Сперматозоиды человека могут плавать в густых жидкостях с удивительной легкостью, словно нарушая фундаментальный закон физики: третий закон Ньютона. Это открытие подчеркивает, как микроскопические биологические системы работают вне жестких правил, управляющих более крупными, повседневными объектами.
Вызов ньютоновской физике
Законы движения сэра Исаака Ньютона, сформулированные в 1686 году, предполагают симметрию в природе – на каждое действие есть равная и противоположная реакция. Этот принцип объясняет, почему сталкивающиеся шарики отскакивают предсказуемо. Однако эта симметрия не действует в хаотичных системах, таких как стаи птиц, частицы в жидкостях или, как показывают недавние исследования, плавающие сперматозоиды.
Эти подвижные агенты генерируют собственную энергию, создавая асимметричные взаимодействия с окружающей средой. Это позволяет им обходить ограничения третьего закона Ньютона. Ключевым является то, что эти системы находятся не в равновесии; постоянный приток энергии изменяет правила.
Как это делают сперматозоиды
Исследователи во главе с Кентой Исимото из Киотского университета изучили движение сперматозоидов и водорослей. Оба используют гибкие жгутики для продвижения вперед. Теоретически, вязкие жидкости должны рассеивать энергию жгутика, предотвращая движение. Однако сперматозоиды и водоросли преуспевают в этих условиях.
Команда обнаружила, что хвосты сперматозоидов и жгутики водорослей обладают «странной эластичностью». Это свойство позволяет им двигаться без значительных потерь энергии в окружающую жидкость. Дальнейшее моделирование выявило новую концепцию: «странный модуль упругости», описывающий внутреннюю механику жгутиков.
«Начиная с простых решаемых моделей и заканчивая волнообразными формами жгутиков хламидомонады и сперматозоидов, мы изучили странный модуль изгиба, чтобы расшифровать нелокальные, недвусторонние внутренние взаимодействия внутри материала», – заключили исследователи.
Последствия и будущие применения
Это исследование, опубликованное в PRX Life в октябре 2023 года, имеет более широкие последствия. Понимание того, как сперматозоиды бросают вызов ньютоновской физике, может вдохновить на создание небольших, самособирающихся роботов, имитирующих живые материалы. Методы моделирования, использованные в этом исследовании, также могут улучшить наше понимание коллективного поведения в сложных системах.
Это исследование подчеркивает, что природа не всегда следует классическим физическим законам на микроскопическом уровне. Эти выводы могут привести к переоценке того, как мы моделируем и понимаем биологическое движение, открывая двери для биоинспирированного проектирования и более глубокого понимания фундаментальных процессов жизни.
