Presenetljiva fizika dojenčkov: kako izboljšujemo naše razumevanje človeške reprodukcije

Spočetje – življenje se začne pri nizkem Reynoldsovem številu

»[Sperma] je živalska kula, ki večinoma ... plava z glavo ali sprednjim delom v moji smeri. Rep, ki med plavanjem viha kot kača, kot jegulje v vodi.” Tako je zapisal nizozemski poslovnež in znanstvenik Antoine van Leeuwenhoek Kraljevi družbi v 1670-ih glede njegovih opazovanj sperme. Van Leeuwenhoek je s svojimi po meri izdelanimi mikroskopi, ki so bili zmogljivejši od vseh, ki so bili narejeni prej, prvi pogledal v mikroskopsko kraljestvo. Njegove naprave, ki so bile velike približno kot roka, so mu omogočale slikanje predmetov z mikrometrsko ločljivostjo, pri čemer je jasno razločil veliko različnih vrst "živalskih tvorb", ki prebivajo na ali v telesu, vključno s spermo.

Kljub van Leeuwenhoekovim bistrim opažanjem je trajalo na stotine let, da smo dobili kakršno koli trdno predstavo o tem, kako se lahko sperma premika skozi kompleksne tekočine, ki obstajajo v ženskem reproduktivnem traktu. Prvi namigi so prišli v poznih 1880-ih iz Irski fizik Osborne Reynolds ki je delal na kolidžu Owens v Angliji (zdaj Univerza v Manchestru). V tem času je Reynolds izvedel vrsto eksperimentov na področju tekočinske dinamike in iz njih dobil razmerje med vztrajnostjo, ki jo lahko zagotovi telo v tekočini, in viskoznostjo medija – Reynoldovo število. Grobo rečeno, velik predmet v tekočini, kot je voda, bi imel veliko Reynoldsovo število, kar pomeni, da prevladujejo vztrajnostne sile, ki jih ustvarja predmet. Toda za mikroskopsko telo, kot je sperma, bi imele največji vpliv viskozne sile tekočine.

Fiziko, ki pojasnjuje ta nenavaden svet, kjer prevladujejo viskozne sile, je v petdesetih letih prejšnjega stoletja razvilo več fizikov, vključno z Geoffrey Taylor z Univerze v Cambridgeu. Z izvajanjem poskusov z uporabo glicerina, visoko viskoznega medija, je pokazal, da je pri nizkem Reynoldsovem številu mogoče razložiti fiziko plavajočega mikroorganizma s »poševnim gibanjem«. Če vzamete tanek valj, kot je slamica, in ga pustite, da pade pokonci v tekočino z visoko viskoznostjo, kot je sirup, bo to storil navpično – kot lahko pričakujete. Če slamico položite na bok, bo še vedno padla navpično, vendar zaradi povečanega upora pol hitreje kot pokončna škatla. Ko pa slamico položite diagonalno in jo pustite, da pade, se ne premakne navpično navzdol, ampak pade v diagonalni smeri – kar je znano kot poševno gibanje.

To se zgodi, ker je upor po dolžini telesa manjši kot v pravokotni smeri – kar pomeni, da se želi slamica po svoji dolžini premikati hitreje kot pravokotno, zato zdrsne vodoravno in pada navpično. V zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja sta Taylor in Geoff Hancock z Univerze v Manchestru v Veliki Britaniji opravila podrobne izračune o tem, kako lahko semenčica potuje. Pokazali so, da ko sperma vihti svoj rep, ustvarja poševne gibe na različnih odsekih, kar proizvaja viskozni pogon.

Danes raziskovalci gradijo vse bolj zapletene modele za plavanje sperme. Ti modeli niso samo za teoretični vpogled, ampak se uporabljajo tudi v tehnikah asistirane reprodukcije. matematik David Smith z Univerze v Birminghamu, UK – ki se je ukvarjal z dinamiko bioloških tekočin več kot dve desetletji – in kolegi so razvili tehniko analize sperme. Sinhronizirano Analiza bičkov in sledenje semenčic (HITRO), lahko slika in analizira rep sperme do izjemnih podrobnosti. Iz slik uporablja matematične modele za izračun, s kakšno silo telo deluje na tekočino. Paket izračuna tudi plavalno učinkovitost sperme – kako daleč se premakne z določeno količino energije.

Ekipa je leta 2018 začela klinična preskušanja s FAST in če bo tehnika uspešna, bi lahko parom pomagala oceniti, katera vrsta tehnike asistirane reprodukcije bi jim lahko ustrezala. Simulacije lahko na primer pokažejo, da bi lahko bila "intrauterina oploditev" - pri kateri se sperma spere in nato vbrizga v maternico, mimo kanala materničnega vratu - prav tako uspešna v več ciklih kot izvajanje dražjih in invazivnih postopkov IVF. Druga možnost je, da se njihova tehnika uporabi za pomoč pri analizi vpliva moške kontracepcije. "Ta projekt govori o izkoriščanju tehnologij 21. stoletja za reševanje težav s plodnostjo moških," pravi Smith.

