Menselijke zaadcellen kunnen met verrassend gemak door dikke vloeistoffen zwemmen, waardoor ze schijnbaar een fundamentele natuurwet overtreden: de derde bewegingswet van Newton. Deze ontdekking benadrukt hoe microscopisch kleine biologische systemen opereren buiten de rigide regels voor grotere, alledaagse objecten.
De uitdaging voor de Newtoniaanse natuurkunde
De bewegingswetten van Sir Isaac Newton, geformuleerd in 1686, gaan uit van een symmetrie in de natuur: voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie. Dit principe verklaart waarom botsende knikkers voorspelbaar terugveren. Deze symmetrie geldt echter niet voor chaotische systemen zoals zwermen vogels, deeltjes in vloeistoffen of, zoals recent onderzoek aantoont, zwemmend sperma.
Deze beweeglijke agenten genereren hun eigen energie en creëren asymmetrische interacties met hun omgeving. Hierdoor kunnen ze de beperkingen van de derde wet van Newton omzeilen. De sleutel is dat deze systemen niet in evenwicht zijn; de voortdurende energie-input verandert de regels.
Hoe spermacellen het doen
Onderzoekers onder leiding van Kenta Ishimoto van de Universiteit van Kyoto onderzochten de beweging van sperma en algen. Beiden gebruiken flexibele flagella om zichzelf voort te stuwen. In theorie zouden stroperige vloeistoffen de energie van de flagella moeten verdrijven, waardoor beweging wordt voorkomen. Toch gedijen sperma en algen in deze omgevingen.
Het team ontdekte dat spermastaarten en algenflagels een ‘vreemde elasticiteit’ bezitten. Dankzij deze eigenschap kunnen ze bewegen zonder aanzienlijk energieverlies naar de omringende vloeistof. Verdere modellering bracht een nieuw concept aan het licht: een “vreemde elastische modulus”, die de interne mechanica van de flagella beschrijft.
“Van oplosbare eenvoudige modellen tot biologische flagellaire golfvormen voor Chlamydomonas en spermacellen, we hebben de vreemde buigmodulus bestudeerd om de niet-lokale, niet-wederkerige innerlijke interacties binnen het materiaal te ontcijferen”, concludeerden de onderzoekers.
Implicaties en toekomstige toepassingen
Dit onderzoek, gepubliceerd in PRX Life in oktober 2023, heeft bredere implicaties. Begrijpen hoe spermacellen de Newtoniaanse fysica trotseren, zou een inspiratie kunnen zijn voor het ontwerp van kleine, zelfassemblerende robots die levende materialen nabootsen. De modelleringstechnieken die in dit onderzoek worden gebruikt, kunnen ook ons begrip van collectief gedrag in complexe systemen verbeteren.
Deze studie onderstreept hoe de natuur zich op microscopisch niveau niet altijd aan de klassieke natuurkundige wetten houdt. De bevindingen kunnen aanleiding geven tot een herevaluatie van de manier waarop we biologische beweging modelleren en begrijpen, waardoor deuren worden geopend voor bio-geïnspireerde techniek en een dieper begrip van de fundamentele processen van het leven.
