ฟิสิกส์ที่น่าประหลาดใจของทารก: วิธีที่เราปรับปรุงความเข้าใจเกี่ยวกับการสืบพันธุ์ของมนุษย์

ปฏิสนธิ – ชีวิตเริ่มต้นที่เลขเรย์โนลด์ต่ำ

“[สเปิร์ม] เป็นสัตว์จำพวกหนึ่งที่ส่วนใหญ่…ว่ายโดยเอาหัวหรือส่วนหน้ามาทางฉัน หางซึ่งเวลาว่ายน้ำจะสะบัดไปมาเหมือนงูเหมือนปลาไหลในน้ำ” ดังนั้นนักธุรกิจและนักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์จึงเขียน อองตวน ฟาน ลีเวนฮุก ให้กับราชสมาคมในปี 1670 เกี่ยวกับการสังเกตสเปิร์มของเขา Van Leeuwenhoek เป็นคนแรกที่ใช้กล้องจุลทรรศน์ที่สร้างขึ้นเองซึ่งทรงพลังกว่าสิ่งใดๆ ที่เคยทำมาก่อน เป็นคนแรกที่มองเข้าไปในขอบเขตของกล้องจุลทรรศน์ อุปกรณ์ของเขาซึ่งมีขนาดประมาณมือ ทำให้เขาสามารถถ่ายภาพวัตถุที่มีความละเอียดระดับไมโครเมตร ซึ่งสามารถแก้ไข "สัตว์" ประเภทต่างๆ ที่อาศัยอยู่บนหรือในร่างกาย รวมทั้งสเปิร์มได้อย่างชัดเจน

แม้ว่า van Leeuwenhoek จะสังเกตอย่างเฉียบพลัน แต่ต้องใช้เวลาหลายร้อยปีกว่าจะได้แนวคิดที่ชัดเจนเกี่ยวกับวิธีที่สเปิร์มสามารถขับเคลื่อนผ่านของเหลวที่ซับซ้อนซึ่งอยู่ภายในระบบสืบพันธุ์เพศหญิง เบาะแสแรกเกิดขึ้นในช่วงปลายทศวรรษที่ 1880 จาก Osborne Reynolds นักฟิสิกส์ชาวไอริช ซึ่งทำงานที่ Owens College ในอังกฤษ (ปัจจุบันคือ University of Manchester) ในช่วงเวลานั้น เรย์โนลด์สได้ทำการทดลองพลวัตของของไหลหลายชุด และจากการทดลองเหล่านั้นได้ความสัมพันธ์ระหว่างความเฉื่อยที่วัตถุในของเหลวสามารถให้ได้และความหนืดของตัวกลาง ซึ่งก็คือหมายเลขของเรย์โนลด์ พูดอย่างคร่าว ๆ วัตถุขนาดใหญ่ในของเหลว เช่น น้ำ จะมีเลขเรย์โนลด์มาก ซึ่งหมายความว่าแรงเฉื่อยที่สร้างขึ้นโดยวัตถุนั้นมีอิทธิพลเหนือ แต่สำหรับวัตถุขนาดเล็ก เช่น สเปิร์ม แรงหนืดของของเหลวจะมีอิทธิพลมากที่สุด