Nosečnost in posteljica – drevo življenja

Sestavljen iz mreže debelih vijoličnih žil posteljica, ki spominja na torto, je tujec, ki daje življenje. Organ, ki je edinstven za nosečnost, je zdrava posteljica ob polnem donošenju premera približno 22 centimetrov, debela 2.5 centimetra in težka približno 0.6 kg. Je neposredna povezava med materjo in plodom, plodu zagotavlja kisik in hranila ter mu omogoča pošiljanje nazaj odpadnih produktov, kot sta ogljikov dioksid in sečnina, glavna sestavina urina.

Iz zgolj zbirke celic v zgodnji nosečnosti začne posteljica oblikovati osnovno strukturo, ko se preplete s sluznico maternice. To sčasoma pripelje do mreže fetalnih žil, ki se razvejajo in tvorijo vilasta drevesa – nekoliko podobna japonskim bonsajem –, ki se kopajo v materini krvi v »medvilastem prostoru«. Posteljico bi lahko opisali kot petdeset povezanih dreves bonsajev, obrnjenih na glavo na vrhu rezervoarja, ki je poln krvi, zahvaljujoč črpanju več materinih arterij na dnu.

Ocenjuje se, da vsebuje okoli 550 kilometrov fetalnih krvnih žil – podobno dolžine kot Veliki kanjon – skupna površina placente za izmenjavo plinov je približno 13 m². Del težav pri preučevanju posteljice je posledica teh različnih lestvic. Druga težava je vedeti, kako ta ogromna mreža plodovih žil, od katerih ima vsaka približno 200 μm, na koncu vpliva na delovanje centimetrskega organa.

Izmenjava plinov med materino in fetalno krvjo poteka z difuzijo skozi tkivo vilosnega drevesa – pri čemer naj bi izmenjavo izvajale plodove žile, ki so najbližje tkivu vilusov. Z združevanjem eksperimentalnih podatkov z matematičnim modeliranjem zapletene geometrije fetalnih krvnih žil je v zadnjem desetletju matematik Igor Chernyavsky z Univerze v Manchestru in sodelavci preučujejo transport plinov in drugih hranil v posteljici.

Ekipa je ugotovila, da kljub neverjetno zapleteni topologiji plodovih žil obstaja ključno brezdimenzionalno število, ki lahko pojasni transport različnih hranil v posteljici. Določanje kemijskega stanja zmesi je zapleten problem – edino "referenčno" stanje je ravnovesje, ko se vse reakcije med seboj uravnotežijo in končajo v stabilni sestavi.

V dvajsetih letih prejšnjega stoletja je fizikalni kemik Gerhard Damköhler poskušal ugotoviti razmerje med hitrostjo kemičnih reakcij ali difuzijo v prisotnosti toka. V tem neravnovesnem scenariju je prišel do ene same številke – Damköhlerjevega števila –, ki se lahko uporabi za primerjavo časa, v katerem se »kemija zgodi«, s pretokom v istem območju.

Damköhlerjeva številka je uporabna, ko gre za posteljico, ker organ razpršuje raztopljene snovi – kot so kisik, glukoza in sečnina – v prisotnosti krvnega pretoka ploda in matere. Tukaj je Damköhlerjevo število definirano kot razmerje med količino difuzije in hitrostjo pretoka krvi. Pri Damköhlerjevem številu, večjem od ena, prevladuje difuzija in poteka hitreje od hitrosti pretoka krvi, kar je znano kot "omejen pretok". Za število, manjše od ena, je hitrost pretoka večja od stopnje difuzije, znane kot "omejena difuzija". Chernyavsky in sodelavci ugotovil, da je kljub različnim zapletenim ureditvam fetalnih kapilar v končnem vilu gibanje različnih plinov v in iz fetalnih kapilar mogoče opisati z Damköhlerjevim številom – ki ga je poimenoval "združevalni princip" v placenti.

Raziskovalci so na primer ugotovili, da sta ogljikov monoksid in glukoza v placenti omejena na difuzijo, medtem ko sta ogljikov dioksid in sečnina bolj omejena na pretok. Ogljikov monoksid naj bi učinkovito izmenjeval posteljica, zato sta lahko materino kajenje in onesnažen zrak nevarna za otroka. Zanimivo je, da je kisik skoraj omejen na pretok in difuzijo, kar kaže na zasnovo, ki je morda optimizirana za plin; kar je smiselno, saj je tako kritično za življenje.

Ni znano, zakaj obstaja tako širok razpon Damköhlerjevih števil, vendar je ena od možnih razlag ta, da mora biti posteljica robustna, glede na njene številne različne vloge, ki vključujejo hranjenje in zaščito otroka pred poškodbami. Glede na težavnost eksperimentalnega proučevanja posteljice obeh v maternici in ko je dostavljen v tretji fazi rojstva, še vedno veliko ne vemo o tem eteričnem organu.

