Bebeklerin şaşırtıcı fiziği: insan üreme anlayışımızı nasıl geliştiriyoruz?

Gebelik - hayat düşük Reynolds sayısında başlar

“[Sperm] çoğunlukla… başı veya ön kısmı benim yönüme gelecek şekilde yüzen bir hayvandır. Yüzerken yılan benzeri bir hareket gibi, sudaki yılan balıkları gibi kırbaçlanan kuyruk.” Hollandalı işadamı ve bilim adamı böyle yazdı Antonie van Leeuwenhoek 1670'lerde sperm gözlemleriyle ilgili olarak Kraliyet Cemiyeti'ne. Van Leeuwenhoek, daha önce yapılmış her şeyden daha güçlü olan özel yapım mikroskoplarını kullanarak mikroskobik alemin içine bakan ilk kişi oldu. Yaklaşık bir el büyüklüğündeki cihazları, sperm de dahil olmak üzere vücudun üzerinde veya içinde bulunan birçok farklı türdeki "hayvanı" net bir şekilde çözerek nesneleri mikrometre çözünürlüğünde görüntülemesine izin verdi.

Van Leeuwenhoek'in keskin gözlemlerine rağmen, spermin dişi üreme sisteminde var olan karmaşık sıvılardan nasıl ilerleyebileceğine dair kesin bir fikir edinmek yüzlerce yıl aldı. İlk ipuçları 1880'lerin sonlarında geldi. İrlandalı fizikçi Osborne Reynolds İngiltere'deki Owens College'da (şimdi Manchester Üniversitesi) çalıştı. Bu süre zarfında Reynolds bir dizi akışkan dinamiği deneyi yürüttü ve bunlardan bir sıvı içindeki bir cismin sağlayabileceği atalet ile ortamın viskozitesi arasında bir ilişki - Reynold sayısı elde etti. Kabaca konuşursak, su gibi bir sıvı içindeki büyük bir nesne, büyük bir Reynolds sayısına sahip olacaktır, bu da nesne tarafından oluşturulan atalet kuvvetlerinin baskın olduğu anlamına gelir. Ancak sperm gibi mikroskobik bir cisim için en fazla etkiye sahip olan sıvının viskoz kuvvetleri olacaktır.

Akışkan kuvvetlerin egemen olduğu bu garip dünyayı açıklayan fizik, 1950'lerde birçok fizikçi tarafından geliştirildi. Cambridge Üniversitesi'nden Geoffrey Taylor. Yüksek viskoziteli bir ortam olan gliserin kullanarak deneyler yaparak, düşük bir Reynolds sayısında yüzen bir mikroorganizmanın fiziğinin "eğik hareket" ile açıklanabileceğini gösterdi. Pipet gibi ince bir silindiri alıp şurup gibi yüksek viskoziteli bir sıvıya dik olarak bırakırsanız, tahmin edebileceğiniz gibi bunu dikey olarak yapacaktır. Pipeti yan yatırırsanız, yine dikey olarak düşecektir, ancak artan sürükleme nedeniyle dikey durumdakinin yarısı kadar hızlı düşecektir. Bununla birlikte, pipeti çapraz olarak koyup düşmesine izin verdiğinizde, dikey olarak aşağı doğru hareket etmez, çapraz yönde düşer - bu, eğik hareket olarak bilinir.

Bunun nedeni, gövde boyunca sürüklemenin dikey yöndekinden daha düşük olmasıdır - yani saman, uzunluğu boyunca dik yönde olduğundan daha hızlı hareket etmek ister, bu nedenle dikey olarak düşmenin yanı sıra yatay olarak da kayar. 1950'lerin başında İngiltere'deki Manchester Üniversitesi'nden Taylor ve Geoff Hancock, bir spermin nasıl seyahat edebileceğine dair ayrıntılı hesaplamalar yaptılar. Sperm kuyruğunu sallarken, farklı bölümlerde eğik hareketler oluşturarak viskoz itme gücü ürettiğini gösterdiler.

