Spädbarns överraskande fysik: hur vi förbättrar vår förståelse av mänsklig fortplantning

Befruktning – livet börjar vid lågt Reynolds nummer

"[Spermier] är en djurkule som mestadels ... simmar med huvudet eller främre delen i min riktning. Svansen, som när den simmar pissar som en ormliknande rörelse, som ålar i vatten.” Så skrev den holländska affärsmannen och vetenskapsmannen Antonie van Leeuwenhoek till Royal Society på 1670-talet angående hans observationer av spermier. Med hjälp av sina specialbyggda mikroskop, som var mer kraftfulla än något som gjorts tidigare, var van Leeuwenhoek den första som kikade in i det mikroskopiska riket. Hans enheter, som var ungefär lika stora som en hand, lät honom avbilda objekt med mikrometerupplösning, vilket tydligt löser många olika typer av "djur" som finns på eller i kroppen, inklusive spermier.

Trots van Leeuwenhoeks akuta observationer tog det hundratals år att få någon bestämd uppfattning om hur spermier kunde driva igenom de komplexa vätskor som finns i det kvinnliga fortplantningsorganet. De första ledtrådarna kom i slutet av 1880-talet från Den irländska fysikern Osborne Reynolds som arbetade på Owens College i England (numera University of Manchester). Under den tiden genomförde Reynolds en serie vätskedynamikexperiment och fick utifrån dem ett förhållande mellan trögheten som en kropp i en vätska kan ge och mediets viskositet – Reynolds tal. Grovt sett skulle ett stort föremål i en vätska som vatten ha ett stort Reynolds-tal, vilket betyder att tröghetskrafter som skapas av föremålet är dominerande. Men för en mikroskopisk kropp, såsom spermier, skulle det vara vätskans trögflytande krafter som skulle ha störst inflytande.

Fysiken som förklarar denna märkliga värld där viskösa krafter dominerar utarbetades av flera fysiker på 1950-talet, bl.a. Geoffrey Taylor från University of Cambridge. Genom att utföra experiment med glycerin, ett medium med hög viskositet, visade han att vid ett lågt Reynolds-tal kunde fysiken hos en simmikroorganism förklaras med "sned rörelse". Om du tar en tunn cylinder, som ett sugrör, och låter den falla upprätt i en högviskös vätska som sirap, kommer den att göra det vertikalt – som du kan förvänta dig. Om du lägger sugröret på sidan kommer det fortfarande att falla vertikalt, men hälften så snabbt som det upprättstående fodralet på grund av ökat motstånd. Men när man sätter halmen diagonalt och låter det falla rör sig det inte vertikalt nedåt utan faller i diagonal riktning – det som kallas sned rörelse.

Detta beror på att motståndet längs kroppens längd är lägre än i den vinkelräta riktningen - vilket innebär att strået vill röra sig längs sin längd snabbare än det gör vinkelrätt, så det glider horisontellt och faller vertikalt. I början av 1950-talet utförde Taylor och Geoff Hancock från University of Manchester, Storbritannien, detaljerade beräkningar om hur en sperma kunde resa. De visade att när spermien piskar sin svans, skapar den sneda rörelser i olika sektioner, vilket ger viskös framdrivning.

Idag bygger forskare ständigt komplexa modeller för hur spermier simmar. Dessa modeller är inte bara för teoretiska insikter, utan har också tillämpningar inom assisterad reproduktionsteknik. Matematiker David Smith från University of Birmingham, Storbritannien – som har arbetat med biologisk vätskedynamik i över två decennier – och kollegor har utvecklat en spermieanalysteknik. Dubbade Flagellaanalys och spermiespårning (FAST), kan den avbilda och analysera svansen på en spermie i utsökt detalj. Från bilderna använder den matematiska modeller för att beräkna hur mycket kraft kroppen utövar på vätskan. Paketet beräknar också spermiernas simeffektivitet – hur långt den rör sig med en viss mängd energi.

Teamet påbörjade kliniska prövningar med FAST 2018, och om tekniken är framgångsrik kan den hjälpa par att bedöma vilken typ av assisterad befruktningsteknik som kan fungera för dem. Simuleringarna kan till exempel visa att "intrauterin insemination" – där spermier tvättas och sedan injiceras i livmodern, förbi livmoderhalskanalen – kan vara lika framgångsrik under flera cykler som att genomföra dyrare och invasiva IVF-procedurer. Alternativt kan deras teknik användas för att analysera effekten av manlig preventivmedel. "Detta projekt handlar om att utnyttja 21-talets teknologier för att ta itu med manlig fertilitetsproblem", säger Smith.

