令人惊讶的婴儿物理学：我们如何提高对人类生殖的理解

受孕——生命始于低雷诺数

“[精子] 是一种小动物，大多数情况下……它的头部或前部朝向我的方向游泳。 尾巴，游泳时像蛇一样摆动，就像水中的鳗鱼。” 荷兰商人兼科学家如此写道 Antonie van Leeuwenhoek 1670 年代就他对精子的观察向皇家学会发表了演讲。 范列文虎克使用他定制的显微镜，比以前制造的任何东西都更强大，是第一个进入微观领域的人。 他的设备大约只有一只手那么大，可以让他以微米分辨率对物体成像，清楚地分辨出许多不同类型的寄居在身体上或体内的“微生物”，包括精子。

尽管 van Leeuwenhoek 有敏锐的观察力，但人们还是花了数百年时间才对精子如何推动女性生殖道内存在的复杂液体产生任何坚定的认识。 第一条线索出现在 1880 年代后期 爱尔兰物理学家奥斯本雷诺兹 曾在英国欧文斯学院（现曼彻斯特大学）工作。 在此期间，雷诺兹进行了一系列流体动力学实验，并从中得出了物体在液体中所能提供的惯性与介质粘度之间的关系——雷诺数。 粗略地说，液体（例如水）中的大物体具有较大的雷诺数，这意味着物体产生的惯性力占主导地位。 但对于精子等微观物体，液体的粘性力影响最大。

解释这个粘性力占主导地位的奇怪世界的物理学是由 1950 年代的几位物理学家制定的，包括 剑桥大学的 Geoffrey Taylor. 他使用高粘度介质甘油进行实验，表明在低雷诺数下，游动微生物的物理学可以用“倾斜运动”来解释。 如果你拿一根细圆筒，比如一根吸管，让它在糖浆这样的高粘度液体中垂直落下，它会垂直落下——正如你所预料的那样。 如果您将吸管侧放，它仍会垂直下落，但由于增加了阻力，它的下落速度只有直立的一半。 但是，当你把吸管斜着放，让它下落时，它并不是垂直向下运动，而是沿对角线方向下落——这就是所谓的斜向运动。

发生这种情况是因为沿身体长度方向的阻力小于垂直方向的阻力——这意味着吸管沿其长度方向移动的速度要快于垂直方向的速度，因此它会水平滑动和垂直下落。 在 1950 年代初期，英国曼彻斯特大学的泰勒和杰夫汉考克对精子如何移动进行了详细计算。 他们表明，当精子甩动它的尾巴时，它会在不同的部分产生倾斜运动，从而产生粘性推进力。

今天，研究人员正在为精子如何游动建立越来越复杂的模型。 这些模型不仅用于理论见解，而且在辅助生殖技术中也有应用。 数学家 伯明翰大学的 David Smith, 英国 – 从事生物流体动力学研究 二十多年来 - 和同事们开发了一种精子分析技术。 配音 鞭毛分析和精子追踪 (FAST)，它可以对精子的尾巴进行精细的成像和分析。 从图像中，它使用数学模型来计算身体对流体施加了多大的力。 该软件包还计算精子的游泳效率——它使用一定量的能量移动多远。

该团队于 2018 年开始使用 FAST 进行临床试验，如果该技术成功，它可以帮助夫妇评估哪种类型的辅助生殖技术可能适合他们。 例如，模拟可能表明，“宫腔内授精”——清洗精子然后绕过宫颈管注入子宫——在几个周期内可能与进行更昂贵和侵入性的体外受精程序一样成功。 或者，他们的技术可用于帮助分析男性避孕的影响。 “这个项目是关于利用 21 世纪的技术来解决男性生育问题，”史密斯说。

怀孕和胎盘——生命之树

由厚紫色血管网络组成 胎盘就像一个扁平的蛋糕，是内在的赋予生命的外星人。 妊娠特有的器官，足月健康的胎盘直径约22厘米，厚2.5厘米，质量约0.6公斤。 它是母亲和胎儿之间的直接联系，为胎儿提供氧气和营养，并允许它送回废物，例如二氧化碳和尿素（尿液的主要成分）。

从妊娠早期的细胞集合开始，胎盘一旦与子宫内膜交织在一起就开始形成基本结构。 这最终导致形成一个胎儿血管网络，这些血管分支形成长柔毛树——有点像日本盆景——在“绒毛间隙”中沐浴在母体血液中。 胎盘可以说是五十棵连在一起的盆景倒挂在一个充满血液的鱼缸的顶部，这要归功于底部几条母体动脉的泵送。

估计包含约 550 公里的胎儿血管——长度与大峡谷相似——胎盘用于气体交换的总表面积约为 13 m². 研究胎盘的部分困难是由于这些不同的尺度。 另一个问题是了解这个巨大的胎儿血管网络（每个大约 200 微米）如何最终影响厘米级器官的性能。

母体和胎儿血液之间的气体交换是通过绒毛树组织扩散进行的——最接近绒毛组织的胎儿血管被认为正在进行交换。 通过将实验数据与胎儿血管复杂几何形状的数学建模相结合，过去十年数学家 曼彻斯特大学的 Igor Chernyavsky 和同事们一直在研究胎盘中气体和其他营养物质的运输。

