Zaskakująca fizyka dzieci: jak poprawiamy naszą wiedzę na temat reprodukcji człowieka

Poczęcie – życie zaczyna się przy niskiej liczbie Reynoldsa

„[Sperma] to zwierzę, które przeważnie… płynie głową lub przednią częścią w moim kierunku. Ogon, który podczas pływania macha jak wąż, jak węgorze w wodzie. Tak napisał holenderski biznesmen i naukowiec Antonie van Leeuwenhoek do Towarzystwa Królewskiego w latach siedemdziesiątych XVII wieku w sprawie jego obserwacji plemników. Używając swoich niestandardowych mikroskopów, które były potężniejsze niż wszystko, co zrobiono wcześniej, van Leeuwenhoek jako pierwszy zajrzał do mikroskopijnego królestwa. Jego urządzenia, które były mniej więcej wielkości dłoni, pozwalały mu obrazować obiekty z rozdzielczością mikrometrów, wyraźnie rozdzielając wiele różnych rodzajów „zwierząt”, które znajdują się na lub w ciele, w tym plemniki.

Pomimo ostrych obserwacji van Leeuwenhoeka, zajęło setki lat, aby uzyskać jakiekolwiek pewne pojęcie o tym, w jaki sposób plemniki mogą przemieszczać się przez złożone płyny istniejące w żeńskim układzie rozrodczym. Pierwsze wskazówki pojawiły się pod koniec lat 1880 irlandzki fizyk Osborne Reynolds który pracował w Owens College w Anglii (obecnie University of Manchester). W tym czasie Reynolds przeprowadził szereg eksperymentów z zakresu dynamiki płynów, z których uzyskał zależność między bezwładnością, jaką może zapewnić ciało w cieczy, a lepkością ośrodka – liczbą Reynoldsa. Z grubsza mówiąc, duży obiekt w cieczy, takiej jak woda, miałby dużą liczbę Reynoldsa, co oznacza, że ​​siły bezwładności wytwarzane przez obiekt są dominujące. Ale w przypadku mikroskopijnego ciała, takiego jak plemniki, największy wpływ miałyby siły lepkości płynu.

Fizyka wyjaśniająca ten dziwny świat, w którym dominują siły lepkości, została opracowana przez kilku fizyków w latach pięćdziesiątych, w tym Geoffrey Taylor z University of Cambridge. Przeprowadzając eksperymenty z gliceryną, medium o dużej lepkości, wykazał, że przy niskiej liczbie Reynoldsa fizykę pływającego mikroorganizmu można wytłumaczyć „ruchem ukośnym”. Jeśli weźmiesz cienki cylinder, taki jak słomka, i upuścisz go pionowo w płynie o dużej lepkości, takim jak syrop, zrobi to pionowo – jak można się spodziewać. Jeśli odłożysz słomkę na bok, nadal będzie opadać pionowo, ale o połowę szybciej niż w przypadku pionowej obudowy ze względu na zwiększony opór. Jednak gdy ułożysz słomkę po przekątnej i puścisz ją, nie porusza się ona pionowo w dół, ale opada w kierunku ukośnym – jest to tak zwany ruch ukośny.

Dzieje się tak, ponieważ opór wzdłuż ciała jest mniejszy niż w kierunku prostopadłym – co oznacza, że ​​słomka chce poruszać się wzdłuż swojej długości szybciej niż prostopadle, więc ślizga się zarówno w poziomie, jak i opada w pionie. We wczesnych latach pięćdziesiątych Taylor i Geoff Hancock z University of Manchester w Wielkiej Brytanii przeprowadzili szczegółowe obliczenia dotyczące sposobu przemieszczania się plemników. Wykazali, że gdy plemnik macha ogonkiem, wykonuje ukośne ruchy w różnych sekcjach, wytwarzając lepki napęd.

