Fizica surprinzătoare a bebelușilor: cum ne îmbunătățim înțelegerea reproducerii umane

Concepție – viața începe la un număr Reynolds scăzut

„[Sperm] este un animalcul care în mare parte... înoată cu capul sau partea din față în direcția mea. Coada, care, când înoată, bate ca o mișcare de șarpe, ca anghile în apă.” Așa a scris omul de afaceri și omul de știință olandez Antoine van Leeuwenhoek la Societatea Regală în anii 1670 cu privire la observațiile sale asupra spermei. Folosind microscoapele sale personalizate, care erau mai puternice decât orice făcut înainte, van Leeuwenhoek a fost primul care a privit tărâmul microscopic. Dispozitivele sale, care aveau aproximativ dimensiunea unei mâini, îi permiteau să imagineze obiecte cu rezoluție micrometrică, rezolvând în mod clar multe tipuri diferite de „animalcule” care se află pe sau în corp, inclusiv spermatozoizi.

În ciuda observațiilor acute ale lui van Leeuwenhoek, a fost nevoie de sute de ani pentru a obține o idee fermă despre modul în care sperma ar putea propulsa prin fluidele complexe care există în tractul reproducător feminin. Primele indicii au venit la sfârșitul anilor 1880 din Fizicianul irlandez Osborne Reynolds care a lucrat la Owens College din Anglia (acum Universitatea din Manchester). În acest timp, Reynolds a efectuat o serie de experimente de dinamică a fluidelor și din acestea a obținut o relație între inerția pe care o poate oferi un corp dintr-un lichid și vâscozitatea mediului - numărul lui Reynold. În linii mari, un obiect mare într-un lichid, cum ar fi apa, ar avea un număr Reynolds mare, ceea ce înseamnă că forțele de inerție create de obiect sunt dominante. Dar pentru un corp microscopic, cum ar fi sperma, forțele vâscoase ale lichidului ar avea cea mai mare influență.

Fizica care explică această lume ciudată în care domină forțele vâscoase a fost elaborată de mai mulți fizicieni în anii 1950, inclusiv Geoffrey Taylor de la Universitatea din Cambridge. Efectuând experimente folosind glicerină, un mediu cu vâscozitate ridicată, el a arătat că la un număr Reynolds scăzut, fizica unui microorganism care înoată ar putea fi explicată prin „mișcare oblică”. Dacă luați un cilindru subțire, cum ar fi un pai, și îl lăsați să cadă vertical într-un fluid cu vâscozitate ridicată, cum ar fi siropul, va face acest lucru pe verticală - așa cum vă puteți aștepta. Dacă puneți paiul pe o parte, acesta va cădea în continuare vertical, dar la jumătate la fel de repede decât carcasa verticală din cauza rezistenței crescute. Cu toate acestea, atunci când puneți paiul în diagonală și îl lăsați să cadă, acesta nu se mișcă vertical în jos, ci cade în direcție diagonală - ceea ce este cunoscut sub numele de mișcare oblică.

Acest lucru se întâmplă deoarece tracțiunea de-a lungul lungimii corpului este mai mică decât în ​​direcția perpendiculară - ceea ce înseamnă că paiul vrea să se miște pe lungime mai repede decât o face perpendicular, așa că alunecă pe orizontală, precum și pe verticală. La începutul anilor 1950, Taylor și Geoff Hancock de la Universitatea din Manchester, Marea Britanie, au efectuat calcule detaliate despre modul în care un spermatozoid ar putea călători. Ei au arătat că, pe măsură ce spermatozoidul își bate coada, creează mișcări oblice în diferite secțiuni, producând propulsie vâscoasă.

Astăzi, cercetătorii construiesc modele din ce în ce mai complexe pentru modul în care spermatozoizii înoată. Aceste modele nu sunt doar pentru perspective teoretice, ci au și aplicații în tehnicile de reproducere asistată. Matematician David Smith de la Universitatea din Birmingham, Marea Britanie – care a lucrat la dinamica biologică a fluidelor de peste două decenii – iar colegii au dezvoltat o tehnică de analiză a spermei. Dublat Analiza flagelilor și urmărirea spermei (FAST), poate imaginea și analiza coada unui spermatozoid în detalii deosebite. Din imagini, folosește modele matematice pentru a calcula cât de multă forță o aplică corpul fluidului. Pachetul calculează, de asemenea, eficiența înotului spermatozoizilor - cât de departe se mișcă folosind o anumită cantitate de energie.

Echipa a început studiile clinice cu FAST în 2018 și, dacă tehnica are succes, ar putea ajuta cuplurile să evalueze ce tip de tehnică de reproducere asistată poate funcționa pentru ei. Simulările pot arăta, de exemplu, că „inseminarea intrauterină” – în care spermatozoizii sunt spălați și apoi injectați în uter, ocolind canalul cervical – ar putea avea la fel de succes pe parcursul mai multor cicluri ca și efectuarea unor proceduri FIV mai costisitoare și invazive. Alternativ, tehnica lor ar putea fi folosită pentru a ajuta la analiza impactului contracepției masculine. „Acest proiect este despre valorificarea tehnologiilor secolului 21 pentru a aborda problemele de fertilitate masculină”, spune Smith.