ฟิสิกส์ที่อธิบายโลกที่แปลกประหลาดนี้ซึ่งมีแรงหนืดครอบงำได้ดำเนินการโดยนักฟิสิกส์หลายคนในทศวรรษที่ 1950 รวมถึง Geoffrey Taylor จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. จากการทดลองโดยใช้กลีเซอรีนซึ่งเป็นตัวกลางที่มีความหนืดสูง เขาแสดงให้เห็นว่าที่เลขเรย์โนลด์ต่ำ ฟิสิกส์ของจุลินทรีย์ที่ว่ายน้ำสามารถอธิบายได้ด้วย "การเคลื่อนที่แบบเฉียง" ถ้าคุณเอากระบอกบางๆ เช่น หลอด แล้วปล่อยให้มันตกลงในของเหลวที่มีความหนืดสูง เช่น น้ำเชื่อม มันจะตกลงในแนวตั้งตามที่คุณคาดไว้ หากคุณวางฟางไว้ด้านข้าง ฟางจะยังคงหล่นในแนวตั้ง แต่เร็วกว่ากล่องตั้งตรงครึ่งหนึ่งเนื่องจากแรงดึงที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อคุณวางฟางในแนวทแยงและปล่อยให้ตกลงมา มันจะไม่เคลื่อนลงในแนวดิ่งแต่ตกลงในแนวทแยง ซึ่งเรียกว่าการเคลื่อนที่ในแนวเฉียง

สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากแรงลากตามความยาวของลำตัวนั้นต่ำกว่าในทิศทางตั้งฉาก หมายความว่าฟางต้องการเคลื่อนไปตามความยาวเร็วกว่าในแนวตั้งฉาก ดังนั้นมันจึงไถลในแนวนอนและตกลงในแนวตั้ง ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 เทย์เลอร์และเจฟฟ์ แฮนค็อกจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักรได้ทำการคำนวณอย่างละเอียดว่าสเปิร์มเดินทางได้อย่างไร พวกเขาแสดงให้เห็นว่าเมื่อสเปิร์มแส้หาง มันจะสร้างการเคลื่อนไหวแบบเฉียงในส่วนต่างๆ ทำให้เกิดแรงขับหนืด

ปัจจุบัน นักวิจัยกำลังสร้างแบบจำลองที่ซับซ้อนมากขึ้นสำหรับการว่ายของตัวอสุจิ โมเดลเหล่านี้ไม่ได้มีไว้สำหรับข้อมูลเชิงลึกทางทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังมีการประยุกต์ใช้ในเทคนิคการช่วยการสืบพันธุ์ด้วย นักคณิตศาสตร์ David Smith จากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมสหราชอาณาจักร – ผู้ซึ่งทำงานเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของของไหลทางชีวภาพ กว่าสองทศวรรษ – และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาเทคนิคการวิเคราะห์สเปิร์ม ขนานนาม การวิเคราะห์แฟลกเจลลาและการติดตามสเปิร์ม (FAST) สามารถถ่ายภาพและวิเคราะห์ส่วนหางของตัวอสุจิได้อย่างละเอียด จากภาพ จะใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในการคำนวณว่าร่างกายใช้แรงกับของไหลมากน้อยเพียงใด แพ็คเกจนี้ยังคำนวณประสิทธิภาพการว่ายน้ำของสเปิร์มด้วยว่าสเปิร์มเคลื่อนที่ได้ไกลแค่ไหนโดยใช้พลังงานจำนวนหนึ่ง

ทีมงานได้เริ่มการทดลองทางคลินิกด้วย FAST ในปี 2018 และหากเทคนิคนี้ประสบผลสำเร็จ อาจช่วยให้คู่รักประเมินได้ว่าเทคนิคการช่วยการเจริญพันธุ์แบบใดอาจใช้ได้ผลสำหรับพวกเขา การจำลองอาจแสดงให้เห็นว่า “การผสมเทียมระหว่างมดลูก” ซึ่งอสุจิถูกล้างแล้วฉีดเข้าไปในโพรงมดลูกโดยผ่านช่องปากมดลูก อาจประสบความสำเร็จในหลายๆ รอบพอๆ กับการทำเด็กหลอดแก้วที่มีราคาแพงและรุกราน หรืออาจใช้เทคนิคนี้เพื่อช่วยในการวิเคราะห์ผลกระทบของการคุมกำเนิดของผู้ชาย “โครงการนี้เกี่ยวกับการใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีแห่งศตวรรษที่ 21 เพื่อแก้ปัญหาภาวะมีบุตรยากของผู้ชาย” สมิธกล่าว

