A surpreendente física dos bebês: como estamos melhorando nossa compreensão da reprodução humana

Concepção - a vida começa em baixo número de Reynolds

“[Esperma] é um animálculo que principalmente… nada com a cabeça ou a parte frontal em minha direção. A cauda, ​​que, ao nadar, chicoteia como um movimento de cobra, como enguias na água. Assim escreveu o empresário e cientista holandês Antonie van Leeuwenhoek à Royal Society na década de 1670 sobre suas observações de esperma. Usando seus microscópios personalizados, que eram mais poderosos do que qualquer outro feito antes, van Leeuwenhoek foi o primeiro a perscrutar o reino microscópico. Seus dispositivos, que tinham aproximadamente o tamanho de uma mão, permitiam que ele visualizasse objetos com resolução micrométrica, resolvendo claramente muitos tipos diferentes de “animalículas” que residem no corpo ou dentro dele, incluindo o esperma.

Apesar das observações perspicazes de van Leeuwenhoek, levou centenas de anos para se ter uma ideia firme sobre como o esperma poderia se mover através dos fluidos complexos que existem dentro do trato reprodutivo feminino. As primeiras pistas vieram no final da década de 1880 do físico irlandês Osborne Reynolds que trabalhou no Owens College na Inglaterra (atual Universidade de Manchester). Durante esse tempo, Reynolds realizou uma série de experimentos de dinâmica de fluidos, e a partir deles obteve uma relação entre a inércia que um corpo em um líquido pode fornecer e a viscosidade do meio – o número de Reynolds. Grosso modo, um grande objeto em um líquido como a água teria um grande número de Reynolds, o que significa que as forças inerciais criadas pelo objeto são dominantes. Mas para um corpo microscópico, como o esperma, seriam as forças viscosas do líquido que teriam mais influência.

A física que explica esse estranho mundo onde as forças viscosas dominam foi elaborada por vários físicos na década de 1950, incluindo Geoffrey Taylor da Universidade de Cambridge. Conduzindo experimentos usando glicerina, um meio de alta viscosidade, ele mostrou que em um número de Reynolds baixo, a física de um microrganismo nadador poderia ser explicada pelo “movimento oblíquo”. Se você pegar um cilindro fino, como um canudo, e deixá-lo cair verticalmente em um líquido de alta viscosidade como xarope, ele o fará verticalmente – como você pode esperar. Se você colocar o canudo de lado, ele ainda cairá verticalmente, mas com metade da velocidade da caixa vertical devido ao aumento do arrasto. No entanto, quando você coloca o canudo na diagonal e o deixa cair, ele não se move verticalmente para baixo, mas cai na diagonal – o que é conhecido como movimento oblíquo.

Isso ocorre porque o arrasto ao longo do comprimento do corpo é menor do que na direção perpendicular – o que significa que o canudo quer se mover ao longo de seu comprimento mais rápido do que na perpendicular, então ele desliza horizontalmente e também cai verticalmente. No início dos anos 1950, Taylor e Geoff Hancock, da Universidade de Manchester, no Reino Unido, realizaram cálculos detalhados sobre como um espermatozoide poderia viajar. Eles mostraram que, à medida que o espermatozoide chicoteia sua cauda, ​​ele cria movimentos oblíquos em diferentes seções, produzindo propulsão viscosa.

Hoje, os pesquisadores estão construindo modelos cada vez mais complexos de como os espermatozoides nadam. Esses modelos não são apenas para insights teóricos, mas também têm aplicações em técnicas de reprodução assistida. Matemático David Smith da Universidade de Birmingham, Reino Unido – que trabalhou em dinâmica de fluidos biológicos por mais de duas décadas – e colegas desenvolveram uma técnica de análise de esperma. Apelidado Análise de flagelos e rastreamento de esperma (FAST), ele pode visualizar e analisar a cauda de um espermatozóide em detalhes requintados. A partir das imagens, usa modelos matemáticos para calcular quanta força o corpo está aplicando ao fluido. O pacote também calcula a eficiência de natação do espermatozóide – até onde ele se move usando uma certa quantidade de energia.

A equipe iniciou os ensaios clínicos com o FAST em 2018 e, se a técnica for bem-sucedida, poderá ajudar os casais a avaliar que tipo de técnica de reprodução assistida pode funcionar para eles. As simulações podem mostrar, por exemplo, que a “inseminação intrauterina” – na qual o esperma é lavado e depois injetado no útero, contornando o canal cervical – pode ser tão bem-sucedida em vários ciclos quanto a realização de procedimentos de fertilização in vitro mais caros e invasivos. Alternativamente, sua técnica poderia ser usada para ajudar a analisar o impacto da contracepção masculina. “Este projeto trata de aproveitar as tecnologias do século 21 para resolver os problemas de fertilidade masculina”, diz Smith.