Bugün araştırmacılar, spermlerin nasıl yüzdüğüne dair her zamankinden daha karmaşık modeller inşa ediyorlar. Bu modeller sadece teorik bilgiler için değil, aynı zamanda yardımcı üreme tekniklerinde de uygulamaları var. Matematikçi Birmingham Üniversitesi'nden David Smith, BK – biyolojik akışkan dinamiği üzerinde çalışmış olan yirmi yılı aşkın bir süredir - ve meslektaşları bir sperm analizi tekniği geliştirdiler. dublajlı Flagella Analizi ve Sperm Takibi (HIZLI), bir spermin kuyruğunu en ince ayrıntısına kadar görüntüleyebilir ve analiz edebilir. Görüntülerden, vücudun sıvıya ne kadar kuvvet uyguladığını hesaplamak için matematiksel modeller kullanır. Paket ayrıca spermin yüzme verimliliğini, yani belirli bir miktarda enerji kullanarak ne kadar uzağa hareket ettiğini hesaplar.

Ekip, 2018'de FAST ile klinik deneylere başladı ve teknik başarılı olursa, çiftlerin kendileri için ne tür bir yardımcı üreme tekniğinin işe yarayabileceğini değerlendirmelerine yardımcı olabilir. Simülasyonlar, örneğin, spermin yıkandığı ve ardından servikal kanalı atlayarak rahme enjekte edildiği "rahim içi tohumlamanın" birkaç döngüde daha pahalı ve invaziv IVF prosedürlerini gerçekleştirmek kadar başarılı olabileceğini gösterebilir. Alternatif olarak, teknikleri erkek doğum kontrolünün etkisini analiz etmeye yardımcı olmak için kullanılabilir. Smith, "Bu proje, erkek doğurganlık sorunlarını ele almak için 21. yüzyıl teknolojilerinden yararlanmakla ilgili" diyor.

Hamilelik ve plasenta – hayat ağacı

Kalın mor damarlardan oluşan bir ağdan oluşur ve yassı bir pastayı andıran plasenta, içindeki hayat veren yabancıdır. Hamileliğe özgü bir organ olan miadda sağlıklı bir plasenta yaklaşık 22 cm çapında, 2.5 cm kalınlığında ve yaklaşık 0.6 kg ağırlığındadır. Anne ve fetüs arasında doğrudan bir bağlantıdır, fetüse oksijen ve besin sağlar ve idrarın önemli bir bileşeni olan karbondioksit ve üre gibi atık ürünleri geri göndermesine izin verir.

Erken gebelikte sadece bir hücre koleksiyonundan, plasenta rahmin astarıyla iç içe geçtiğinde temel bir yapı oluşturmaya başlar. Bu, nihayetinde, "intervillous boşlukta" anne kanıyla yıkanan villöz ağaçları oluşturmak için dallanan bir cenin damarları ağına yol açar - biraz Japon bonsailerine benzer. Plasenta, alttaki birkaç ana atardamarın pompalaması sayesinde kanla dolu bir akvaryumun tepesinde baş aşağı bağlı elli bonsai ağacı olarak tanımlanabilir.

Büyük Kanyon'a benzer uzunlukta yaklaşık 550 kilometre fetal kan damarı içerdiği tahmin edilmektedir - plasentanın gaz değişimi için toplam yüzey alanı yaklaşık 13 m'dir.². Plasentayı incelemenin zorluğunun bir kısmı bu değişen ölçeklerden kaynaklanmaktadır. Diğer konu ise, her biri yaklaşık 200 mikron çapında olan bu büyük fetal damar ağının santimetre ölçeğindeki bir organın performansını nihai olarak nasıl etkilediğini bilmektir.

Maternal ve fetal kan arasındaki gaz alışverişi villöz dokuya en yakın fetal damarların alışverişi yaptığı düşünülürken villus ağacı dokusu yoluyla difüzyon yoluyla gerçekleşir. Son on yıldır matematikçi, deneysel verileri fetal kan damarlarının karmaşık geometrisinin matematiksel modellemesiyle birleştirerek Manchester Üniversitesi'nden Igor Chernyavsky ve meslektaşları, plasentada gazların ve diğer besinlerin taşınmasını inceliyorlar.

Ekip, fetal damarların inanılmaz derecede karmaşık topolojisine rağmen, plasentada farklı besin maddelerinin taşınmasını açıklayabilen, boyutsuz, önemli bir sayı olduğunu buldu. Bir karışımın kimyasal durumunu belirlemek karmaşık bir problemdir - tek "referans" durum, tüm reaksiyonların birbirini dengelediği ve kararlı bir bileşimde son bulduğu denge durumudur.

