen. For et Damköhler-tall som er større enn én, dominerer diffusjon og skjer raskere enn blodstrømningshastigheten, kjent som "strømbegrenset". For et tall mindre enn én er strømningshastigheten større enn diffusjonshastigheten, kjent som "diffusjonsbegrenset". Chernyavsky og kolleger fant at, til tross for de forskjellige komplekse arrangementene av fosterkapillærer i den terminale villus, kunne bevegelsen av forskjellige gasser inn og ut av fosterets kapillærer beskrives med Damköhler-nummeret - som han kalte det "forenende prinsippet" i morkaken.

Forskerne fant for eksempel at karbonmonoksid og glukose i morkaken er diffusjonsbegrenset, mens karbondioksid og urea er mer strømningsbegrenset. Karbonmonoksid antas å bli effektivt utvekslet av morkaken, og det er grunnen til at mors røyking og luftforurensning kan være farlig for babyen. Spennende nok er oksygen nær ved å være både strømnings- og diffusjonsbegrenset, noe som tyder på en design som kanskje er optimalisert for gassen; som gir mening siden det er så kritisk for livet.

Det er ukjent hvorfor det er et så stort utvalg av Damköhler-tall, men en mulig forklaring er at morkaken må være robust, gitt dens mange forskjellige roller, som inkluderer både næring og beskyttelse av babyen mot skade. Gitt vanskeligheten med å eksperimentelt studere morkaken begge deler in utero og når den fødes i det tredje stadiet av fødselen, er det fortsatt mye vi ikke vet om dette eteriske organet.

Barndom – det er godt å snakke

Det er vanskelig å uttrykke hvor vanskelig det i prinsippet er for babyer å fange opp språket sitt – men de virker bemerkelsesverdig gode til å gjøre det. Når et spedbarn er to til tre år gammelt, blir språket dets sofistikert utrolig raskt, med småbarn som er i stand til å konstruere komplekse – og grammatisk korrekte – setninger. Denne utviklingen er så rask at den er vanskelig å studere, og er langt fra fullt ut forstått. Faktisk, hvordan babyer lærer språk er svært omstridt, med mange konkurrerende teorier blant lingvister.

Nesten alle menneskelige språk kan beskrives med det som er kjent som en kontekstfri grammatikk – et sett med (rekursive) regler som genererer en trelignende struktur. De tre hovedaspektene ved en kontekstfri grammatikk er "ikke-terminale" symboler, "terminale" symboler og "produksjonsregler". I et språk er ikke-terminale symboler aspekter som substantivfraser eller verbfraser (dvs. deler av setningen som kan brytes ned i mindre deler). Terminalsymboler produseres når alle operasjonene er utført, for eksempel selve de enkelte ordene. Til slutt er det de skjulte produksjonsreglene som bestemmer hvor terminalsymbolene skal plasseres, for å produsere en setning som gir mening.

En setning i et kontekstfritt grammatikkspråk kan visualiseres som et tre, der grenene er de "ikke-terminale" objektene som spedbarnet ikke hører når det lærer språk - som verbfraser, og så videre. Bladene på treet er i mellomtiden terminalsymbolene, eller de faktiske ordene som blir hørt. For eksempel, i setningen "Bjørnen gikk inn i hulen", kan "bjørnen" og "gikk inn i hulen" deles opp for å danne henholdsvis en substantivfrase (NP) og en verbfrase (VP). Disse to delene kan deretter deles videre til det endelige resultatet er individuelle ord inkludert bestemmere (Det) og preposisjonsfraser (PP) (se figuren). Når spedbarn lytter til folk som snakker i fullformede setninger (som forhåpentligvis er grammatisk korrekte), blir de bare utsatt for bladene i det trelignende nettverket (ordene og plasseringen i en setning). Men på en eller annen måte må de også trekke ut språkets regler fra blandingen av ord de hører.

I 2019, Eric De Giuli fra Ryerson University i Canada modellerte denne trelignende strukturen ved å bruke verktøyene til statistisk fysikk (Phys. Rev. Letts. 122 128301). Mens spedbarn lytter, justerer de kontinuerlig vekten av mulighetenes grener mens de hører språk. Til slutt får grener som produserer useriøse setninger mindre vekt – fordi de aldri blir hørt – sammenlignet med informasjonsrike grener som tillegges større vekt. Ved kontinuerlig å utføre dette ritualet for å lytte, "beskjærer" spedbarnet treet over tid for å forkaste tilfeldige ordarrangementer, samtidig som de beholder de med meningsfull struktur. Denne beskjæringsprosessen reduserer både antall grener nær treets overflate og de dypere nede.

Det fascinerende aspektet ved denne ideen fra et fysisk synspunkt er at når vektene er like, er språket tilfeldig – som kan sammenlignes med hvordan varme påvirker partikler i termodynamikk. Men når vekter er lagt til grenene og justert for å produsere spesifikke grammatiske setninger, begynner "temperaturen" å synke. De Giuli kjørte sin modell for 25,000 XNUMX mulige distinkte "språk" (som inkluderte dataspråk), og fant universell oppførsel når det gjaldt å "senke temperaturen". På et visst tidspunkt er det et kraftig fall i det som er analogt med termodynamisk entropi, eller forstyrrelse, når språket går fra en mengde tilfeldige arrangementer til en som har høyt informasjonsinnhold. Tenk på en boblende gryte med rotete ord som tas av komfyren for å avkjøles, til ord og uttrykk begynner å "krystallisere" til en bestemt struktur eller grammatikk.

Denne brå vekslingen er også beslektet med en faseovergang i statistisk mekanikk - på et visst tidspunkt bytter språket fra et tilfeldig virvar av ord til et svært strukturert kommunikasjonssystem som er rikt på informasjon, som inneholder setninger med komplekse strukturer og betydninger. De Giuli mener at denne modellen (som han understreker kun er en modell og ikke en endelig konklusjon for hvordan spedbarn lærer språk) kan forklare hvorfor et barn på et visst utviklingsstadium lærer utrolig raskt å konstruere grammatiske setninger. Det kommer et punkt når de har lyttet til nok til at det hele gir mening for dem. Språk, ser det ut til, er bare en barnelek.