การตั้งครรภ์และรก - ต้นไม้แห่งชีวิต

ประกอบด้วยข่ายหนาเป็นลำสีม่วง และมีลักษณะคล้ายเค้กแบน รกคือเอเลี่ยนที่ให้ชีวิตภายใน อวัยวะเฉพาะสำหรับการตั้งครรภ์ รกที่แข็งแรงเมื่อครบกำหนดมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 22 เซนติเมตร หนา 2.5 เซนติเมตร และมีมวลประมาณ 0.6 กิโลกรัม เป็นการเชื่อมโยงโดยตรงระหว่างมารดาและทารกในครรภ์ ทำให้ทารกในครรภ์ได้รับออกซิเจนและสารอาหาร และปล่อยให้ทารกในครรภ์ส่งของเสีย เช่น คาร์บอนไดออกไซด์และยูเรีย ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของปัสสาวะ

จากการรวมตัวกันของเซลล์ในช่วงแรกของการตั้งครรภ์ รกจะเริ่มสร้างโครงสร้างพื้นฐานเมื่อเข้าไปพันกับเยื่อบุมดลูก ในที่สุดสิ่งนี้นำไปสู่เครือข่ายของทารกในครรภ์ที่แตกแขนงออกเพื่อสร้างต้นไม้ที่ชั่วร้าย - คล้ายกับบอนไซญี่ปุ่น - ที่อาบไปด้วยเลือดของมารดาใน "ช่องว่างระหว่างกัน" รกสามารถอธิบายได้เหมือนต้นบอนไซที่เชื่อมต่อกันห้าสิบต้นคว่ำลงที่ด้านบนของตู้ปลาที่เต็มไปด้วยเลือด เนื่องจากการสูบฉีดของหลอดเลือดแดงของมารดาหลายเส้นที่ด้านล่าง

ประมาณว่ามีหลอดเลือดของทารกในครรภ์ยาวประมาณ 550 กิโลเมตร ซึ่งมีความยาวใกล้เคียงกับแกรนด์แคนยอน พื้นที่ผิวรวมของรกสำหรับการแลกเปลี่ยนก๊าซอยู่ที่ประมาณ 13 เมตร². ส่วนหนึ่งของความยากในการตรวจรกเกิดจากขนาดที่แตกต่างกันเหล่านี้ อีกประเด็นหนึ่งคือการรู้ว่าเครือข่ายขนาดใหญ่ของเส้นเลือดของทารกในครรภ์ ซึ่งมีขนาดประมาณ 200 ไมครอน ส่งผลต่อการทำงานของอวัยวะขนาดเซ็นติเมตรอย่างไร

การแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างเลือดของมารดาและทารกในครรภ์จะผ่านการแพร่กระจายผ่านเนื้อเยื่อของต้นไม้ที่ชั่วร้าย โดยเส้นเลือดของทารกในครรภ์ที่อยู่ใกล้กับเนื้อเยื่อของตัวอ่อนที่คิดว่าจะทำการแลกเปลี่ยน โดยการรวมข้อมูลการทดลองเข้ากับการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนของหลอดเลือดของทารกในครรภ์ สำหรับนักคณิตศาสตร์ในทศวรรษที่ผ่านมา Igor Chernyavsky จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ และเพื่อนร่วมงานกำลังศึกษาการขนส่งก๊าซและสารอาหารอื่นๆ ในรก

ทีมงานพบว่าแม้จะมีโทโพโลยีที่ซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อของเส้นเลือดของทารกในครรภ์ แต่ก็ยังมีตัวเลขไร้มิติที่สำคัญที่สามารถอธิบายการขนส่งสารอาหารต่างๆ ในรกได้ การกำหนดสถานะทางเคมีของสารผสมเป็นปัญหาที่ซับซ้อน สถานะ "อ้างอิง" สถานะเดียวคือสภาวะสมดุล เมื่อปฏิกิริยาทั้งหมดสมดุลซึ่งกันและกันและจบลงด้วยองค์ประกอบที่เสถียร