Obecnie naukowcy budują coraz bardziej złożone modele pływania plemników. Modele te służą nie tylko do wglądu teoretycznego, ale mają również zastosowanie w technikach wspomaganego rozrodu. Matematyk Davida Smitha z Uniwersytetu w Birmingham, Wielka Brytania – który pracował nad biologiczną dynamiką płynów od ponad dwóch dekad – a współpracownicy opracowali technikę analizy nasienia. Dubbingowany Analiza wici i śledzenie nasienia (FAST), może obrazować i analizować ogon plemnika z niezwykłą szczegółowością. Na podstawie obrazów wykorzystuje modele matematyczne do obliczenia siły, jaką ciało przykłada do płynu. Pakiet oblicza również wydajność pływania plemników – jak daleko przemieszcza się przy użyciu określonej ilości energii.

Zespół rozpoczął badania kliniczne z FAST w 2018 roku, a jeśli technika okaże się skuteczna, może pomóc parom ocenić, jaki rodzaj techniki wspomaganego rozrodu może być dla nich odpowiedni. Symulacje mogą pokazać na przykład, że „inseminacja domaciczna” – w której plemniki są myte, a następnie wstrzykiwane do macicy z pominięciem kanału szyjki macicy – ​​może być równie skuteczna w ciągu kilku cykli, jak przeprowadzanie droższych i inwazyjnych procedur IVF. Alternatywnie, ich technika mogłaby pomóc w analizie wpływu męskiej antykoncepcji. „Ten projekt dotyczy wykorzystania technologii XXI wieku w celu rozwiązania problemów związanych z męską płodnością” — mówi Smith.

Ciąża i łożysko – drzewo życia

Składa się z sieci grubych fioletowych naczyń i przypominające płaski placek łożysko jest życiodajnym obcym wewnątrz. Narząd unikalny dla ciąży, zdrowe łożysko w pełnym terminie ma około 22 centymetry średnicy, 2.5 centymetra grubości i masę około 0.6 kg. Jest bezpośrednim łącznikiem między matką a płodem, dostarczając płodowi tlenu i składników odżywczych oraz umożliwiając mu odesłanie produktów przemiany materii, takich jak dwutlenek węgla i mocznik, główny składnik moczu.

Z samego zbioru komórek we wczesnej ciąży łożysko zaczyna tworzyć podstawową strukturę, gdy przeplata się z wyściółką macicy. To ostatecznie prowadzi do sieci naczyń płodowych, które rozgałęziają się, tworząc kosmkowe drzewa – trochę jak japońskie bonsai – które są skąpane w matczynej krwi w „przestrzeni międzykosmkowej”. Łożysko można opisać jako pięćdziesiąt połączonych drzewek bonsai do góry nogami na szczycie akwarium, które jest pełne krwi, dzięki pompowaniu kilku matczynych tętnic na dnie.

Szacuje się, że zawiera około 550 kilometrów naczyń krwionośnych płodu - długość podobna do Wielkiego Kanionu - całkowita powierzchnia łożyska do wymiany gazowej wynosi około 13 m². Część trudności w badaniu łożyska wynika z tych różnych skal. Inną kwestią jest wiedza, w jaki sposób ta ogromna sieć naczyń płodowych, z których każde ma około 200 μm średnicy, ostatecznie wpływa na działanie narządu w skali centymetra.

Wymiana gazów między krwią matki i płodu odbywa się poprzez dyfuzję przez tkankę kosmków drzewa – uważa się, że za wymianę odpowiadają naczynia płodu znajdujące się najbliżej tkanki kosmków. Łącząc dane eksperymentalne z modelowaniem matematycznym skomplikowanej geometrii naczyń krwionośnych płodu, przez ostatnią dekadę matematyk Igor Czerniawski z Uniwersytetu w Manchesterze i współpracownicy badali transport gazów i innych składników odżywczych w łożysku.

Zespół odkrył, że pomimo niewiarygodnie złożonej topologii naczyń płodowych istnieje kluczowa bezwymiarowa liczba, która może wyjaśnić transport różnych składników odżywczych w łożysku. Określenie stanu chemicznego mieszaniny jest złożonym problemem – jedynym „stanem odniesienia” jest równowaga, w której wszystkie reakcje równoważą się i tworzą stabilny skład.

