Дивовижна фізика немовлят: як ми покращуємо наше розуміння людського розмноження

Зачаття – життя починається при низькому числі Рейнольдса

«[Сперматозоїд] — тваринакула, яка переважно... плаває головою або передньою частиною в моєму напрямку. Хвіст, який, пливучи, віє, як змія, як вугор у воді». Так писав голландський бізнесмен і вчений Антуан ван Левенгук до Королівського товариства в 1670-х роках щодо його спостережень за спермою. Використовуючи виготовлені на замовлення мікроскопи, потужніші за будь-які раніше створені, ван Левенгук першим зазирнув у мікроскопічне царство. Його прилади, які були розміром з долоню, дозволяли йому знімати об’єкти з мікрометровою роздільною здатністю, чітко розрізняючи багато різних типів «тварин», які знаходяться на тілі або в ньому, включаючи сперму.

Незважаючи на гострі спостереження ван Левенгука, знадобилися сотні років, щоб отримати будь-яке чітке уявлення про те, як сперматозоїди можуть рухатися через складні рідини, які існують у жіночому репродуктивному тракті. Перші підказки надійшли наприкінці 1880-х років від ірландський фізик Осборн Рейнольдс який працював в коледжі Оуенса в Англії (нині Манчестерський університет). Протягом цього часу Рейнольдс провів серію експериментів з гідродинаміки, і з них отримав зв'язок між інерцією, яку може забезпечити тіло в рідині, і в'язкістю середовища - числом Рейнольдса. Грубо кажучи, великий об’єкт у рідині, наприклад у воді, матиме велике число Рейнольдса, що означає, що створювані об’єктом сили інерції є домінуючими. Але для мікроскопічного тіла, такого як сперма, найбільший вплив мали б сили в’язкості рідини.

Фізику, яка пояснює цей дивний світ, де домінують сили в’язкості, розробили кілька фізиків у 1950-х роках, у тому числі Джеффрі Тейлор з Кембриджського університету. Проводячи експерименти з використанням гліцерину, високов'язкого середовища, він показав, що за низького числа Рейнольдса фізику плаваючого мікроорганізму можна пояснити "косим рухом". Якщо ви візьмете тонкий циліндр, наприклад соломинку, і дасте йому впасти вертикально в рідину з високою в’язкістю, як-от сироп, він зробить це вертикально – як і можна очікувати. Якщо ви покладете соломинку на бік, вона все одно впаде вертикально, але вдвічі швидше, ніж у вертикальній коробці, через збільшення опору. Однак, коли ви кладете соломинку по діагоналі і дозволяєте їй впасти, вона не рухається вертикально вниз, а падає в діагональному напрямку – так званий косий рух.

Це відбувається тому, що опір уздовж довжини тіла нижчий, ніж у перпендикулярному напрямку, тобто соломинка хоче рухатися вздовж своєї довжини швидше, ніж перпендикулярно, тому вона ковзає як горизонтально, так і падає вертикально. На початку 1950-х Тейлор і Джефф Хенкок з Університету Манчестера, Велика Британія, провели детальні розрахунки того, як може подорожувати сперма. Вони показали, що коли сперматозоїд махає своїм хвостиком, він створює косі рухи в різних частинах, створюючи в’язкий рух.

Сьогодні дослідники будують все складніші моделі того, як плавають сперматозоїди. Ці моделі призначені не лише для теоретичних досліджень, але також мають застосування в техніках допоміжної репродукції. Математик Девід Сміт з Бірмінгемського університету, Великобританія – який працював над динамікою біологічних рідин понад два десятиліття – і колеги розробили методику аналізу сперми. Дубльований Аналіз джгутиків і відстеження сперми (FAST), він може знімати та аналізувати хвостик сперми у вишуканих деталях. На основі зображень він використовує математичні моделі для обчислення сили, яку тіло прикладає до рідини. Пакет також розраховує ефективність плавання сперматозоїда – як далеко він рухається, використовуючи певну кількість енергії.

Команда почала клінічні випробування FAST у 2018 році, і якщо методика буде успішною, вона може допомогти парам оцінити, який тип техніки допоміжної репродукції може їм підійти. Моделювання може показати, наприклад, що «внутрішньоматкова інсемінація» — під час якої сперма промивається, а потім вводиться в матку, минаючи цервікальний канал — може бути настільки ж успішною протягом кількох циклів, як і проведення більш дорогих та інвазивних процедур ЕКЗ. Крім того, їх методика може бути використана для аналізу впливу чоловічої контрацепції. «Цей проект спрямований на використання технологій 21-го століття для вирішення проблем чоловічої фертильності», — каже Сміт.