ในปี ค.ศ. 1920 นักเคมีกายภาพ Gerhard Damköhler พยายามที่จะหาความสัมพันธ์ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีหรือการแพร่กระจายเมื่อเกิดการไหล ในสถานการณ์ที่ไม่สมดุลนี้ เขาได้คิดเลขตัวเดียวขึ้นมา ซึ่งก็คือเลข Damköhler ซึ่งสามารถใช้เปรียบเทียบเวลาสำหรับ "เคมีที่จะเกิดขึ้น" กับอัตราการไหลในพื้นที่เดียวกันได้

หมายเลข Damköhler มีประโยชน์เมื่อพูดถึงรก เนื่องจากอวัยวะกำลังกระจายตัวถูกละลาย เช่น ออกซิเจน กลูโคส และยูเรีย ต่อหน้าทั้งการไหลเวียนของเลือดของทารกในครรภ์และมารดา ในที่นี้ หมายเลข Damköhler หมายถึงอัตราส่วนระหว่างปริมาณการแพร่กระจายต่ออัตราการไหลเวียนของเลือด สำหรับหมายเลข Damköhler ที่มากกว่าหนึ่ง การแพร่จะควบคุมและเกิดขึ้นเร็วกว่าอัตราการไหลของเลือด ซึ่งเรียกว่า "การไหลจำกัด" สำหรับจำนวนที่น้อยกว่าหนึ่ง อัตราการไหลจะมากกว่าอัตราการแพร่ ซึ่งเรียกว่า "การแพร่จำกัด" Chernyavsky และเพื่อนร่วมงาน พบว่าแม้จะมีการจัดเรียงที่ซับซ้อนของเส้นเลือดฝอยของทารกในครรภ์ในเทอร์มินัลวิลลัส การเคลื่อนที่ของก๊าซต่างๆ เข้าและออกจากเส้นเลือดฝอยของทารกในครรภ์สามารถอธิบายได้ด้วยหมายเลข Damköhler ซึ่งเขาเรียกว่า "หลักการรวม" ในรก

ตัวอย่างเช่น นักวิจัยพบว่าคาร์บอนมอนอกไซด์และกลูโคสในรกมีการแพร่ที่จำกัด ในขณะที่คาร์บอนไดออกไซด์และยูเรียมีการไหลเวียนที่จำกัดกว่า เชื่อกันว่าก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์สามารถแลกเปลี่ยนได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยรก ซึ่งเป็นสาเหตุที่การสูบบุหรี่ของมารดาและมลพิษทางอากาศอาจเป็นอันตรายต่อทารกได้ น่าประหลาดใจที่ออกซิเจนเกือบจะถูกจำกัดทั้งการไหลและการแพร่กระจาย ซึ่งบ่งชี้ถึงการออกแบบที่อาจปรับให้เหมาะกับก๊าซ ซึ่งสมเหตุสมผลเนื่องจากมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อชีวิต

ไม่ทราบสาเหตุที่ตัวเลข Damköhler มีความหลากหลาย แต่คำอธิบายหนึ่งที่เป็นไปได้คือ รกต้องแข็งแรง เนื่องจากมีบทบาทที่แตกต่างกันมากมาย ซึ่งรวมถึงการบำรุงและปกป้องทารกจากอันตราย ด้วยความยากลำบากในการทดลองศึกษารกทั้งสอง ในมดลูก และเมื่อมันถูกคลอดออกมาในขั้นที่สามของการเกิด ยังมีอีกมากที่เราไม่รู้เกี่ยวกับอวัยวะที่ไม่มีตัวตนนี้