W latach dwudziestych XX wieku fizykochemik Gerhard Damköhler próbował wypracować zależność dla szybkości reakcji chemicznych lub dyfuzji w obecności przepływu. W tym scenariuszu braku równowagi wymyślił pojedynczą liczbę – liczbę Damköhlera – którą można wykorzystać do porównania czasu „zajścia chemii” z natężeniem przepływu w tym samym regionie.

Liczba Damköhlera jest przydatna, jeśli chodzi o łożysko, ponieważ narząd dyfunduje substancje rozpuszczone – takie jak tlen, glukoza i mocznik – w obecności zarówno płodowego, jak i matczynego przepływu krwi. Tutaj liczba Damköhlera jest zdefiniowana jako stosunek wielkości dyfuzji do szybkości przepływu krwi. W przypadku liczby Damköhlera większej niż jeden dominuje dyfuzja, która zachodzi szybciej niż szybkość przepływu krwi, co określa się mianem „ograniczenia przepływu”. Dla liczby mniejszej niż jeden, prędkość przepływu jest większa niż szybkość dyfuzji, znana jako „ograniczona dyfuzja”. Czerniawskiego i współpracowników odkrył, że pomimo różnych złożonych układów naczyń włosowatych płodu w końcowym kosmku, ruch różnych gazów do i z naczyń włosowatych płodu można opisać liczbą Damköhlera – którą nazwał „zasadą jednoczącą” w łożysku.

Naukowcy odkryli na przykład, że tlenek węgla i glukoza w łożysku mają ograniczoną dyfuzję, podczas gdy dwutlenek węgla i mocznik są bardziej ograniczone. Uważa się, że tlenek węgla jest skutecznie wymieniany przez łożysko, dlatego palenie przez matkę i zanieczyszczenie powietrza mogą być niebezpieczne dla dziecka. Co ciekawe, tlen jest bliski ograniczenia zarówno przepływu, jak i dyfuzji, co sugeruje projekt, który być może jest zoptymalizowany pod kątem gazu; co ma sens, biorąc pod uwagę, że jest tak ważne dla życia.

Nie wiadomo, dlaczego istnieje tak szeroki zakres liczb Damköhlera, ale jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że łożysko musi być mocne, biorąc pod uwagę jego wiele różnych ról, które obejmują zarówno odżywianie, jak i ochronę dziecka przed uszkodzeniem. Biorąc pod uwagę trudność eksperymentalnego badania łożyska w macicy a kiedy jest dostarczany w trzecim etapie narodzin, wciąż jest wiele rzeczy, których nie wiemy o tym eterycznym narządzie.

Dzieciństwo – warto rozmawiać

Trudno jest wyrazić, jak trudne jest dla dzieci nauczenie się języka – ale wydają się być w tym niezwykle dobrzy. Kiedy niemowlę ma od dwóch do trzech lat, jego język staje się niezwykle wyrafinowany, a małe dzieci są w stanie konstruować złożone – i poprawne gramatycznie – zdania. Rozwój ten jest tak szybki, że trudno go badać i daleki jest od pełnego zrozumienia. Rzeczywiście, sposób, w jaki dzieci uczą się języka, jest przedmiotem gorących sporów, z wieloma konkurencyjnymi teoriami wśród lingwistów.

Prawie wszystkie ludzkie języki można opisać za pomocą tak zwanej gramatyki bezkontekstowej – zestawu (rekurencyjnych) reguł, które generują strukturę przypominającą drzewo. Trzy główne aspekty gramatyki bezkontekstowej to symbole „nieterminalne”, symbole „terminalne” i „reguły produkcji”. W języku symbole nieterminalne to aspekty, takie jak wyrażenia rzeczownikowe lub wyrażenia czasownikowe (tj. części zdania, które można podzielić na mniejsze części). Symbole terminali są tworzone po wykonaniu wszystkich operacji, takich jak same poszczególne słowa. Wreszcie, istnieją ukryte zasady produkcji, które określają, gdzie należy umieścić symbole terminali, aby stworzyć zdanie, które ma sens.