该团队发现，尽管胎儿血管的拓扑结构极其复杂，但有一个关键的无量纲数可以解释胎盘中不同营养物质的运输。 确定混合物的化学状态是一个复杂的问题——唯一的“参考”状态是平衡状态，当所有反应相互平衡并最终形成稳定的组成时。

在 1920 年代，物理化学家 Gerhard Damköhler 试图找出流动情况下化学反应或扩散速率的关系。 在这种非平衡情况下，他提出了一个数字——Damköhler 数——可以用来比较“化学反应发生”的时间与同一区域的流速。

Damköhler 数对于胎盘很有用，因为在胎儿和母体血流存在的情况下，该器官会扩散溶质，例如氧气、葡萄糖和尿素。 在这里，Damköhler 数定义为扩散量与血流速率之间的比率。 对于大于 XNUMX 的 Damköhler 数，扩散占主导地位并且比血流速度发生得更快，称为“流量受限”。 对于小于一的数字，流速大于扩散率，称为“扩散受限”。 切尔尼亚夫斯基及其同事 发现，尽管末端绒毛中的胎儿毛细血管有各种复杂的排列，但不同气体进出胎儿毛细血管的运动可以用 Damköhler 数来描述——他称之为胎盘中的“统一原则”。

例如，研究人员发现，胎盘中的一氧化碳和葡萄糖的扩散受限，而二氧化碳和尿素的流动受限更大。 一氧化碳被认为可以通过胎盘进行有效交换，这就是为什么母亲吸烟和空气污染会对婴儿造成危险的原因。 有趣的是，氧气的流动和扩散几乎都受到限制，这表明可能针对气体进行了优化的设计； 这是有道理的，因为它对生活至关重要。

尚不清楚为什么 Damköhler 数的范围如此之广，但一种可能的解释是胎盘必须坚固，因为它有许多不同的作用，包括滋养和保护婴儿免受伤害。 鉴于实验研究胎盘的难度 在子宫内 而当它在第三产程中诞生时，我们对这个虚无缥缈的器官还有很多不了解的地方。

婴儿期——很会说话

从原则上讲，很难表达婴儿学习他们的语言有多难——但他们似乎非常擅长这样做。 当婴儿两到三岁时，他们的语言会以难以置信的速度变得复杂，幼儿能够构建复杂且语法正确的句子。 这种发展如此之快，以至于难以研究，也远未被完全理解。 事实上，对于婴儿如何学习语言存在着激烈的争论，语言学家之间存在许多相互竞争的理论。

几乎所有人类语言都可以用所谓的上下文无关语法来描述——一组生成树状结构的（递归）规则。 上下文无关文法的三个主要方面是“非终结符”符号、“终结符”符号和“产生式规则”。 在一种语言中，非终结符号是名词短语或动词短语（即句子中可以分解成更小部分的部分）之类的方面。 当所有操作都已执行时，会生成终结符，例如单个单词本身。 最后，还有一些隐藏的产生式规则，这些规则决定了终端符号应该放在哪里，以产生一个有意义的句子。

上下文无关语法语言中的一个句子可以想象成一棵树，树枝是婴儿在学习语言时听不到的“非终结”对象——例如动词短语等。 同时，树的叶子是终结符号，或者是听到的实际单词。 例如，在句子“The bear walked into cave”中，“the bear”和“walked into cave”可以拆分成一个名词短语（NP）和一个动词短语（VP）。 然后可以将这两个部分进一步拆分，直到最终结果是包含限定词 (Det) 和介词短语 (PP) 的单个词（见图）。 当婴儿听到人们用完整的句子（希望语法正确）说话时，他们只会接触到树状网络的叶子（句子中的单词和位置）。 但不知何故，他们还必须从他们听到的混合词中提取语言规则。

2019年， 加拿大瑞尔森大学的 Eric De Giuli 使用统计物理学工具对这种树状结构进行建模（物理。 牧师快报。 122 128301). 当婴儿听的时候，他们在听到语言时会不断调整可能性分支的权重。 最终，与赋予较大权重的信息丰富的分支相比，产生无意义句子的分支获得较小的权重——因为它们从未被听到过。 通过不断地执行这种聆听仪式，婴儿会随着时间的推移“修剪”这棵树，以丢弃随机单词排列，同时保留那些具有有意义结构的单词。 这种修剪过程减少了树表面附近的树枝数量和更深处的树枝数量。

从物理学的角度来看，这个想法的迷人之处在于，当权重相等时，语言是随机的——这可以比作热力学中热量如何影响粒子。 但是一旦权重被添加到分支并被调整以产生特定的语法句子，“温度”就开始下降。 De Giuli 针对 25,000 种可能的不同“语言”（包括计算机语言）运行了他的模型，并发现了在“降低温度”方面的普遍行为。 在某一时刻，当语言从随机排列的主体变为具有高信息含量的主体时，类似于热力学熵或无序的东西会急剧下降。 想象一下从炉子上取下冷却的一锅乱七八糟的单词，直到单词和短语开始“结晶”成特定的结构或语法。

这种突然的转换也类似于统计力学中的相变——在某一点上，语言从随机的单词转换为高度结构化的信息丰富的交流系统，包含具有复杂结构和含义的句子。 De Giuli 认为这个模型（他强调这只是一个模型，而不是婴儿如何学习语言的明确结论）可以解释为什么在特定的发展阶段，孩子可以非常快地学习构造语法句子。 当他们听得足够多以至于对他们来说一切都有意义时，就会出现这一点。 语言，似乎只是儿戏。