Удивительная физика младенцев: как мы улучшаем наше понимание репродукции человека

Зачатие – жизнь начинается при низком числе Рейнольдса

«[Сперма] — это животное, которое в основном… плавает головой или передней частью в мою сторону. Хвост, который при плавании хлещет змеиным движением, как угри в воде». Так писал голландский бизнесмен и учёный Антони ван Леувенхук Королевскому обществу в 1670-х годах по поводу своих наблюдений за спермой. Используя изготовленные по индивидуальному заказу микроскопы, которые были более мощными, чем все, что было создано ранее, ван Левенгук первым заглянул в мир микроскопии. Его устройства размером с руку позволяли ему отображать объекты с микрометровым разрешением, четко различая множество различных типов «животных», находящихся на теле или в нем, включая сперму.

Несмотря на проницательные наблюдения ван Левенгука, потребовались сотни лет, чтобы получить четкое представление о том, как сперматозоиды могут продвигаться через сложные жидкости, существующие в женских репродуктивных путях. Первые подсказки пришли в конце 1880-х годов из Ирландский физик Осборн Рейнольдс который работал в Оуэнс-колледже в Англии (ныне Манчестерский университет). За это время Рейнольдс провел серию экспериментов по гидродинамике и на их основе получил зависимость между инерцией, которую может обеспечить тело в жидкости, и вязкостью среды – числом Рейнольдса. Грубо говоря, большой объект в жидкости, такой как вода, будет иметь большое число Рейнольдса, что означает, что силы инерции, создаваемые этим объектом, являются доминирующими. Но для микроскопического тела, такого как сперма, наибольшее влияние окажут силы вязкости жидкости.

Физика, объясняющая этот странный мир, в котором доминируют силы вязкости, была разработана несколькими физиками в 1950-х годах, в том числе Джеффри Тейлор из Кембриджского университета. Проводя эксперименты с глицерином, высоковязкой средой, он показал, что при малом числе Рейнольдса физику плавающего микроорганизма можно объяснить «наклонным движением». Если вы возьмете тонкий цилиндр, например соломинку, и позволите ему упасть вертикально в высоковязкую жидкость, например сироп, он упадет вертикально – как и следовало ожидать. Если вы положите соломинку набок, она все равно будет падать вертикально, но в два раза быстрее, чем вертикальный корпус, из-за увеличенного сопротивления. Однако, когда вы кладете соломинку по диагонали и позволяете ей упасть, она не движется вертикально вниз, а падает в диагональном направлении – это так называемое наклонное движение.

Это происходит потому, что сопротивление по длине тела меньше, чем в перпендикулярном направлении, а это означает, что соломинка хочет двигаться по своей длине быстрее, чем перпендикулярно, поэтому она скользит горизонтально, а также падает вертикально. В начале 1950-х Тейлор и Джефф Хэнкок из Манчестерского университета, Великобритания, провели подробные расчеты того, как сперматозоиды могут путешествовать. Они показали, что, взмахивая хвостом, сперматозоиды создают наклонные движения в разных частях тела, производя вязкое движение.

Сегодня исследователи строят все более сложные модели того, как плавают сперматозоиды. Эти модели предназначены не только для теоретического понимания, но также имеют применение в методах вспомогательной репродукции. Математик Дэвид Смит из Бирмингемского университета, Великобритания - кто работал в области биологической гидродинамики. уже более двух десятилетий – и коллеги разработали методику анализа спермы. Дублированный Анализ жгутиков и отслеживание спермы (FAST), он может отображать и анализировать хвост сперматозоида в мельчайших деталях. На основе изображений он использует математические модели для расчета силы, которую тело прикладывает к жидкости. Пакет также рассчитывает эффективность плавания спермы – насколько далеко она движется, используя определенное количество энергии.

Команда начала клинические испытания FAST в 2018 году, и, если метод окажется успешным, он может помочь парам оценить, какой метод вспомогательной репродукции может им подойти. Моделирование может показать, например, что «внутриматочная инсеминация», при которой сперма промывается, а затем вводится в матку в обход цервикального канала, может быть столь же успешной в течение нескольких циклов, как и проведение более дорогих и инвазивных процедур ЭКО. В качестве альтернативы, их метод может быть использован для анализа влияния мужской контрацепции. «Этот проект посвящен использованию технологий 21 века для решения проблем мужской фертильности, — говорит Смит.