Zdanie w bezkontekstowym języku gramatyki można zwizualizować jako drzewo, z gałęziami będącymi „nieterminalnymi” obiektami, których niemowlę nie słyszy podczas nauki języka – takimi jak frazy czasownikowe i tak dalej. Tymczasem liście drzewa są końcowymi symbolami lub rzeczywistymi słowami, które się słyszy. Na przykład w zdaniu „Niedźwiedź wszedł do jaskini”, „niedźwiedź” i „wszedł do jaskini” można rozdzielić, tworząc odpowiednio frazę rzeczownikową (NP) i frazę czasownikową (VP). Te dwie części można następnie podzielić dalej, aż ostatecznym wynikiem będą pojedyncze słowa, w tym wyznaczniki (Det) i wyrażenia przyimkowe (PP) (patrz rysunek). Kiedy niemowlęta słuchają ludzi mówiących w pełni uformowanymi zdaniami (które, miejmy nadzieję, są poprawne gramatycznie), są narażone tylko na liście przypominającej drzewo sieci (słowa i położenie w zdaniu). Ale w jakiś sposób muszą też wydobyć reguły języka z mieszanki słów, które słyszą.

W 2019, Eric De Giuli z Ryerson University w Kanadzie modelował tę drzewiastą strukturę za pomocą narzędzi fizyki statystycznej (fizyka Wielebny Letts. 122 128301). Kiedy niemowlęta słuchają, nieustannie dostosowują wagi gałęzi możliwości, gdy słyszą język. Ostatecznie gałęzie, które produkują bezsensowne zdania, zyskują mniejsze wagi – ponieważ nigdy nie są słyszane – w porównaniu z gałęziami bogatymi w informacje, którym przypisuje się większe wagi. Poprzez ciągłe wykonywanie tego rytuału słuchania, niemowlę z czasem „przycina” drzewo, aby odrzucić przypadkowe układy słów, zachowując te, które mają znaczącą strukturę. Ten proces przycinania zmniejsza zarówno liczbę gałęzi blisko powierzchni drzewa, jak i tych znajdujących się głębiej.

Fascynującym aspektem tego pomysłu z fizycznego punktu widzenia jest to, że kiedy wagi są równe, język jest losowy – co można porównać do wpływu ciepła na cząstki w termodynamice. Ale kiedy wagi zostaną dodane do gałęzi i dostosowane do tworzenia określonych zdań gramatycznych, „temperatura” zaczyna spadać. De Giuli przeprowadził swój model dla 25,000 XNUMX możliwych różnych „języków” (w tym języków komputerowych) i znalazł uniwersalne zachowanie, jeśli chodzi o „obniżanie temperatury”. W pewnym momencie następuje gwałtowny spadek tego, co jest analogiczne do entropii termodynamicznej lub nieporządku, gdy język przechodzi od zbioru przypadkowych układów do takiego, który zawiera dużo informacji. Pomyśl o bulgoczącym garnku pomieszanych słów, który zdejmuje się z pieca, aby ostygł, aż słowa i frazy zaczną „krystalizować” w określoną strukturę lub gramatykę.

Ta nagła zmiana jest również podobna do przejścia fazowego w mechanice statystycznej – w pewnym momencie język przełącza się z przypadkowej mieszaniny słów do wysoce ustrukturyzowanego systemu komunikacji, bogatego w informacje, zawierającego zdania o złożonej strukturze i znaczeniu. De Giuli uważa, że ​​ten model (który, jak podkreśla, jest tylko modelem, a nie ostatecznym wnioskiem na temat tego, jak niemowlęta uczą się języka) może wyjaśnić, dlaczego na pewnym etapie rozwoju dziecko niezwykle szybko uczy się konstruowania zdań gramatycznych. Przychodzi taki moment, kiedy słuchają wystarczająco dużo, by to wszystko miało dla nich sens. Wydaje się, że język jest dziecinną zabawą.