1920'lerde fiziksel kimyacı Gerhard Damköhler, bir akış varlığında kimyasal reaksiyonların veya difüzyonun hızı için bir ilişki kurmaya çalıştı. Bu denge dışı senaryoda, "kimyanın gerçekleşmesi" için geçen süreyi aynı bölgedeki akış hızıyla karşılaştırmak için kullanılabilecek tek bir sayı - Damköhler sayısı - buldu.

Damköhler sayısı, plasenta söz konusu olduğunda yararlıdır çünkü organ, hem fetal hem de maternal kan akışının varlığında oksijen, glikoz ve üre gibi çözünenleri difüze eder. Burada Damköhler sayısı, difüzyon miktarının kan akış hızına oranı olarak tanımlanır. Birden büyük bir Damköhler sayısı için difüzyon hakimdir ve "akış sınırlı" olarak bilinen kan akış hızından daha hızlı gerçekleşir. Birden küçük bir sayı için akış hızı, "sınırlı difüzyon" olarak bilinen difüzyon hızından daha yüksektir. Chernyavsky ve meslektaşları Terminal villustaki fetal kılcal damarların çeşitli karmaşık düzenlemelerine rağmen, farklı gazların fetal kılcal damarların içine ve dışına hareketinin, plasentada "birleştirici ilke" olarak adlandırdığı Damköhler sayısı ile tanımlanabileceğini buldu.

Araştırmacılar, örneğin, plasentadaki karbon monoksit ve glikozun difüzyonla sınırlı olduğunu, karbondioksit ve ürenin ise daha fazla akışla sınırlı olduğunu buldular. Karbon monoksitin plasenta tarafından verimli bir şekilde değiştirildiği düşünülmektedir, bu nedenle annenin sigara içmesi ve hava kirliliği bebek için tehlikeli olabilir. Şaşırtıcı bir şekilde, oksijen hem akış hem de difüzyonla sınırlı olmaya yakındır, bu da belki de gaz için optimize edilmiş bir tasarım önerir; yaşam için çok kritik olduğu düşünüldüğünde bu mantıklı.

Damköhler sayılarının neden bu kadar geniş olduğu bilinmemekle birlikte olası bir açıklama, plasentanın hem bebeği beslemek hem de zarar görmekten korumak gibi birçok farklı rolü göz önüne alındığında sağlam olması gerektiğidir. Plasentayı deneysel olarak incelemenin zorluğu göz önüne alındığında, hem rahimde ve doğumun üçüncü aşamasında doğduğunda, bu eterik organ hakkında hala bilmediğimiz çok şey var.

Bebeklik - konuşmak güzel

Prensipte bebeklerin dillerini kavramasının ne kadar zor olduğunu ifade etmek zordur - ama bunu yapmada oldukça iyi görünüyorlar. Bir bebek iki ila üç yaşlarındayken, yeni yürümeye başlayan çocukların karmaşık - ve gramer açısından doğru - cümleler kurabilmesiyle, dili inanılmaz derecede hızlı bir şekilde karmaşık hale gelir. Bu gelişme o kadar hızlıdır ki üzerinde çalışılması güçtür ve tam olarak anlaşılmaktan uzaktır. Gerçekten de, bebeklerin dili nasıl öğrendikleri, dilbilimciler arasında birbiriyle yarışan birçok teoriyle hararetli bir şekilde tartışılmaktadır.

Neredeyse tüm insan dilleri, bağlamdan bağımsız bir dilbilgisi olarak bilinen, ağaç benzeri bir yapı oluşturan bir dizi (yinelemeli) kuralla tanımlanabilir. Bağlamdan bağımsız dilbilgisinin üç ana yönü, "terminal olmayan" semboller, "terminal" semboller ve "üretim kuralları"dır. Bir dilde, terminal olmayan semboller, isim tamlamaları veya fiil tamlamaları gibi yönlerdir (yani cümlenin daha küçük parçalara bölünebilen bölümleri). Terminal sembolleri, tek tek kelimeler gibi tüm işlemler yapıldığında üretilir. Son olarak, mantıklı bir cümle oluşturmak için terminal sembollerinin nereye yerleştirilmesi gerektiğini belirleyen gizli üretim kuralları vardır.

