Vật lý đáng ngạc nhiên của trẻ sơ sinh: cách chúng ta cải thiện hiểu biết về sinh sản của con người

Thụ thai – cuộc sống bắt đầu từ số Reynolds thấp

“[Tinh trùng] là một loài động vật chủ yếu… bơi với đầu hoặc phần trước của nó về phía tôi. Cái đuôi mà khi bơi nó quẫy như con rắn, như con lươn trong nước.” Doanh nhân và nhà khoa học người Hà Lan đã viết như vậy Antoine van Leeuwenhoek cho Hiệp hội Hoàng gia vào những năm 1670 liên quan đến những quan sát của ông về tinh trùng. Sử dụng kính hiển vi được chế tạo riêng của mình, loại kính hiển vi mạnh hơn bất kỳ thứ gì được sản xuất trước đó, van Leeuwenhoek là người đầu tiên nhìn vào lĩnh vực kính hiển vi. Các thiết bị của anh ấy, có kích thước bằng một bàn tay, cho phép anh ấy chụp ảnh các vật thể với độ phân giải micromet, phân giải rõ ràng nhiều loại “động vật” khác nhau cư trú trên hoặc trong cơ thể, bao gồm cả tinh trùng.

Bất chấp những quan sát nhạy bén của van Leeuwenhoek, phải mất hàng trăm năm để có được bất kỳ ý tưởng chắc chắn nào về cách tinh trùng có thể di chuyển qua các chất lỏng phức tạp tồn tại trong đường sinh sản của phụ nữ. Những manh mối đầu tiên đến vào cuối những năm 1880 từ Nhà vật lý người Ireland Osborne Reynolds người đã làm việc tại Owens College ở Anh (nay là Đại học Manchester). Trong thời gian đó, Reynolds đã tiến hành một loạt các thí nghiệm về động lực học chất lỏng, và từ đó thu được mối quan hệ giữa quán tính mà một vật thể trong chất lỏng có thể cung cấp và độ nhớt của môi trường – số Reynold. Nói một cách đại khái, một vật thể lớn trong chất lỏng chẳng hạn như nước sẽ có số Reynolds lớn, có nghĩa là lực quán tính do vật thể tạo ra chiếm ưu thế. Nhưng đối với một vật thể cực nhỏ, chẳng hạn như tinh trùng, lực nhớt của chất lỏng sẽ có ảnh hưởng lớn nhất.

Vật lý giải thích thế giới kỳ lạ này, nơi các lực nhớt chiếm ưu thế đã được một số nhà vật lý nghiên cứu vào những năm 1950, bao gồm Geoffrey Taylor từ Đại học Cambridge. Tiến hành các thí nghiệm sử dụng glycerine, một môi trường có độ nhớt cao, ông đã chỉ ra rằng ở số Reynolds thấp, tính chất vật lý của một vi sinh vật bơi lội có thể được giải thích bằng "chuyển động xiên". Nếu bạn lấy một ống trụ mỏng, chẳng hạn như ống hút, và để nó rơi thẳng đứng trong chất lỏng có độ nhớt cao như xi-rô, thì nó sẽ rơi thẳng đứng – như bạn có thể mong đợi. Nếu bạn đặt ống hút nằm nghiêng, ống hút vẫn sẽ rơi thẳng đứng, nhưng nhanh hơn một nửa so với trường hợp thẳng đứng do lực cản tăng lên. Tuy nhiên, khi bạn đặt ống hút theo đường chéo và để nó rơi xuống, nó không di chuyển thẳng đứng xuống dưới mà rơi theo hướng chéo – cái được gọi là chuyển động xiên.

Điều này xảy ra do lực cản dọc theo chiều dài của vật thể thấp hơn theo phương vuông góc – nghĩa là ống hút muốn di chuyển dọc theo chiều dài của nó nhanh hơn so với phương vuông góc, vì vậy nó trượt theo phương ngang cũng như rơi theo phương thẳng đứng. Vào đầu những năm 1950, Taylor và Geoff Hancock từ Đại học Manchester, Vương quốc Anh, đã thực hiện các tính toán chi tiết về cách một tinh trùng có thể di chuyển. Họ chỉ ra rằng khi tinh trùng quất đuôi, nó tạo ra các chuyển động xiên ở các phần khác nhau, tạo ra lực đẩy nhớt.