Вагітність і плацента – дерево життя

Складається з мережі густих фіолетових судин і нагадуючи корж, плацента є життєдайним прибульцем усередині. Орган, унікальний для вагітності, здорова плацента при доношеній формі має діаметр приблизно 22 сантиметри, товщину 2.5 сантиметра та масу приблизно 0.6 кг. Це прямий зв’язок між матір’ю та плодом, який забезпечує плід киснем і поживними речовинами, а також дозволяє йому повертати відходи, такі як вуглекислий газ і сечовина, головний компонент сечі.

З простого набору клітин на ранніх термінах вагітності плацента починає формувати основну структуру, як тільки вона переплітається зі слизовою оболонкою матки. Зрештою це призводить до мережі судин плода, які розгалужуються, утворюючи ворсинчасті дерева – трохи схожі на японські бонсай – які купаються в материнській крові в «міжворсинчастому просторі». Плаценту можна описати як п’ятдесят з’єднаних догори ногами дерев бонсай у верхній частині акваріума, який наповнений кров’ю завдяки перекачуванню кількох материнських артерій у нижній частині.

За оцінками, плацента містить близько 550 кілометрів кровоносних судин плоду – подібна за довжиною до Великого каньйону – загальна площа газообмінної поверхні плаценти становить близько 13 м². Частково труднощі вивчення плаценти пов’язані з цими різними масштабами. Інша проблема полягає в тому, щоб знати, як ця величезна мережа судин плода, кожна з яких має приблизно 200 мкм у поперечнику, в кінцевому підсумку впливає на роботу органу розміром у сантиметр.

Обмін газів між кров’ю матері та плоду відбувається шляхом дифузії через тканину ворсинчастого дерева – при цьому обмін здійснюють судини плода, найближчі до тканини ворсинок. Поєднуючи експериментальні дані з математичним моделюванням складної геометрії кровоносних судин плоду, протягом останнього десятиліття математик Ігор Чернявський з Манчестерського університету і його колеги вивчали транспортування газів та інших поживних речовин у плаценті.

Команда виявила, що незважаючи на неймовірно складну топологію судин плода, існує ключове безрозмірне число, яке може пояснити транспортування різних поживних речовин у плаценті. Визначення хімічного стану суміші є складною проблемою: єдиним «еталонним» станом є рівновага, коли всі реакції врівноважують одна одну і в результаті утворюють стабільний склад.

У 1920-х роках фізико-хімік Герхард Дамкелер намагався визначити зв’язок між швидкістю хімічних реакцій або дифузією за наявності потоку. У цьому нерівноважному сценарії він придумав єдине число – число Дамкелера, яке можна використовувати для порівняння часу, протягом якого «відбувається хімія», зі швидкістю потоку в тому самому регіоні.

Число Дамкелера є корисним, коли йдеться про плаценту, оскільки цей орган поширює розчинені речовини, такі як кисень, глюкоза та сечовина, у присутності кровотоку як плода, так і матері. Тут число Дамкелера визначається як співвідношення між рівнем дифузії та швидкістю кровотоку. Для числа Дамкелера, більшого за одиницю, дифузія домінує та відбувається швидше, ніж швидкість кровотоку, відома як «обмежений потік». Для числа менше одиниці швидкість потоку більша, ніж швидкість дифузії, відома як «обмежена дифузія». Чернявський та співавт виявив, що, незважаючи на різноманітне складне розташування фетальних капілярів у термінальних ворсинках, рух різних газів у капілярах плоду та з них можна описати числом Дамкелера, яке він назвав «об’єднуючим принципом» у плаценті.

Дослідники виявили, наприклад, що чадний газ і глюкоза в плаценті обмежені дифузією, тоді як вуглекислий газ і сечовина більш обмежені. Вважається, що окис вуглецю ефективно обмінюється плацентою, тому куріння матері та забруднене повітря можуть бути небезпечними для дитини. Цікаво те, що кисень майже обмежений потоком і дифузією, що свідчить про те, що конструкція, можливо, оптимізована для газу; що має сенс, оскільки це настільки критично для життя.

Невідомо, чому існує такий широкий діапазон чисел Дамкелера, але одне з можливих пояснень полягає в тому, що плацента повинна бути міцною, враховуючи її багато різних ролей, які включають як живлення, так і захист дитини від пошкоджень. Враховуючи складність експериментального вивчення плаценти обох в утробі матері і коли він народжується на третій стадії народження, ми все ще багато чого не знаємо про цей ефірний орган.