Graviditet och moderkakan – livets träd

Består av ett nätverk av tjocka lila kärl och liknar en platt kaka är moderkakan den livgivande utomjordingen inombords. Ett organ som är unikt för graviditet, en frisk moderkaka vid full sikt är cirka 22 centimeter i diameter, 2.5 centimeter tjock och med en massa på cirka 0.6 kg. Det är en direkt länk mellan mamman och fostret, förser fostret med syre och näringsämnen och gör att det kan skicka tillbaka slaggprodukter, såsom koldioxid och urea, en viktig komponent i urinen.

Från bara en samling celler i tidig graviditet börjar moderkakan att bilda en grundläggande struktur när den flätas samman med livmoderns slemhinna. Detta leder så småningom till ett nätverk av fosterkärl som förgrenar sig för att bilda vilda träd – lite som japanska bonsais – som badar i moderblod i det "intervillous utrymmet". Moderkakan kan beskrivas som femtio sammankopplade bonsaiträd upp och ner i toppen av en akvarium som är full av blod, tack vare pumpningen av flera moderns artärer i botten.

Beräknas innehålla cirka 550 kilometer fosterblodkärl – liknande längd som Grand Canyon – placentans totala yta för gasutbyte är cirka 13 m². En del av svårigheten att studera moderkakan beror på dessa varierande skalor. Den andra frågan är att veta hur detta enorma nätverk av fosterkärl, som var och en är cirka 200 μm i diameter, i slutändan påverkar prestandan hos ett organ i centimeterskala.

Utbytet av gaser mellan moder- och fosterblod sker via diffusion genom villous trädvävnaden – med fosterkärlen närmast villösvävnaden som tros göra utbytet. Genom att kombinera experimentella data med matematisk modellering av fostrets intrikata blodkärl, har matematiker under det senaste decenniet Igor Chernyavsky från University of Manchester och kollegor har studerat transporten av gaser och andra näringsämnen i moderkakan.

Teamet fann att trots den otroligt komplexa topologin hos fosterkärlen, finns det ett nyckeldimensionslöst tal som kan förklara transporten av olika näringsämnen i moderkakan. Att bestämma det kemiska tillståndet för en blandning är ett komplext problem – det enda "referenstillståndet" är jämvikt, då alla reaktioner balanserar varandra och hamnar i en stabil sammansättning.

På 1920-talet försökte fysikalisk kemist Gerhard Damköhler räkna ut ett samband för hastigheten för kemiska reaktioner eller diffusion i närvaro av ett flöde. I detta icke-jämviktsscenario kom han på ett enda tal – Damköhler-talet – som kan användas för att jämföra tiden för "kemin att hända" med flödeshastigheten i samma region.

Damköhler-numret är användbart när det kommer till moderkakan eftersom organet sprider lösta ämnen – såsom syre, glukos och urea – i närvaro av både foster- och moderns blodflöde. Här definieras Damköhler-talet som förhållandet mellan mängden diffusion och blodflödeshastigheten. För ett Damköhler-tal större än ett dominerar diffusionen och sker snabbare än blodflödet, känt som "flödesbegränsat". För ett antal mindre än ett är flödeshastigheten större än diffusionshastigheten, känd som "diffusionsbegränsad". Chernyavsky och kollegor fann att, trots de olika komplexa arrangemangen av fostrets kapillärer i den terminala villusen, kunde rörelsen av olika gaser in och ut ur fostrets kapillärer beskrivas med Damköhler-numret – som han kallade den ”förenande principen” i moderkakan.

Forskarna fann till exempel att kolmonoxid och glukos i moderkakan är diffusionsbegränsade, medan koldioxid och urea är mer flödesbegränsade. Kolmonoxid anses effektivt utbytas av moderkakan, vilket är anledningen till att moderns rökning och luftföroreningar kan vara farligt för barnet. Spännande nog är syre nära att vara både flödes- och diffusionsbegränsad, vilket tyder på en design som kanske är optimerad för gasen; vilket är vettigt eftersom det är så avgörande för livet.

Det är okänt varför det finns ett så brett utbud av Damköhler-tal, men en möjlig förklaring är att moderkakan måste vara robust, med tanke på dess många olika roller, som inkluderar både näring och skydd av barnet från skada. Med tanke på svårigheten att experimentellt studera moderkakan båda i livmodern och när det föds i det tredje stadiet av födseln, finns det fortfarande mycket vi inte vet om detta eteriska organ.