Gravidez e placenta – a árvore da vida

Composto por uma rede de vasos roxos grossos e semelhante a um bolo achatado, a placenta é o alienígena que dá vida dentro. Órgão exclusivo da gravidez, uma placenta saudável a termo tem cerca de 22 centímetros de diâmetro, 2.5 centímetros de espessura e massa de cerca de 0.6 kg. É uma ligação direta entre a mãe e o feto, fornecendo oxigênio e nutrientes ao feto e permitindo que ele envie de volta produtos residuais, como dióxido de carbono e ureia, um dos principais componentes da urina.

A partir de apenas uma coleção de células no início da gravidez, a placenta começa a formar uma estrutura básica, uma vez que se entrelaça com o revestimento do útero. Isso eventualmente leva a uma rede de vasos fetais que se ramificam para formar árvores vilosas – um pouco como os bonsais japoneses – que são banhados em sangue materno no “espaço interviloso”. A placenta poderia ser descrita como cinquenta bonsai conectados de cabeça para baixo no topo de um aquário cheio de sangue, graças ao bombeamento de várias artérias maternas no fundo.

Estima-se que contenha cerca de 550 quilômetros de vasos sanguíneos fetais - semelhante em comprimento ao Grand Canyon - a superfície total da placenta para troca gasosa é de cerca de 13 m². Parte da dificuldade em estudar a placenta se deve a essas escalas variáveis. A outra questão é saber como essa enorme rede de vasos fetais, cada um com cerca de 200 μm de diâmetro, afeta o desempenho de um órgão em escala centimétrica.

A troca de gases entre o sangue materno e fetal ocorre por difusão através do tecido da árvore vilosa – acredita-se que os vasos fetais mais próximos do tecido viloso façam a troca. Ao combinar dados experimentais com modelagem matemática da intrincada geometria dos vasos sanguíneos fetais, durante a última década o matemático Igor Chernyavsky da Universidade de Manchester e colegas têm estudado o transporte de gases e outros nutrientes na placenta.

A equipe descobriu que, apesar da topologia incrivelmente complexa dos vasos fetais, existe um número adimensional chave que pode explicar o transporte de diferentes nutrientes na placenta. Determinar o estado químico de uma mistura é um problema complexo – o único estado de “referência” é o equilíbrio, quando todas as reações se equilibram e terminam em uma composição estável.

Na década de 1920, o físico-químico Gerhard Damköhler tentou descobrir uma relação para a taxa de reações químicas ou difusão na presença de um fluxo. Nesse cenário de não equilíbrio, ele chegou a um único número – o número de Damköhler – que pode ser usado para comparar o tempo para a “química acontecer” com a vazão na mesma região.

O número de Damköhler é útil quando se trata da placenta porque o órgão está difundindo solutos – como oxigênio, glicose e uréia – na presença de fluxo sanguíneo fetal e materno. Aqui, o número de Damköhler é definido como a razão entre a quantidade de difusão contra a taxa de fluxo sanguíneo. Para um número de Damköhler maior que um, a difusão domina e ocorre mais rapidamente que a taxa de fluxo sanguíneo, conhecida como “fluxo limitado”. Para um número menor que um, a vazão é maior que a taxa de difusão, conhecida como “difusão limitada”. Chernyavsky e colegas descobriram que, apesar dos vários arranjos complexos dos capilares fetais nas vilosidades terminais, o movimento de diferentes gases para dentro e para fora dos capilares fetais poderia ser descrito pelo número de Damköhler – que ele chamou de “princípio unificador” na placenta.

Os pesquisadores descobriram, por exemplo, que o monóxido de carbono e a glicose na placenta são limitados pela difusão, enquanto o dióxido de carbono e a uréia são mais limitados pelo fluxo. Acredita-se que o monóxido de carbono seja eficientemente trocado pela placenta, e é por isso que o tabagismo materno e a poluição do ar podem ser perigosos para o bebê. Curiosamente, o oxigênio está próximo de ser limitado por fluxo e difusão, sugerindo um projeto que talvez seja otimizado para o gás; o que faz sentido, visto que é tão crítico para a vida.

Não se sabe por que existe uma gama tão ampla de números de Damköhler, mas uma explicação possível é que a placenta deve ser robusta, devido às suas diversas funções, que incluem nutrir e proteger o bebê contra danos. Dada a dificuldade de estudar experimentalmente a placenta tanto in utero e quando ele nasce no terceiro estágio do nascimento, ainda há muito que não sabemos sobre esse órgão etéreo.