Bağlamdan bağımsız bir dilbilgisi dilindeki bir cümle, dalların bebeğin dili öğrenirken duymadığı fiil öbekleri gibi "uçsuz" nesneler olduğu bir ağaç olarak görselleştirilebilir. Bu arada ağacın yaprakları terminal sembolleri veya duyulan gerçek kelimelerdir. Örneğin, “Ayı mağaraya yürüdü” cümlesinde, “ayı” ve “mağaraya yürüdü” cümlesi, sırasıyla bir isim tamlaması (NP) ve bir fiil tamlaması (VP) oluşturmak üzere bölünebilir. Bu iki kısım daha sonra, belirleyiciler (Det) ve edat cümleleri (PP) dahil olmak üzere nihai sonuç ayrı kelimeler olana kadar daha fazla bölünebilir (şekle bakın). Bebekler, tamamen oluşturulmuş cümlelerle (umarız dilbilgisi açısından doğru olan) konuşan insanları dinlediklerinde, yalnızca ağaç benzeri ağın yapraklarına (cümledeki kelimeler ve konum) maruz kalırlar. Ama bir şekilde, duydukları kelimelerin karışımından dilin kurallarını da çıkarmak zorundadırlar.

2019 olarak, Kanada'daki Ryerson Üniversitesi'nden Eric De Giuli istatistiksel fiziğin araçlarını kullanarak bu ağaç benzeri yapıyı modelledi (fizik Rahip Letts. 122 128301). Bebekler dinlerken, dili duydukça olasılık dallarının ağırlıklarını sürekli olarak ayarlarlar. Sonunda, anlamsız cümleler üreten dallar, daha büyük ağırlıklar verilen bilgi bakımından zengin dallara kıyasla - çünkü hiç duyulmadıkları için - daha küçük ağırlıklar kazanırlar. Bebek, bu dinleme ritüelini sürekli olarak gerçekleştirerek, anlamlı yapıya sahip olanları korurken rastgele sözcük düzenlemelerini atmak için ağacı zaman içinde "budar". Bu budama işlemi, hem ağacın yüzeyine yakın dal sayısını hem de daha derindeki dal sayısını azaltır.

Bu fikrin fiziksel açıdan büyüleyici yönü, ağırlıklar eşit olduğunda, dilin rastgele olmasıdır - bu, ısının termodinamikteki parçacıkları nasıl etkilediğiyle karşılaştırılabilir. Ancak dallara ağırlıklar eklendiğinde ve belirli gramer cümleleri oluşturacak şekilde ayarlandığında, "sıcaklık" düşmeye başlar. De Giuli, modelini 25,000 olası farklı "dil" (bilgisayar dilleri dahil) için çalıştırdı ve iş "sıcaklığı düşürmeye" geldiğinde evrensel davranış buldu. Belirli bir noktada, dil bir rastgele düzenlemeler bütününden yüksek bilgi içeriğine sahip bir dile geçtiğinde, termodinamik entropiye veya düzensizliğe benzer olan şeyde keskin bir düşüş olur. Kelimeler ve deyimler belirli bir yapıya veya dilbilgisine "kristalize" başlayana kadar soğuması için ocaktan alınan, kaynayan, birbirine karışmış kelimelerden oluşan bir tencere düşünün.

Bu ani geçiş aynı zamanda istatistiksel mekanikteki bir faz geçişine benzer - belirli bir noktada, dil rastgele bir kelime karmaşasından karmaşık yapılara ve anlamlara sahip cümleler içeren, bilgi açısından zengin, oldukça yapılandırılmış bir iletişim sistemine geçer. De Giuli, bu modelin (sadece bir model olduğunu ve bebeklerin dili nasıl öğrendiğine dair kesin bir sonuç olmadığını vurguluyor), bir çocuğun neden belirli bir gelişim aşamasında dilbilgisi cümleleri kurmayı inanılmaz derecede hızlı öğrendiğini açıklayabileceğini düşünüyor. Öyle bir an gelir ki, her şeyi kendilerine anlam vermeye yetecek kadar dinlemişlerdir. Görünüşe göre dil sadece bir çocuk oyuncağı.