Ngày nay, các nhà nghiên cứu đang xây dựng các mô hình phức tạp hơn bao giờ hết về cách tinh trùng bơi. Những mô hình này không chỉ dành cho những hiểu biết lý thuyết mà còn có ứng dụng trong các kỹ thuật hỗ trợ sinh sản. nhà toán học David Smith từ Đại học Birmingham, Vương quốc Anh – người đã nghiên cứu về động lực học chất lỏng sinh học trong hơn hai thập kỷ - và các đồng nghiệp đã phát triển một kỹ thuật phân tích tinh trùng. mệnh danh Phân tích trùng roi và theo dõi tinh trùng (FAST), nó có thể chụp ảnh và phân tích chi tiết đuôi tinh trùng. Từ những hình ảnh, nó sử dụng các mô hình toán học để tính toán lực mà cơ thể đang tác dụng lên chất lỏng. Gói này cũng tính toán hiệu quả bơi của tinh trùng – nó di chuyển được bao xa khi sử dụng một lượng năng lượng nhất định.

Nhóm đã bắt đầu thử nghiệm lâm sàng với FAST vào năm 2018 và nếu kỹ thuật này thành công, nó có thể giúp các cặp vợ chồng đánh giá loại kỹ thuật hỗ trợ sinh sản nào phù hợp với họ. Ví dụ, các mô phỏng có thể cho thấy rằng “thụ tinh trong tử cung” – trong đó tinh trùng được rửa sạch và sau đó được tiêm vào tử cung, bỏ qua ống cổ tử cung – có thể thành công trong nhiều chu kỳ giống như thực hiện các thủ thuật IVF đắt tiền và xâm lấn hơn. Ngoài ra, kỹ thuật của họ có thể được sử dụng để giúp phân tích tác động của biện pháp tránh thai dành cho nam giới. Smith cho biết: “Dự án này nhằm khai thác các công nghệ của thế kỷ 21 để giải quyết các vấn đề về khả năng sinh sản của nam giới.

Mang thai và nhau thai – cây sự sống

Bao gồm một mạng lưới các mạch dày màu tím và giống như một chiếc bánh phẳng, nhau thai là sinh vật ngoài hành tinh mang lại sự sống bên trong. Là cơ quan duy nhất của thai kỳ, nhau thai khỏe mạnh khi đủ tháng có đường kính khoảng 22 cm, dày 2.5 cm và có khối lượng khoảng 0.6 kg. Nó là mối liên kết trực tiếp giữa mẹ và thai nhi, cung cấp oxy và chất dinh dưỡng cho thai nhi, đồng thời cho phép thai nhi thải ra ngoài các chất thải như carbon dioxide và urê, một thành phần chính của nước tiểu.

Từ chỗ chỉ là một tập hợp các tế bào trong giai đoạn đầu của thai kỳ, nhau thai bắt đầu hình thành cấu trúc cơ bản khi nó đan xen với niêm mạc tử cung. Điều này cuối cùng dẫn đến một mạng lưới các mạch của thai nhi phân nhánh để tạo thành các cây có nhung mao - hơi giống cây cảnh Nhật Bản - được tắm trong máu mẹ trong "không gian xen kẽ". Nhau thai có thể được mô tả như năm mươi cây bonsai được kết nối lộn ngược trên đỉnh bể cá chứa đầy máu, nhờ vào việc bơm một số động mạch mẹ ở phía dưới.

Ước tính có khoảng 550 km mạch máu thai nhi – có chiều dài tương đương Grand Canyon – tổng diện tích bề mặt trao đổi khí của nhau thai là khoảng 13 m². Một phần khó khăn trong việc nghiên cứu nhau thai là do các thang đo khác nhau này. Một vấn đề khác là biết được mạng lưới mạch máu khổng lồ của thai nhi, mỗi mạch có chiều ngang khoảng 200 μm, cuối cùng ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của một cơ quan có kích thước cm.

Sự trao đổi khí giữa máu của mẹ và thai nhi thông qua sự khuếch tán qua mô cây nhung mao - với các mạch máu của thai nhi gần nhất với mô nhung mao được cho là đang thực hiện quá trình trao đổi. Bằng cách kết hợp dữ liệu thực nghiệm với mô hình toán học về hình học phức tạp của các mạch máu thai nhi, nhà toán học trong thập kỷ qua Igor Chernyavsky từ Đại học Manchester và các đồng nghiệp đã nghiên cứu việc vận chuyển khí và các chất dinh dưỡng khác trong nhau thai.

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng mặc dù cấu trúc liên kết vô cùng phức tạp của các mạch bào thai, vẫn có một con số quan trọng không thứ nguyên có thể giải thích việc vận chuyển các chất dinh dưỡng khác nhau trong nhau thai. Xác định trạng thái hóa học của hỗn hợp là một vấn đề phức tạp – trạng thái “tham chiếu” duy nhất là trạng thái cân bằng, khi tất cả các phản ứng cân bằng lẫn nhau và kết thúc ở một thành phần ổn định.