Дитинство – добре говорити

Важко передати, наскільки важко, в принципі, немовлятам сприймати їхню мову – але вони, здається, роблять це надзвичайно добре. Коли немовля виповнюється два-три роки, його мова неймовірно швидко стає складною, і малюки можуть будувати складні – і граматично правильні – речення. Цей розвиток настільки швидкий, що його важко вивчити, і він далекий від повного розуміння. Дійсно, те, як немовлята вивчають мову, викликає гострі суперечки, серед лінгвістів є багато конкуруючих теорій.

Майже всі людські мови можна описати за допомогою так званої контекстно-вільної граматики – набору (рекурсивних) правил, які створюють деревоподібну структуру. Три основні аспекти контекстно-вільної граматики – це «нетермінальні» символи, «термінальні» символи та «правила виробництва». У мові нетермінальні символи — це такі аспекти, як іменники чи дієслова (тобто частини речення, які можна розбити на менші частини). Термінальні символи створюються після виконання всіх операцій, наприклад, самі окремі слова. І, нарешті, є приховані правила створення, які визначають, де мають бути розміщені термінальні символи, щоб створити речення, яке має сенс.

Речення на безконтекстній граматичній мові можна візуалізувати як дерево, гілки якого є «некінцевими» об’єктами, які немовля не чує під час вивчення мови – наприклад, дієслівні фрази тощо. Тим часом листя дерева є термінальними символами або справжніми словами, які чуються. Наприклад, у реченні «Ведмідь зайшов у печеру», «ведмідь» і «зайшов у печеру» можна розділити, щоб утворити словосполучення іменника (NP) і словосполучення (VP) відповідно. Потім ці дві частини можна розділити, доки остаточним результатом не стануть окремі слова, включаючи визначники (Det) і прийменникові фрази (PP) (див. малюнок). Коли немовлята слухають людей, які розмовляють повністю сформованими реченнями (які, сподіваємось, граматично правильні), вони стикаються лише з листочками деревоподібної мережі (словами та місцем у реченні). Але якимось чином їм також доводиться витягувати правила мови із суміші слів, які вони чують.

У 2019, Ерік Де Джулі з університету Райерсона в Канаді змоделювали цю деревоподібну структуру за допомогою інструментів статистичної фізики (фіз. Преподобний Летс. 122 128301). Коли немовлята слухають, вони постійно коригують ваги гілок можливостей, коли вони чують мову. Зрештою, гілки, які виробляють безглузді речення, набувають меншої ваги – тому що їх ніколи не чують – порівняно з багатими інформацією гілками, яким надають більші ваги. Постійно виконуючи цей ритуал слухання, немовля з часом «обрізає» дерево, щоб відкинути випадкові розташування слів, зберігаючи ті, що мають значущу структуру. Цей процес обрізки зменшує кількість гілок біля поверхні дерева та глибше.

Захоплюючий аспект цієї ідеї з фізичної точки зору полягає в тому, що коли ваги рівні, мова є випадковою, що можна порівняти з тим, як тепло впливає на частинки в термодинаміці. Але як тільки до гілок додаються вагові коефіцієнти та регулюються для створення конкретних граматичних речень, «температура» починає знижуватися. Де Джулі запустив свою модель для 25,000 XNUMX можливих різних «мов» (включно з комп’ютерними мовами) і знайшов універсальну поведінку, коли йшлося про «зниження температури». У певний момент відбувається різке падіння, що є аналогом термодинамічної ентропії, або безладу, коли мова переходить від тіла випадкових домовленостей до мови з високим вмістом інформації. Подумайте про киплячу каструлю зі змішаними словами, яку знімають з плити, щоб охолонути, доки слова та фрази не почнуть «кристалізовуватися» у певну структуру чи граматику.

Це різке перемикання також схоже на фазовий перехід у статистичній механіці – у певний момент мова переключається з випадкового набору слів на високоструктуровану комунікаційну систему, багату інформацією, що містить речення зі складною структурою та значеннями. Де Джулі вважає, що ця модель (яка, на його думку, є лише моделлю, а не остаточним висновком щодо того, як немовлята вивчають мову) може пояснити, чому на певному етапі розвитку дитина неймовірно швидко вчиться будувати граматичні речення. Настає момент, коли вони наслухалися достатньо, щоб усе це зрозуміло для них. Мова, здається, просто дитяча забавка.