Ludzkie plemniki mogą przepływać przez gęste płyny z zadziwiającą łatwością, jakby łamały podstawowe prawo fizyki: trzecie prawo Newtona. Odkrycie podkreśla, jak mikroskopijne systemy biologiczne działają poza sztywnymi zasadami rządzącymi większymi, codziennymi obiektami.
Wyzwanie rzucone fizyce Newtona
Prawa ruchu Sir Izaaka Newtona, sformułowane w 1686 roku, zakładają z natury symetrię – na każde działanie przypada równa i przeciwna reakcja. Zasada ta wyjaśnia, dlaczego zderzające się piłki odbijają się w przewidywalny sposób. Jednak ta symetria nie ma zastosowania w układach chaotycznych, takich jak stada ptaków, cząstki cieczy lub, jak sugerują najnowsze badania, pływające plemniki.
Ci mobilni agenci wytwarzają własną energię, tworząc asymetryczne interakcje z otoczeniem. Pozwala im to ominąć ograniczenia trzeciego prawa Newtona. Kluczem jest to, że systemy te nie są w równowadze; stały przepływ energii zmienia zasady.
Jak to robią plemniki
Naukowcy pod kierownictwem Kenty Ishimoto z Uniwersytetu w Kioto badali ruch plemników i glonów. Obaj używają elastycznej wici, aby poruszać się do przodu. Teoretycznie lepkie płyny powinny rozpraszać energię wici, uniemożliwiając ruch. Jednakże plemniki i glony rozwijają się w takich warunkach.
Zespół odkrył, że ogonki plemników i wici glonów mają „dziwną elastyczność”. Ta właściwość pozwala im poruszać się bez znaczącej utraty energii do otaczającego płynu. Dalsze modelowanie ujawniło nową koncepcję: „dziwny moduł sprężystości”, który opisuje wewnętrzną mechanikę wici.
„Od prostych, możliwych do rozwiązania modeli po faliste kształty Chlamydomonas i wici plemników – badaliśmy dziwny moduł zginania, aby rozszyfrować nielokalne, niedwukierunkowe interakcje wewnętrzne w materiale” – podsumowali naukowcy.
Implikacje i przyszłe zastosowania
Badanie to, opublikowane w PRX Life w październiku 2023 r., ma szersze implikacje. Zrozumienie, w jaki sposób plemniki przeciwstawiają się fizyce Newtona, może zainspirować do stworzenia małych, samoorganizujących się robotów, które naśladują żywe materiały. Techniki modelowania zastosowane w tym badaniu mogą również poprawić nasze zrozumienie zachowań zbiorowych w złożonych systemach.
Badania te podkreślają, że natura nie zawsze przestrzega klasycznych praw fizycznych na poziomie mikroskopowym. Odkrycia te mogą prowadzić do ponownej oceny sposobu, w jaki modelujemy i rozumiemy ruch biologiczny, otwierając drzwi do projektowania inspirowanego biologią i lepszego zrozumienia podstawowych procesów życiowych.