Babyhood – det är bra att prata

Det är svårt att uttrycka hur svårt det i princip är för bebisar att ta upp sitt språk – men de verkar anmärkningsvärt bra på att göra det. När ett spädbarn är två till tre år gammalt blir språket otroligt snabbt sofistikerat, med småbarn som kan konstruera komplexa – och grammatiskt korrekta – meningar. Denna utveckling är så snabb att den är svår att studera och är långt ifrån helt förstådd. Faktum är att hur spädbarn lär sig språk är mycket omtvistat, med många konkurrerande teorier bland lingvister.

Nästan alla mänskliga språk kan beskrivas med vad som kallas en kontextfri grammatik – en uppsättning (rekursiva) regler som genererar en trädliknande struktur. De tre huvudaspekterna av en kontextfri grammatik är "icke-terminala" symboler, "terminal" symboler och "produktionsregler". I ett språk är icke-terminala symboler aspekter som substantivfraser eller verbfraser (dvs. delar av meningen som kan delas upp i mindre delar). Terminalsymboler skapas när alla operationer har utförts, såsom de enskilda orden i sig. Slutligen finns det de dolda produktionsreglerna som bestämmer var terminalsymbolerna ska placeras, för att skapa en mening som är vettig.

En mening i ett sammanhangsfritt grammatikspråk kan visualiseras som ett träd, där grenarna är de "icke-terminala" objekten som spädbarnet inte hör när det lär sig språk – som verbfraser och så vidare. Under tiden är trädets löv terminalsymbolerna, eller de faktiska orden som hörs. Till exempel, i meningen "Björnen gick in i grottan", kan "björnen" och "gick in i grottan" delas av för att bilda en substantivfras (NP) respektive en verbfras (VP). Dessa två delar kan sedan delas upp ytterligare tills slutresultatet är enskilda ord inklusive bestämningsfaktorer (Det) och prepositionsfraser (PP) (se figur). När spädbarn lyssnar på människor som pratar i fullformade meningar (som förhoppningsvis är grammatiskt korrekta), exponeras de bara för löven i det trädliknande nätverket (orden och platsen i en mening). Men på något sätt måste de också extrahera språkets regler från blandningen av ord de hör.

2019, Eric De Giuli från Ryerson University i Kanada modellerade denna trädliknande struktur med hjälp av statistisk fysiks verktyg (Phys. Rev Letts. 122 128301). När spädbarn lyssnar justerar de ständigt vikten av möjligheternas grenar när de hör språket. Så småningom får grenar som producerar meningslösa meningar mindre vikt – eftersom de aldrig hörs – jämfört med informationsrika grenar som får större vikt. Genom att kontinuerligt utföra denna ritual för att lyssna, "beskär" barnet trädet över tiden för att förkasta slumpmässiga ordarrangemang, samtidigt som de behåller de med meningsfull struktur. Denna beskärningsprocess minskar både antalet grenar nära trädets yta och de djupare ner.

Den fascinerande aspekten av denna idé ur en fysisk synvinkel är att när vikterna är lika är språket slumpmässigt – vilket kan jämföras med hur värme påverkar partiklar i termodynamiken. Men när vikter läggs till grenarna och justeras för att producera specifika grammatiska meningar, börjar "temperaturen" att minska. De Giuli körde sin modell för 25,000 XNUMX möjliga distinkta "språk" (som inkluderade datorspråk) och fann universellt beteende när det gällde att "sänka temperaturen". Vid en viss tidpunkt sker en kraftig nedgång i vad som är analogt med termodynamisk entropi, eller störning, när språket går från en samling slumpmässiga arrangemang till en som har högt informationsinnehåll. Tänk på en bubblande gryta med blandade ord som tas bort från spisen för att svalna, tills ord och fraser börjar "kristallisera" till en specifik struktur eller grammatik.

Denna plötsliga växling är också besläktad med en fasövergång inom statistisk mekanik – vid en viss punkt växlar språket från ett slumpmässigt virrvarr av ord till ett mycket strukturerat kommunikationssystem som är rikt på information, som innehåller meningar med komplexa strukturer och betydelser. De Giuli tror att denna modell (som han betonar bara är en modell och inte en definitiv slutsats för hur spädbarn lär sig språk) skulle kunna förklara varför ett barn i ett visst utvecklingsstadium lär sig otroligt snabbt att konstruera grammatiska meningar. Det kommer en punkt när de har lyssnat tillräckligt mycket för att allt ska vara meningsfullt för dem. Språket verkar bara vara en barnlek.