Sarcina și placenta – arborele vieții

Constând dintr-o rețea de vase groase violet și asemănând cu o prăjitură plată, placenta este extraterestrul dătător de viață din interior. Un organ unic pentru sarcină, o placentă sănătoasă la termen are în jur de 22 de centimetri în diametru, 2.5 centimetri grosime și cu o masă de aproximativ 0.6 kg. Este o legătură directă între mamă și făt, oferind fătului oxigen și nutrienți și permițându-i să trimită înapoi produse reziduale, cum ar fi dioxidul de carbon și ureea, o componentă majoră a urinei.

Dintr-o colecție de celule la începutul sarcinii, placenta începe să formeze o structură de bază odată ce se împletește cu mucoasa uterului. Acest lucru duce în cele din urmă la o rețea de vase fetale care se ramifică pentru a forma copaci viloși – un pic ca bonzaiul japonez – care sunt scăldate în sângele matern în „spațiul intervilos”. Placenta ar putea fi descrisă ca fiind cincizeci de copaci bonsai conectați cu capul în jos în partea de sus a unui rezervor de pești care este plin de sânge, datorită pompării mai multor artere materne în partea de jos.

Estimată că conține aproximativ 550 de kilometri de vase de sânge fetale – similară ca lungime cu Marele Canion – suprafața totală a placentei pentru schimbul de gaze este de aproximativ 13 m.². O parte din dificultatea studierii placentei se datorează acestor scale variabile. Cealaltă problemă este să știm cum această rețea uriașă de vase fetale, care au fiecare aproximativ 200 μm diametru, afectează în cele din urmă performanța unui organ la scară centimetrică.

Schimbul de gaze între sângele matern și cel fetal se face prin difuzie prin țesutul arborelui vilos – cu vasele fetale cele mai apropiate de țesutul vilos care se crede că fac schimbul. Prin combinarea datelor experimentale cu modelarea matematică a geometriei complicate a vaselor de sânge fetale, matematicianul din ultimul deceniu Igor Chernyavsky de la Universitatea din Manchester iar colegii au studiat transportul de gaze și alți nutrienți în placentă.

Echipa a descoperit că, în ciuda topologiei incredibil de complexă a vaselor fetale, există un număr cheie fără dimensiuni care poate explica transportul diferiților nutrienți în placentă. Determinarea stării chimice a unui amestec este o problemă complexă – singura stare de „referință” fiind echilibrul, când toate reacțiile se echilibrează între ele și ajung într-o compoziție stabilă.

În anii 1920, fizicochimistul Gerhard Damköhler a încercat să stabilească o relație pentru viteza reacțiilor chimice sau difuzia în prezența unui flux. În acest scenariu de neechilibru, el a venit cu un singur număr – numărul Damköhler – care poate fi folosit pentru a compara timpul în care „se va întâmpla chimia” cu debitul din aceeași regiune.

Numărul Damköhler este util atunci când vine vorba de placentă, deoarece organul difuzează substanțe dizolvate - cum ar fi oxigenul, glucoza și ureea - în prezența atât a fluxului sanguin fetal, cât și matern. Aici, numărul Damköhler este definit ca raportul dintre cantitatea de difuzie și rata fluxului sanguin. Pentru un număr Damköhler mai mare de unu, difuzia domină și are loc mai rapid decât rata fluxului sanguin, cunoscut sub numele de „debit limitat”. Pentru un număr mai mic de unu, debitul este mai mare decât viteza de difuzie, cunoscută sub numele de „difuzie limitată”. Chernyavsky și colegii a descoperit că, în ciuda diferitelor aranjamente complexe ale capilarelor fetale în vilozitatea terminală, mișcarea diferitelor gaze în și din capilarele fetale ar putea fi descrisă de numărul Damköhler - pe care l-a numit „principiul unificator” în placentă.

Cercetătorii au descoperit, de exemplu, că monoxidul de carbon și glucoza din placentă sunt limitate de difuzie, în timp ce dioxidul de carbon și ureea au un flux mai limitat. Se crede că monoxidul de carbon este schimbat eficient de către placentă, motiv pentru care fumatul matern și poluarea aerului pot fi periculoase pentru copil. În mod intrigant, oxigenul este aproape de a fi limitat atât de flux, cât și de difuzie, sugerând un design care este probabil optimizat pentru gaz; ceea ce are sens având în vedere că este atât de critic pentru viață.

Nu se știe de ce există o gamă atât de largă de numere Damköhler, dar o posibilă explicație este aceea că placenta trebuie să fie robustă, având în vedere numeroasele sale roluri diferite, care includ atât hrănirea, cât și protejarea copilului de rău. Având în vedere dificultatea studierii experimentale a placentei atât in utero iar când se naște în a treia etapă a nașterii, sunt încă multe despre acest organ eteric pe care nu le știm.

