Menschliche Spermien können mit überraschender Leichtigkeit durch dicke Flüssigkeiten schwimmen und scheinen dabei ein grundlegendes Gesetz der Physik zu brechen: Newtons drittes Bewegungsgesetz. Diese Entdeckung verdeutlicht, wie mikroskopisch kleine biologische Systeme außerhalb der strengen Regeln funktionieren, die für größere Alltagsgegenstände gelten.
Die Herausforderung für die Newtonsche Physik
Sir Isaac Newtons Bewegungsgesetze, die 1686 formuliert wurden, gehen von einer Symmetrie in der Natur aus – für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Dieses Prinzip erklärt, warum kollidierende Murmeln vorhersehbar zurückprallen. Diese Symmetrie gilt jedoch nicht für chaotische Systeme wie Vogelschwärme, Partikel in Flüssigkeiten oder, wie neuere Forschungen zeigen, schwimmende Spermien.
Diese beweglichen Agenten erzeugen ihre eigene Energie und erzeugen asymmetrische Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung. Dadurch können sie die Einschränkungen des dritten Newtonschen Gesetzes umgehen. Der Schlüssel liegt darin, dass diese Systeme nicht im Gleichgewicht sind; Der kontinuierliche Energieeintrag verändert die Regeln.
Wie Spermien es machen
Forscher um Kenta Ishimoto von der Universität Kyoto untersuchten die Bewegung von Spermien und Algen. Beide nutzen flexible Flagellen, um sich vorwärts zu bewegen. Theoretisch sollten viskose Flüssigkeiten die Energie der Flagellen zerstreuen und so eine Bewegung verhindern. Dennoch gedeihen Spermien und Algen in diesen Umgebungen.
Das Team fand heraus, dass Spermienschwänze und Algengeißeln eine „merkwürdige Elastizität“ besitzen. Diese Eigenschaft ermöglicht es ihnen, sich ohne nennenswerten Energieverlust an die umgebende Flüssigkeit zu bewegen. Weitere Modellierungen ergaben ein neues Konzept: einen „ungerade Elastizitätsmodul“, der die interne Mechanik der Flagellen beschreibt.
„Von lösbaren einfachen Modellen bis hin zu biologischen Flagellenwellenformen für Chlamydomonas und Spermien haben wir den ungeraden Biegemodul untersucht, um die nichtlokalen, nichtreziproken inneren Wechselwirkungen innerhalb des Materials zu entschlüsseln“, schlussfolgerten die Forscher.
Implikationen und zukünftige Anwendungen
Diese im Oktober 2023 in PRX Life veröffentlichte Studie hat weitreichende Auswirkungen. Das Verständnis, wie Spermien der Newtonschen Physik trotzen, könnte die Entwicklung kleiner, selbstorganisierender Roboter inspirieren, die lebende Materialien nachahmen. Die in dieser Studie verwendeten Modellierungstechniken könnten auch unser Verständnis des kollektiven Verhaltens in komplexen Systemen verbessern.
Diese Studie unterstreicht, dass sich die Natur auf mikroskopischer Ebene nicht immer an die klassischen physikalischen Gesetze hält. Die Ergebnisse könnten zu einer Neubewertung der Art und Weise führen, wie wir biologische Bewegungen modellieren und verstehen, und so Türen für bioinspirierte Technik und ein tieferes Verständnis der grundlegenden Prozesse des Lebens öffnen.