Беременность и плацента – дерево жизни

Состоит из сети толстых пурпурных сосудов. и напоминающая лепешку, плацента является животворящим инопланетянином внутри. Орган, уникальный для беременности, здоровая плацента при полном сроке имеет диаметр около 22 сантиметров, толщину 2.5 сантиметра и массу около 0.6 кг. Это прямая связь между матерью и плодом, обеспечивающая плод кислородом и питательными веществами и позволяющая ему выводить обратно продукты жизнедеятельности, такие как углекислый газ и мочевина, основные компоненты мочи.

Из набора клеток на ранних сроках беременности плацента начинает формировать базовую структуру, как только она переплетается со слизистой оболочкой матки. Это в конечном итоге приводит к сети сосудов плода, которые разветвляются, образуя ворсинчатые деревья — немного похожие на японский бонсай — которые омываются материнской кровью в «межворсинчатом пространстве». Плаценту можно описать как пятьдесят соединённых перевёрнутых деревьев бонсай наверху аквариума, наполненного кровью благодаря перекачиванию нескольких материнских артерий на дне.

По оценкам, в нем содержится около 550 километров кровеносных сосудов плода, длина которых аналогична Гранд-Каньону, а общая площадь поверхности плаценты для газообмена составляет около 13 м .². Частично трудности изучения плаценты связаны с этими различными масштабами. Другая проблема заключается в том, чтобы понять, как эта огромная сеть сосудов плода, каждый из которых имеет диаметр около 200 мкм, в конечном итоге влияет на работу органа сантиметрового размера.

Обмен газов между материнской и плодной кровью осуществляется посредством диффузии через ткань ворсинчатого дерева, при этом считается, что сосуды плода, расположенные ближе всего к ворсинчатой ​​ткани, осуществляют обмен. Сочетая экспериментальные данные с математическим моделированием сложной геометрии кровеносных сосудов плода, за последнее десятилетие математик Игорь Чернявский из Манчестерского университета и его коллеги изучали транспорт газов и других питательных веществ в плаценте.

Команда обнаружила, что, несмотря на невероятно сложную топологию сосудов плода, существует ключевое безразмерное число, которое может объяснить транспорт различных питательных веществ в плаценте. Определение химического состояния смеси — сложная задача, единственное «эталонное» состояние — равновесное, когда все реакции уравновешивают друг друга и в итоге образуют устойчивый состав.

В 1920-х годах физико-химик Герхард Дамкелер попытался выяснить зависимость скорости химических реакций или диффузии в присутствии потока. В этом неравновесном сценарии он придумал единственное число – число Дамкелера – которое можно использовать для сравнения времени, в течение которого «происходит химия», со скоростью потока в том же регионе.

Число Дамкелера полезно, когда речь идет о плаценте, потому что орган распространяет растворенные вещества, такие как кислород, глюкоза и мочевина, в присутствии кровотока как плода, так и матери. Здесь число Дамкелера определяется как отношение между объемом диффузии и скоростью кровотока. При числе Дамкелера больше единицы диффузия преобладает и происходит быстрее, чем скорость кровотока, известная как «ограничение потока». Для числа меньше единицы скорость потока больше, чем скорость диффузии, известная как «ограниченная диффузия». Чернявский и его коллеги обнаружил, что, несмотря на различное сложное расположение капилляров плода в терминальных ворсинках, движение различных газов в капилляры плода и из них можно описать числом Дамкелера, которое он назвал «объединяющим принципом» в плаценте.

Исследователи обнаружили, например, что диффузия монооксида углерода и глюкозы в плаценте ограничена, в то время как диоксид углерода и мочевина более ограничены. Считается, что плацента эффективно обменивает угарный газ, поэтому курение матери и загрязнение воздуха могут быть опасны для ребенка. Интересно, что кислород почти ограничен как по потоку, так и по диффузии, что предполагает конструкцию, которая, возможно, оптимизирована для газа; что имеет смысл, учитывая, что это так важно для жизни.

Неизвестно, почему существует такой широкий диапазон чисел Дамкелера, но одно из возможных объяснений заключается в том, что плацента должна быть прочной, учитывая ее множество различных функций, включая как питание, так и защиту ребенка от вреда. Учитывая сложность экспериментального изучения плаценты как в утробе матери и когда он рождается на третьей стадии рождения, мы еще многого не знаем об этом эфирном органе.

