Sel sperma manusia dapat berenang melalui cairan kental dengan sangat mudah, hal ini tampaknya melanggar hukum dasar fisika: hukum ketiga Newton tentang gerak. Penemuan ini menyoroti bagaimana sistem biologis mikroskopis beroperasi di luar aturan kaku yang mengatur objek sehari-hari yang lebih besar.
Tantangan Fisika Newton
Hukum gerak Sir Isaac Newton, yang dirumuskan pada tahun 1686, mengasumsikan sifat simetri – untuk setiap aksi, ada reaksi yang sama besar dan berlawanan arah. Prinsip ini menjelaskan mengapa kelereng yang bertabrakan dapat memantul kembali. Namun, simetri ini tidak berlaku untuk sistem yang kacau seperti kawanan burung, partikel dalam cairan, atau, seperti yang ditunjukkan oleh penelitian terbaru, sperma yang berenang.
Agen motil ini menghasilkan energinya sendiri, menciptakan interaksi asimetris dengan lingkungannya. Hal ini memungkinkan mereka untuk melewati batasan hukum ketiga Newton. Kuncinya adalah sistem ini tidak berada pada keseimbangan; masukan energi yang terus menerus mengubah aturan.
Bagaimana Sel Sperma Melakukannya
Para peneliti yang dipimpin oleh Kenta Ishimoto di Universitas Kyoto menyelidiki pergerakan sperma dan alga. Keduanya menggunakan flagela fleksibel untuk mendorong dirinya ke depan. Secara teori, cairan kental seharusnya menghilangkan energi flagela, sehingga mencegah pergerakan. Namun, sperma dan ganggang tumbuh subur di lingkungan ini.
Tim menemukan bahwa ekor sperma dan flagela alga memiliki “elastisitas yang aneh.” Properti ini memungkinkan mereka untuk bergerak tanpa kehilangan energi yang signifikan terhadap cairan di sekitarnya. Pemodelan lebih lanjut mengungkapkan konsep baru: sebuah “modulus elastis ganjil”, yang menggambarkan mekanisme internal flagela.
“Dari model sederhana yang dapat dipecahkan hingga bentuk gelombang flagellar biologis untuk Chlamydomonas dan sel sperma, kami mempelajari modulus pembengkokan ganjil untuk menguraikan interaksi dalam nonlokal dan nontimbal balik dalam material,” para peneliti menyimpulkan.
Implikasi dan Penerapan di Masa Depan
Penelitian yang dipublikasikan di PRX Life pada Oktober 2023 ini memiliki implikasi yang lebih luas. Memahami bagaimana sel sperma menentang fisika Newton dapat menginspirasi desain robot kecil yang dapat dirakit sendiri dan meniru materi hidup. Teknik pemodelan yang digunakan dalam penelitian ini juga dapat meningkatkan pemahaman kita tentang perilaku kolektif dalam sistem yang kompleks.
Studi ini menggarisbawahi bagaimana alam tidak selalu mematuhi hukum fisika klasik pada tingkat mikroskopis. Temuan ini mungkin mendorong evaluasi ulang tentang bagaimana kita memodelkan dan memahami gerakan biologis, membuka pintu bagi rekayasa yang terinspirasi dari biologi, dan pemahaman yang lebih dalam tentang proses fundamental kehidupan.