Vào những năm 1920, nhà hóa học vật lý Gerhard Damköhler đã cố gắng tìm ra mối quan hệ về tốc độ phản ứng hóa học hoặc sự khuếch tán khi có dòng chảy. Trong kịch bản không cân bằng này, ông đã đưa ra một con số duy nhất – số Damköhler – có thể được sử dụng để so sánh thời gian để “hóa học xảy ra” với tốc độ dòng chảy trong cùng một vùng.

Số Damköhler rất hữu ích khi nói đến nhau thai vì cơ quan này đang khuếch tán các chất hòa tan – chẳng hạn như oxy, glucose và urê – với sự có mặt của cả lưu lượng máu của thai nhi và mẹ. Ở đây, số Damköhler được định nghĩa là tỷ lệ giữa lượng khuếch tán so với tốc độ dòng máu. Đối với số Damköhler lớn hơn một, sự khuếch tán chiếm ưu thế và xảy ra nhanh hơn tốc độ dòng máu, được gọi là “giới hạn dòng chảy”. Đối với một số nhỏ hơn một, tốc độ dòng chảy lớn hơn tốc độ khuếch tán, được gọi là "giới hạn khuếch tán". Chernyavsky và cộng sự phát hiện ra rằng, bất chấp sự sắp xếp phức tạp khác nhau của các mao mạch thai nhi trong nhung mao cuối cùng, sự chuyển động của các loại khí khác nhau vào và ra khỏi các mao mạch của thai nhi có thể được mô tả bằng số Damköhler – mà ông gọi là “nguyên tắc hợp nhất” trong nhau thai.

Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng carbon monoxide và glucose trong nhau thai bị hạn chế khuếch tán, trong khi carbon dioxide và urê bị hạn chế lưu lượng nhiều hơn. Carbon monoxide được cho là được trao đổi hiệu quả bởi nhau thai, đó là lý do tại sao người mẹ hút thuốc và ô nhiễm không khí có thể gây nguy hiểm cho em bé. Điều thú vị là oxy gần như bị giới hạn cả dòng chảy và khuếch tán, cho thấy một thiết kế có lẽ đã được tối ưu hóa cho khí; điều đó có ý nghĩa vì nó rất quan trọng đối với cuộc sống.

Không hiểu tại sao lại có nhiều dãy số Damköhler như vậy, nhưng có thể giải thích rằng nhau thai phải khỏe mạnh, với nhiều vai trò khác nhau, bao gồm cả việc nuôi dưỡng và bảo vệ em bé khỏi bị tổn hại. Do khó khăn trong việc nghiên cứu thực nghiệm nhau thai trong tử cung và khi nó được sinh ra trong giai đoạn thứ ba của quá trình sinh nở, vẫn còn rất nhiều điều chúng ta chưa biết về cơ quan siêu phàm này.

Thời thơ ấu - thật tốt khi nói chuyện

Về nguyên tắc, khó có thể diễn tả mức độ khó khăn đối với trẻ sơ sinh trong việc tiếp thu ngôn ngữ của chúng – nhưng chúng có vẻ rất giỏi trong việc này. Khi một đứa trẻ sơ sinh được hai đến ba tuổi, ngôn ngữ của nó trở nên phức tạp một cách cực kỳ nhanh chóng, với những đứa trẻ mới biết đi có thể xây dựng các câu phức tạp – và đúng ngữ pháp –. Sự phát triển này quá nhanh nên rất khó nghiên cứu và còn lâu mới được hiểu đầy đủ. Thật vậy, cách các em bé học ngôn ngữ đang gây tranh cãi gay gắt, với nhiều giả thuyết cạnh tranh giữa các nhà ngôn ngữ học.

Hầu như tất cả các ngôn ngữ của con người đều có thể được mô tả bằng cái được gọi là ngữ pháp phi ngữ cảnh – một bộ quy tắc (đệ quy) tạo ra cấu trúc dạng cây. Ba khía cạnh chính của ngữ pháp phi ngữ cảnh là ký hiệu “không đầu cuối”, ký hiệu “đầu cuối” và “quy tắc sản xuất”. Trong một ngôn ngữ, các ký hiệu không đầu cuối là các khía cạnh giống như cụm danh từ hoặc cụm động từ (tức là các phần của câu có thể được chia thành các phần nhỏ hơn). Các ký hiệu đầu cuối được tạo ra khi tất cả các hoạt động đã được thực hiện, chẳng hạn như chính các từ riêng lẻ. Cuối cùng, có các quy tắc sản xuất ẩn xác định vị trí đặt các ký hiệu đầu cuối để tạo ra một câu có ý nghĩa.