Otroštvo – dobro je govoriti

Težko je opisati, kako težko je dojenčkom načeloma usvojiti njihov jezik – a zdi se, da so pri tem izredno dobri. Ko je dojenček star dve do tri leta, postane njegov jezik neverjetno hitro prefinjen, tako da so malčki sposobni sestaviti zapletene – in slovnično pravilne – stavke. Ta razvoj je tako hiter, da ga je težko preučiti in še zdaleč ni v celoti razumljen. O tem, kako se dojenčki učijo jezika, je dejansko zelo sporno, s številnimi konkurenčnimi teorijami med jezikoslovci.

Skoraj vse človeške jezike je mogoče opisati s tisto, kar je znano kot kontekstno prosta slovnica – niz (rekurzivnih) pravil, ki ustvarja drevesno strukturo. Trije glavni vidiki kontekstno proste slovnice so "neterminalni" simboli, "terminalni" simboli in "produkcijska pravila". V jeziku so nekončni simboli vidiki, kot so samostalniški ali glagolski stavki (tj. deli stavka, ki jih je mogoče razdeliti na manjše dele). Terminalni simboli se ustvarijo, ko so izvedene vse operacije, kot so same posamezne besede. Nazadnje so tu še skrita produkcijska pravila, ki določajo, kje naj bodo končni simboli nameščeni, da se ustvari stavek, ki je smiseln.

Stavek v slovničnem jeziku brez konteksta je mogoče vizualizirati kot drevo, pri čemer so veje »nekončni« predmeti, ki jih dojenček ne sliši, ko se uči jezika – kot so glagolske fraze itd. Listi drevesa so medtem končni simboli ali dejanske besede, ki jih slišimo. Na primer, v stavku »Medved je hodil v jamo« se lahko »medved« in »hodil v jamo« razdelita, da tvorita samostalniško besedno zvezo (NP) oziroma glagolsko besedno zvezo (VP). Ta dva dela se lahko nato razdelita naprej, dokler končni rezultat ne bodo posamezne besede, vključno z determinatorji (Det) in besednimi zvezami (PP) (glejte sliko). Ko dojenčki poslušajo ljudi, ki govorijo v popolnoma oblikovanih stavkih (ki so, upajmo, slovnično pravilni), so izpostavljeni le listom drevesne mreže (besedam in mestu v stavku). Toda nekako morajo iz mešanice besed, ki jih slišijo, izluščiti tudi pravila jezika.

V 2019, Eric De Giuli z univerze Ryerson v Kanadi modelirali to drevesno strukturo z orodji statistične fizike (Phys. Rev. Letts. 122 128301). Ko dojenčki poslušajo, nenehno prilagajajo uteži vej možnosti, ko slišijo jezik. Sčasoma veje, ki proizvajajo nesmiselne stavke, pridobijo manjše uteži – ker jih nikoli ne slišimo – v primerjavi z vejami, bogatimi z informacijami, ki jim pripišemo večje uteži. Z nenehnim izvajanjem tega obreda poslušanja dojenček sčasoma »obreže« drevo, da zavrže naključne razporeditve besed, medtem ko ohrani tiste s smiselno strukturo. Ta postopek obrezovanja zmanjša tako število vej blizu površine drevesa kot tistih globlje.

Fascinantni vidik te ideje s fizičnega vidika je, da je jezik naključen, ko so uteži enake – kar lahko primerjamo s tem, kako toplota vpliva na delce v termodinamiki. Ko pa se vejam dodajo uteži in prilagodijo za ustvarjanje posebnih slovničnih stavkov, začne »temperatura« padati. De Giuli je uporabil svoj model za 25,000 možnih različnih "jezikov" (ki so vključevali računalniške jezike) in našel univerzalno vedenje, ko je prišlo do "zmanjševanja temperature". Na določeni točki pride do močnega padca v tem, kar je analogno termodinamični entropiji ali motnji, ko jezik preide iz telesa naključnih ureditev v jezik z visoko vsebino informacij. Pomislite na brbotajoč lonec zmešanih besed, ki ga odstavimo s štedilnika, da se ohladi, dokler se besede in besedne zveze ne začnejo »kristalizirati« v določeno strukturo ali slovnico.

Ta nenaden preklop je tudi podoben faznemu prehodu v statistični mehaniki – na določeni točki jezik preklopi iz naključne zmešnjave besed v visoko strukturiran komunikacijski sistem, ki je bogat z informacijami in vsebuje stavke s kompleksnimi strukturami in pomeni. De Giuli meni, da bi ta model (za katerega poudarja, da je le model in ne dokončen sklep o tem, kako se dojenčki učijo jezika) lahko pojasnil, zakaj se otrok na določeni stopnji razvoja neverjetno hitro nauči sestavljati slovnične stavke. Pride točka, ko so dovolj poslušali, da jim je vse postalo smiselno. Zdi se, da je jezik otroška igra.