Infância – é bom falar

É difícil expressar o quão difícil, em princípio, é para os bebês aprenderem sua linguagem – mas eles parecem notavelmente bons nisso. Quando uma criança tem dois ou três anos de idade, sua linguagem se torna sofisticada de forma incrivelmente rápida, com crianças pequenas sendo capazes de construir frases complexas – e gramaticalmente corretas. Esse desenvolvimento é tão rápido que é difícil de estudar e está longe de ser totalmente compreendido. De fato, como os bebês aprendem a linguagem é muito contestado, com muitas teorias concorrentes entre os linguistas.

Quase todas as línguas humanas podem ser descritas com o que é conhecido como gramática livre de contexto – um conjunto de regras (recursivas) que gera uma estrutura semelhante a uma árvore. Os três principais aspectos de uma gramática livre de contexto são símbolos “não terminais”, símbolos “terminais” e “regras de produção”. Em uma linguagem, os símbolos não terminais são aspectos como frases nominais ou frases verbais (ou seja, partes da frase que podem ser divididas em partes menores). Os símbolos terminais são produzidos quando todas as operações foram realizadas, como as próprias palavras individuais. Finalmente, existem as regras de produção ocultas que determinam onde os símbolos terminais devem ser colocados, para produzir uma frase que faça sentido.

Uma frase em uma linguagem gramatical livre de contexto pode ser visualizada como uma árvore, com os galhos sendo os objetos “não terminais” que a criança não ouve ao aprender a linguagem – como frases verbais e assim por diante. As folhas da árvore, entretanto, são os símbolos terminais, ou as palavras reais que são ouvidas. Por exemplo, na frase “O urso entrou na caverna”, “o urso” e “entrou na caverna” podem ser separados para formar uma frase nominal (NP) e uma frase verbal (VP), respectivamente. Essas duas partes podem ser divididas ainda mais até que o resultado final seja palavras individuais, incluindo determinantes (Det) e frases de preposição (PP) (veja a figura). Quando os bebês ouvem as pessoas falando em frases totalmente formadas (que, espera-se, sejam gramaticalmente corretas), eles são expostos apenas às folhas da rede semelhante a uma árvore (as palavras e a localização em uma frase). Mas, de alguma forma, eles também precisam extrair as regras da língua da mistura de palavras que ouvem.

Em 2019, Eric De Giuli da Ryerson University no Canadá modelou essa estrutura semelhante a uma árvore usando as ferramentas da física estatística (Física Rev. Letts. 122 128301). À medida que os bebês ouvem, eles ajustam continuamente os pesos dos ramos de possibilidades conforme ouvem a linguagem. Eventualmente, as ramificações que produzem sentenças sem sentido adquirem pesos menores – porque nunca são ouvidas – em comparação com as ramificações ricas em informações que recebem pesos maiores. Ao realizar continuamente esse ritual de escuta, o bebê “poda” a árvore ao longo do tempo para descartar arranjos de palavras aleatórias, enquanto retém aqueles com estrutura significativa. Esse processo de poda reduz tanto o número de galhos próximos à superfície da árvore quanto os mais profundos.

O aspecto fascinante dessa ideia do ponto de vista físico é que, quando os pesos são iguais, a linguagem é aleatória – o que pode ser comparado a como o calor afeta as partículas na termodinâmica. Mas uma vez que os pesos são adicionados aos galhos e ajustados para produzir frases gramaticais específicas, a “temperatura” começa a diminuir. De Giuli executou seu modelo para 25,000 possíveis “linguagens” distintas (que incluíam linguagens de computador) e encontrou um comportamento universal quando se tratava de “diminuir a temperatura”. A certa altura, há uma queda acentuada no que é análogo à entropia termodinâmica, ou desordem, quando a linguagem passa de um corpo de arranjos aleatórios para um corpo de alto conteúdo informacional. Pense em uma panela borbulhante de palavras embaralhadas que é retirada do fogão para esfriar, até que palavras e frases comecem a “cristalizar” em uma estrutura ou gramática específica.

Essa mudança abrupta também é semelhante a uma transição de fase na mecânica estatística – em certo ponto, a linguagem muda de uma confusão aleatória de palavras para um sistema de comunicação altamente estruturado e rico em informações, contendo frases com estruturas e significados complexos. De Giuli acha que esse modelo (que ele enfatiza ser apenas um modelo e não uma conclusão definitiva de como os bebês aprendem a linguagem) poderia explicar por que, em um determinado estágio de desenvolvimento, uma criança aprende incrivelmente rápido a construir frases gramaticais. Chega um ponto em que eles ouviram o suficiente para que tudo faça sentido para eles. A linguagem, ao que parece, é apenas uma brincadeira de criança.