Một câu trong ngôn ngữ ngữ pháp phi ngữ cảnh có thể được hình dung như một cái cây, với các nhánh là những đối tượng “không đầu cuối” mà trẻ sơ sinh không nghe thấy khi học ngôn ngữ – chẳng hạn như cụm động từ, v.v. Trong khi đó, những chiếc lá của cây là những biểu tượng đầu cuối, hoặc những từ thực tế được nghe. Ví dụ, trong câu “Con gấu đi vào hang”, “con gấu” và “đi vào hang” có thể được tách ra để tạo thành cụm danh từ (NP) và cụm động từ (VP), tương ứng. Sau đó, hai phần đó có thể được chia nhỏ hơn nữa cho đến khi kết quả cuối cùng là các từ riêng lẻ bao gồm các từ hạn định (Det) và cụm giới từ (PP) (xem hình). Khi trẻ sơ sinh lắng nghe mọi người nói bằng những câu hoàn chỉnh (hy vọng là đúng ngữ pháp), chúng chỉ tiếp xúc với những chiếc lá của mạng lưới giống như cái cây (các từ và vị trí trong câu). Nhưng bằng cách nào đó, họ cũng phải trích xuất các quy tắc của ngôn ngữ từ hỗn hợp các từ mà họ đang nghe.

Trong 2019, Eric De Giuli từ Đại học Ryerson ở Canada đã lập mô hình cấu trúc dạng cây này bằng các công cụ vật lý thống kê (vật lý. Mục sư Letts. 122 128301). Khi trẻ sơ sinh lắng nghe, chúng liên tục điều chỉnh trọng số của các nhánh khả năng khi chúng nghe thấy ngôn ngữ. Cuối cùng, các nhánh tạo ra các câu vô nghĩa có trọng số nhỏ hơn – bởi vì chúng không bao giờ được nghe thấy – so với các nhánh giàu thông tin được cho trọng số lớn hơn. Bằng cách liên tục thực hiện nghi thức lắng nghe này, trẻ sơ sinh “cắt tỉa” cái cây theo thời gian để loại bỏ các cách sắp xếp từ ngẫu nhiên, trong khi giữ lại những từ có cấu trúc có ý nghĩa. Quá trình cắt tỉa này làm giảm cả số lượng cành gần bề mặt của cây và những cành nằm sâu bên dưới.

Khía cạnh hấp dẫn của ý tưởng này từ quan điểm vật lý là khi các trọng số bằng nhau, ngôn ngữ là ngẫu nhiên – có thể được so sánh với cách nhiệt ảnh hưởng đến các hạt trong nhiệt động lực học. Nhưng một khi các trọng số được thêm vào các nhánh và được điều chỉnh để tạo ra các câu ngữ pháp cụ thể, “nhiệt độ” bắt đầu giảm xuống. De Giuli đã chạy mô hình của mình cho 25,000 “ngôn ngữ” riêng biệt có thể có (bao gồm cả ngôn ngữ máy tính) và tìm thấy hành vi phổ biến khi nói đến “giảm nhiệt độ”. Tại một thời điểm nhất định, có sự sụt giảm mạnh về thứ tương tự như entropy nhiệt động lực học, hay còn gọi là rối loạn, khi ngôn ngữ chuyển từ một cơ thể có sự sắp xếp ngẫu nhiên sang một cơ thể có hàm lượng thông tin cao. Hãy nghĩ về một nồi sủi bọt gồm những từ lộn xộn được lấy ra khỏi bếp để làm nguội, cho đến khi các từ và cụm từ bắt đầu “kết tinh” thành một cấu trúc hoặc ngữ pháp cụ thể.

Sự chuyển đổi đột ngột này cũng giống như một sự chuyển pha trong cơ học thống kê – tại một thời điểm nhất định, ngôn ngữ chuyển từ một mớ hỗn độn ngẫu nhiên của các từ sang một hệ thống giao tiếp có cấu trúc cao, giàu thông tin, chứa các câu có cấu trúc và ý nghĩa phức tạp. De Giuli cho rằng mô hình này (mà ông nhấn mạnh chỉ là một mô hình chứ không phải là một kết luận dứt khoát về cách trẻ sơ sinh học ngôn ngữ) có thể giải thích tại sao ở một giai đoạn phát triển nhất định, một đứa trẻ học cách xây dựng các câu ngữ pháp cực kỳ nhanh chóng. Sẽ đến lúc họ đã nghe đủ để tất cả đều có ý nghĩa với họ. Có vẻ như ngôn ngữ chỉ là trò chơi trẻ con.