Copilărie – e bine să vorbești

Este greu de exprimat cât de greu este, în principiu, pentru bebeluși să-și înțeleagă limba – dar par remarcabil de buni în a face acest lucru. Când un copil are doi până la trei ani, limbajul său devine incredibil de rapid, copiii fiind capabili să construiască propoziții complexe – și corecte din punct de vedere gramatical. Această dezvoltare este atât de rapidă încât este dificil de studiat și este departe de a fi pe deplin înțeleasă. Într-adevăr, modul în care bebelușii învață limba este aprig contestat, cu multe teorii concurente între lingviști.

Aproape toate limbile umane pot fi descrise cu ceea ce este cunoscut ca o gramatică fără context – un set de reguli (recursive) care generează o structură arborescentă. Cele trei aspecte principale ale unei gramatici fără context sunt simbolurile „non-terminale”, simbolurile „terminale” și „regulile de producție”. Într-o limbă, simbolurile non-terminale sunt aspecte precum sintagmele nominale sau expresiile verbale (adică părți ale propoziției care pot fi împărțite în părți mai mici). Simbolurile terminale sunt produse atunci când au fost efectuate toate operațiunile, cum ar fi cuvintele individuale în sine. În cele din urmă, există regulile de producție ascunse care determină unde trebuie plasate simbolurile terminale, pentru a produce o propoziție care să aibă sens.

O propoziție într-un limbaj gramatical fără context poate fi vizualizată ca un arbore, ramurile fiind obiectele „non-terminale” pe care copilul nu le aude atunci când învață limbajul – cum ar fi frazele verbale și așa mai departe. Între timp, frunzele copacului sunt simbolurile terminale sau cuvintele reale care se aud. De exemplu, în propoziția „Ursul a intrat în peșteră”, „ursul” și „a intrat în peșteră” pot fi separate pentru a forma o frază nominală (NP) și, respectiv, o frază verbală (VP). Aceste două părți pot fi apoi împărțite în continuare până când rezultatul final este cuvinte individuale, inclusiv determinanți (Det) și fraze de prepoziție (PP) (vezi figura). Când bebelușii ascultă oamenii care vorbesc în propoziții complet formate (care sunt, sperăm, corecte din punct de vedere gramatical), ei sunt expuși doar frunzelor rețelei arborescente (cuvintele și locația dintr-o propoziție). Dar, cumva, trebuie să extragă regulile limbii din amestecul de cuvinte pe care le aud.

În 2019, Eric De Giuli de la Universitatea Ryerson din Canada a modelat această structură asemănătoare arborelui folosind instrumentele fizicii statistice (Fiz. Rev. Letts. 122 128301). Pe măsură ce sugarii ascultă, ei ajustează continuu greutățile ramurilor posibilităților pe măsură ce aud limbajul. În cele din urmă, ramurile care produc propoziții fără sens capătă ponderi mai mici - pentru că nu sunt niciodată auzite - în comparație cu ramurile bogate în informații cărora li se acordă ponderi mai mari. Efectuând continuu acest ritual de ascultare, bebelușul „tunde” copacul de-a lungul timpului pentru a renunța la aranjamentele de cuvinte aleatorii, păstrând în același timp pe cele cu o structură semnificativă. Acest proces de tăiere reduce atât numărul de ramuri de lângă suprafața copacului, cât și cele mai adânci.

Aspectul fascinant al acestei idei din punct de vedere fizic este că atunci când greutățile sunt egale, limbajul este aleatoriu - ceea ce poate fi comparat cu modul în care căldura afectează particulele în termodinamică. Dar odată ce greutățile sunt adăugate ramurilor și ajustate pentru a produce propoziții gramaticale specifice, „temperatura” începe să scadă. De Giuli a condus modelul său pentru 25,000 de „limbi” distincte posibile (care au inclus limbaje informatice) și a găsit un comportament universal când a fost vorba de „scăderea temperaturii”. La un anumit punct, există o scădere bruscă a ceea ce este analog cu entropia termodinamică, sau dezordinea, atunci când limbajul trece de la un corp de aranjamente aleatorii la unul care are un conținut ridicat de informații. Gândiți-vă la un vas clocotitor de cuvinte amestecate care este scos de pe aragaz pentru a se răci, până când cuvintele și frazele încep să „cristalizeze” într-o structură sau gramatică specifică.

Această schimbare bruscă este, de asemenea, asemănătoare cu o tranziție de fază în mecanica statistică – la un anumit moment, limbajul trece de la un amestec aleatoriu de cuvinte la un sistem de comunicare foarte structurat, bogat în informații, care conține propoziții cu structuri și semnificații complexe. De Giuli crede că acest model (pe care subliniază că este doar un model și nu o concluzie definitivă pentru modul în care sugarii învață limbajul) ar putea explica de ce la un anumit stadiu de dezvoltare un copil învață incredibil de repede să construiască propoziții gramaticale. Vine un moment în care au ascultat suficient pentru ca totul să aibă sens pentru ei. Limbajul, se pare, este doar o joacă de copii.