Детство – хорошо говорить

Трудно выразить словами, как тяжело детям в принципе овладеть языком, но, кажется, у них это получается замечательно хорошо. Когда младенцу два-три года, его язык невероятно быстро усложняется, и малыши могут составлять сложные и грамматически правильные предложения. Это развитие настолько быстрое, что его трудно изучать, и оно далеко не полностью изучено. Действительно, вопрос о том, как младенцы учат язык, является предметом горячих споров, и среди лингвистов существует множество конкурирующих теорий.

Почти все человеческие языки можно описать с помощью так называемой контекстно-свободной грамматики — набора (рекурсивных) правил, которые создают древовидную структуру. Три основных аспекта контекстно-свободной грамматики — это «нетерминальные» символы, «терминальные» символы и «продукционные правила». В языке нетерминальные символы — это такие аспекты, как словосочетания с существительными или словосочетания с глаголами (т. е. части предложения, которые можно разбить на более мелкие части). Терминальные символы создаются после выполнения всех операций, таких как сами отдельные слова. Наконец, существуют скрытые продукционные правила, которые определяют, где следует размещать терминальные символы, чтобы получить предложение, имеющее смысл.

Предложение на языке с бесконтекстной грамматикой можно визуализировать в виде дерева, ветками которого являются «нетерминальные» объекты, которые младенец не слышит при изучении языка, например, глагольные фразы и так далее. Между тем, листья дерева являются конечными символами или реальными словами, которые мы слышим. Например, в предложении «Медведь зашел в пещеру» слова «медведь» и «зашел в пещеру» могут быть разделены на именную группу (НП) и глагольную группу (ВП) соответственно. Эти две части затем можно разделить дальше, пока конечным результатом не станут отдельные слова, включая определители (Det) и предлоговые фразы (PP) (см. рисунок). Когда младенцы слушают людей, говорящих полностью сформированными предложениями (которые, как мы надеемся, грамматически правильны), они подвергаются воздействию только листьев древовидной сети (слов и местоположения в предложении). Но каким-то образом им также приходится извлекать правила языка из смеси слов, которые они слышат.

В 2019 Эрик Де Джули из Университета Райерсона в Канаде смоделировал эту древовидную структуру, используя инструменты статистической физики (физ. Преподобный Леттс. 122 128301). Когда младенцы слушают, они постоянно корректируют веса ветвей возможностей, когда слышат речь. В конце концов, ветви, которые производят бессмысленные предложения, приобретают меньший вес (поскольку их никогда не слышат) по сравнению с ветвями, богатыми информацией, которым присвоен больший вес. Постоянно выполняя этот ритуал слушания, младенец со временем «обрезает» дерево, отбрасывая случайные сочетания слов, сохраняя при этом те, которые имеют значимую структуру. Этот процесс обрезки уменьшает количество ветвей как у поверхности дерева, так и ветвей, расположенных глубже.

Захватывающий аспект этой идеи с физической точки зрения заключается в том, что когда веса равны, язык является случайным, что можно сравнить с тем, как тепло влияет на частицы в термодинамике. Но как только к ветвям добавляются веса и корректируются для получения конкретных грамматических предложений, «температура» начинает снижаться. Де Джули прогнал свою модель для 25,000 XNUMX возможных различных «языков» (включая компьютерные языки) и обнаружил универсальное поведение, когда дело дошло до «снижения температуры». В какой-то момент происходит резкое падение того, что аналогично термодинамической энтропии или беспорядку, когда язык переходит от множества случайных расположений к языку с высоким информационным содержанием. Представьте себе бурлящий горшок с перемешанными словами, который снимают с плиты, чтобы он остыл, пока слова и фразы не начнут «кристаллизоваться» в определенную структуру или грамматику.

Этот резкий переход также сродни фазовому переходу в статистической механике — в определенный момент язык переключается со случайного нагромождения слов на высокоструктурированную коммуникативную систему, богатую информацией, содержащую предложения со сложной структурой и смыслом. Де Джули считает, что эта модель (которая, как он подчеркивает, является лишь моделью, а не окончательным выводом о том, как младенцы осваивают язык) может объяснить, почему на определенной стадии развития ребенок невероятно быстро учится строить грамматические предложения. Наступает момент, когда они слушают достаточно, чтобы все это имело для них смысл. Язык, кажется, просто детская игра.