วัยเด็ก - เป็นการดีที่จะพูดคุย

เป็นการยากที่จะบอกว่าโดยหลักการแล้ว การที่ทารกจะเข้าใจภาษาของพวกเขานั้นยากเพียงใด แต่พวกเขาดูเหมือนจะทำได้ดีอย่างน่าทึ่ง เมื่อทารกอายุสองถึงสามขวบ ภาษาของทารกจะซับซ้อนอย่างรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อ โดยเด็กวัยเตาะแตะสามารถสร้างประโยคที่ซับซ้อนและถูกต้องตามหลักไวยากรณ์ได้ การพัฒนานี้เป็นไปอย่างรวดเร็วจนยากแก่การศึกษา และห่างไกลจากความเข้าใจอย่างถ่องแท้ แท้จริงแล้ว วิธีการเรียนรู้ภาษาของทารกนั้นถูกโต้แย้งอย่างรุนแรง โดยมีทฤษฎีที่แข่งขันกันมากมายในหมู่นักภาษาศาสตร์

ภาษามนุษย์เกือบทั้งหมดสามารถอธิบายได้ด้วยสิ่งที่เรียกว่าไวยากรณ์แบบไม่มีบริบท ซึ่งเป็นชุดของกฎ (เรียกซ้ำ) ที่สร้างโครงสร้างแบบต้นไม้ ลักษณะสำคัญสามประการของไวยากรณ์แบบไร้บริบทคือสัญลักษณ์ "ไม่ใช่เทอร์มินัล" สัญลักษณ์ "เทอร์มินัล" และ "กฎการผลิต" ในภาษา สัญลักษณ์ที่ไม่ใช่ขั้วคือลักษณะเช่นนามวลีหรือวลีกริยา (เช่น ส่วนของประโยคที่สามารถแบ่งออกเป็นส่วนย่อยๆ ได้) สัญลักษณ์เทอร์มินัลถูกสร้างขึ้นเมื่อดำเนินการทั้งหมดแล้ว เช่น คำแต่ละคำ สุดท้าย มีกฎการผลิตที่ซ่อนอยู่ซึ่งกำหนดตำแหน่งที่ควรวางสัญลักษณ์เทอร์มินัล เพื่อสร้างประโยคที่เหมาะสม

ประโยคในภาษาไวยากรณ์ที่ไม่มีบริบทสามารถมองเห็นได้ว่าเป็นต้นไม้ โดยกิ่งก้านจะเป็นวัตถุ "ไม่ใช่ขั้ว" ที่ทารกไม่ได้ยินเมื่อเรียนภาษา เช่น วลี กริยา เป็นต้น ส่วนใบของต้นไม้เป็นสัญลักษณ์ปลายทางหรือคำพูดที่ได้ยินจริงๆ ตัวอย่างเช่น ในประโยค “หมีเดินเข้าไปในถ้ำ” สามารถแยก “หมี” และ “เดินเข้าไปในถ้ำ” ออกเป็นนามวลี (NP) และวลีกริยา (VP) ตามลำดับ ทั้งสองส่วนนั้นสามารถแบ่งออกได้อีกจนกระทั่งผลลัพธ์สุดท้ายคือคำแต่ละคำ รวมถึงตัวกำหนด (Det) และวลีบุพบท (PP) (ดูรูป) เมื่อทารกฟังผู้คนพูดในประโยคที่มีรูปแบบครบถ้วนสมบูรณ์ (ซึ่งหวังว่าจะถูกต้องตามหลักไวยากรณ์) พวกเขาจะสัมผัสได้เฉพาะส่วนที่เป็นเครือข่ายคล้ายต้นไม้ (คำและตำแหน่งที่ตั้งในประโยค) แต่อย่างใดพวกเขายังต้องแยกกฎของภาษาออกจากส่วนผสมของคำที่พวกเขาได้ยิน

