Lidské spermie mohou proplouvat hustými tekutinami s úžasnou lehkostí, jako by porušovaly základní fyzikální zákon: třetí Newtonův zákon. Tento objev zdůrazňuje, jak mikroskopické biologické systémy fungují mimo přísná pravidla, kterými se řídí větší, každodenní předměty.
Výzva pro newtonovskou fyziku
Pohybové zákony Sira Isaaca Newtona, formulované v roce 1686, předpokládají v přírodě symetrii – pro každou akci existuje stejná a opačná reakce. Tento princip vysvětluje, proč kolidující míčky předvídatelně odskakují. Tato symetrie však neplatí v chaotických systémech, jako jsou hejna ptáků, částice v kapalinách nebo, jak naznačuje nedávný výzkum, plavající spermie.
Tito mobilní agenti generují svou vlastní energii vytvářením asymetrických interakcí s prostředím. To jim umožňuje obejít omezení třetího Newtonova zákona. Klíčové je, že tyto systémy nejsou v rovnováze; neustálý tok energie mění pravidla.
Jak to dělají spermie
Výzkumníci vedení Kentou Ishimotem z Kjótské univerzity studovali pohyb spermií a řas. Oba používají flexibilní bičíky, aby se poháněli vpřed. Teoreticky by viskózní tekutiny měly rozptýlit energii bičíku a zabránit pohybu. Spermii a řasám se však v těchto podmínkách daří.
Tým zjistil, že ocasy spermií a bičíky řas mají „podivnou elasticitu“. Tato vlastnost jim umožňuje pohybovat se bez výrazné ztráty energie do okolní tekutiny. Další modelování odhalilo nový koncept: „podivný modul pružnosti“, který popisuje vnitřní mechaniku bičíků.
„Od jednoduchých řešitelných modelů až po vlnovité tvary Chlamydomonas a bičíků spermií jsme studovali podivný modul ohybu, abychom dešifrovali nelokální, neobousměrné vnitřní interakce v materiálu,“ uzavřeli vědci.
Důsledky a budoucí aplikace
Tato studie, publikovaná v PRX Life v říjnu 2023, má širší důsledky. Pochopení toho, jak spermie vzdoruje newtonovské fyzice, by mohlo inspirovat k vytvoření malých, samostatně se sestavujících robotů, kteří napodobují živé materiály. Techniky modelování použité v této studii mohou také zlepšit naše chápání kolektivního chování ve složitých systémech.
Tento výzkum zdůrazňuje, že příroda se ne vždy řídí klasickými fyzikálními zákony na mikroskopické úrovni. Tato zjištění mohou vést k přehodnocení toho, jak modelujeme a chápeme biologický pohyb, čímž se otevřou dveře bioinspirovanému designu a lepšímu pochopení základních procesů života.
