Човешките сперматозоиди могат да плуват с лекота през изненадващо вискозни течности – и те сякаш не се съобразяват с третия закон за движението на Нютон, за да го направят. За да разберат как се плъзгат през вещества, които на теория би трябвало да се съпротивляват на движението им, екип, ръководен от Кента Ишимото, математик от университета в Киото, изследвал движенията на сперматозоидите и други микроскопични биологични плувци.
Когато сър Исак Нютон формира своите вече известни закони за движение през 1686 г., той се стреми да обясни връзката между физически обект и силите, действащи върху него, с няколко принципа, които, както се оказва, не са непременно приложими за микроскопични клетки, движещи се през лепкави течности. Третият закон на Нютон може да се обобщи като „за всяко действие има равно и противоположно противодействие“. Той означава особена симетрия в природата, където противоположни сили действат една срещу друга. В най-простия пример, две топчета с еднакъв размер, сблъскващи се, докато се търкалят по земята, ще прехвърлят силата си и ще се отскочат въз основа на този закон.
Резултатите на учените
Природата обаче е хаотична и не всички физически системи са обвързани от тези симетрии. Така наречените нереципрочни взаимодействия се проявяват в непокорни системи, съставени от ята птици, частици в течност – и плуващи сперматозоиди.
Тези подвижни агенти се движат по начини, които показват асиметрични взаимодействия с животните зад тях или течностите, които ги заобикалят, образувайки вратичка за равни и противоположни сили, които да заобиколят третия закон на Нютон.
Тъй като птиците и клетките генерират собствена енергия, която се добавя към системата с всяко махване на крилата им или движение на опашките им, системата е далеч от равновесие и същите правила не важат.
В своето проучване, публикувано през октомври 2023 г., Ишимото и колегите му анализирали експериментални данни за човешки сперматозоиди и също така моделирали движението на зелените водорасли Chlamydomonas. И двете плуват, използвайки тънки, огъващи се флагели, които стърчат от клетъчното тяло и променят формата си или се деформират, за да придвижат клетките напред.
Високовискозните течности обикновено разсейват енергията на флагелума, предотвратявайки движението на сперматозоиди или едноклетъчни водорасли. И все пак, по някакъв начин еластичните флагели могат да задвижват тези клетки, без да провокират реакция от околната среда. Изследователите открили, че опашките на сперматозоидите и флагелите на водораслите имат „странна еластичност“, която позволява на тези гъвкави придатъци да се движат, без да губят много енергия от околната течност.
Но това свойство на странна еластичност не обяснява напълно задвижването от вълнообразното движение на флагелите. Така че от своите моделни изследвания, изследователите извеждат и нов термин, нечетен модул на еластичност, за да опишат вътрешната механика на флагелите.
„От решими прости модели до биологични флагеларни вълнови форми за Chlamydomonas и сперматозоиди, ние изследвахме модула на нестандартно огъване, за да дешифрираме нелокалните, нереципрочни вътрешни взаимодействия в материала“, заключиха изследователите.
Екипът заяви, че откритията биха могли да помогнат при проектирането на малки, самосглобяващи се роботи, имитиращи живи материали, а методите за моделиране биха могли да бъдат използвани за по-добро разбиране на основните принципи на колективното поведение.
Проучването е публикувано в PRX Life.
