Gli spermatozoi umani possono nuotare attraverso fluidi densi con sorprendente facilità, apparentemente infrangendo una legge fondamentale della fisica: la terza legge del movimento di Newton. Questa scoperta evidenzia come i sistemi biologici microscopici operino al di fuori delle rigide regole che governano gli oggetti quotidiani più grandi.
La sfida alla fisica newtoniana
Le leggi del movimento di Sir Isaac Newton, formulate nel 1686, presuppongono una simmetria in natura: per ogni azione c’è una reazione uguale e contraria. Questo principio spiega perché le biglie in collisione rimbalzano in modo prevedibile. Tuttavia, questa simmetria non è vera per i sistemi caotici come stormi di uccelli, particelle nei fluidi o, come mostrano ricerche recenti, sperma che nuota.
Questi agenti mobili generano la propria energia, creando interazioni asimmetriche con l’ambiente circostante. Ciò consente loro di aggirare i vincoli della terza legge di Newton. La chiave è che questi sistemi non sono in equilibrio; il continuo apporto di energia altera le regole.
Come lo fanno gli spermatozoi
I ricercatori guidati da Kenta Ishimoto dell’Università di Kyoto hanno studiato il movimento dello sperma e delle alghe. Entrambi usano flagelli flessibili per spingersi in avanti. In teoria, i fluidi viscosi dovrebbero dissipare l’energia dei flagelli, impedendone il movimento. Tuttavia, lo sperma e le alghe prosperano in questi ambienti.
Il team ha scoperto che le code degli spermatozoi e i flagelli delle alghe possiedono una “strana elasticità”. Questa proprietà consente loro di muoversi senza una significativa perdita di energia nel fluido circostante. Ulteriori modelli hanno rivelato un nuovo concetto: un “modulo elastico dispari”, che descrive la meccanica interna del flagello.
“Dai modelli semplici risolvibili alle forme d’onda flagellari biologiche per Chlamydomonas e cellule spermatiche, abbiamo studiato il modulo di flessione dispari per decifrare le interazioni interne non locali e non reciproche all’interno del materiale”, hanno concluso i ricercatori.
Implicazioni e applicazioni future
Questa ricerca pubblicata su PRX Life nell’ottobre 2023 ha implicazioni più ampie. Comprendere come gli spermatozoi sfidano la fisica newtoniana potrebbe ispirare la progettazione di piccoli robot autoassemblanti che imitano i materiali viventi. Le tecniche di modellazione utilizzate in questo studio potrebbero anche migliorare la nostra comprensione del comportamento collettivo nei sistemi complessi.
Questo studio sottolinea come la natura non sempre aderisce alle leggi fisiche classiche a livello microscopico. I risultati potrebbero stimolare una rivalutazione del modo in cui modelliamo e comprendiamo il movimento biologico, aprendo le porte all’ingegneria bio-ispirata e a una comprensione più profonda dei processi fondamentali della vita.