ใน 2019, Eric De Giuli จากมหาวิทยาลัย Ryerson ในแคนาดา สร้างแบบจำลองโครงสร้างคล้ายต้นไม้นี้โดยใช้เครื่องมือทางฟิสิกส์เชิงสถิติ (ฟิสิกส์ รายได้ Letts 122 128301). ขณะที่ทารกฟัง พวกเขาปรับน้ำหนักของสาขาความเป็นไปได้อย่างต่อเนื่องเมื่อพวกเขาได้ยินภาษา ในที่สุด สาขาที่สร้างประโยคไร้สาระจะได้รับน้ำหนักที่น้อยกว่า เนื่องจากไม่เคยได้ยินมาก่อน เมื่อเทียบกับสาขาที่อุดมด้วยข้อมูลซึ่งให้น้ำหนักที่มากกว่า เมื่อทำพิธีกรรมการฟังนี้อย่างต่อเนื่อง ทารกจะ "ตัด" ต้นไม้เมื่อเวลาผ่านไปเพื่อละทิ้งการจัดเรียงคำแบบสุ่ม ในขณะที่ยังคงรักษาโครงสร้างที่มีความหมายไว้ กระบวนการตัดแต่งกิ่งนี้ช่วยลดทั้งจำนวนกิ่งที่อยู่ใกล้พื้นผิวของต้นไม้และกิ่งที่อยู่ลึกลงไป

แง่มุมที่น่าสนใจของแนวคิดนี้จากมุมมองทางกายภาพก็คือ เมื่อน้ำหนักเท่ากัน ภาษาจะเป็นแบบสุ่ม ซึ่งเปรียบได้กับความร้อนที่ส่งผลต่ออนุภาคในอุณหพลศาสตร์ แต่เมื่อมีการเพิ่มน้ำหนักให้กับกิ่งและปรับเพื่อสร้างประโยคทางไวยากรณ์ที่เฉพาะเจาะจง "อุณหภูมิ" จะเริ่มลดลง De Giuli ใช้แบบจำลองของเขาสำหรับ "ภาษา" ที่แตกต่างกันที่เป็นไปได้ 25,000 ภาษา (ซึ่งรวมถึงภาษาคอมพิวเตอร์) และพบพฤติกรรมที่เป็นสากลเมื่อเป็นเรื่องของ "การลดอุณหภูมิ" เมื่อถึงจุดหนึ่ง สิ่งที่เทียบได้กับเอนโทรปีทางอุณหพลศาสตร์หรือความผิดปกติจะลดลงอย่างรวดเร็ว เมื่อภาษาเปลี่ยนจากการจัดเรียงแบบสุ่มไปเป็นภาษาที่มีเนื้อหาข้อมูลสูง ลองนึกถึงฟองคำที่สับสนวุ่นวายซึ่งถูกนำออกจากเตาเพื่อทำให้เย็น จนกระทั่งคำและวลีเริ่ม "ตกผลึก" เป็นโครงสร้างหรือไวยากรณ์เฉพาะ

การสลับอย่างกะทันหันนี้ยังคล้ายกับการเปลี่ยนเฟสในกลศาสตร์สถิติ เมื่อถึงจุดหนึ่ง ภาษาจะเปลี่ยนจากคำที่สับสนแบบสุ่มไปเป็นระบบการสื่อสารที่มีโครงสร้างสูงซึ่งเต็มไปด้วยข้อมูล ซึ่งมีประโยคที่มีโครงสร้างและความหมายที่ซับซ้อน De Giuli คิดว่าแบบจำลองนี้ (ซึ่งเขาเน้นย้ำว่าเป็นเพียงแบบจำลองและไม่ใช่ข้อสรุปที่แน่ชัดว่าทารกเรียนรู้ภาษาอย่างไร) สามารถอธิบายได้ว่าทำไมในช่วงหนึ่งของพัฒนาการ เด็กจึงเรียนรู้อย่างรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อเพื่อสร้างประโยคทางไวยากรณ์ มีจุดหนึ่งที่พวกเขาได้ฟังมากพอที่จะทำให้เข้าใจได้ทั้งหมด ดูเหมือนว่าภาษาเป็นเพียงการเล่นของเด็ก