Сперматозоїди людини можуть плавати в густих рідинах із дивовижною легкістю, немов порушуючи фундаментальний закон фізики: третій закон Ньютона. Це відкриття підкреслює, як мікроскопічні біологічні системи працюють поза жорсткими правилами, які управляють більшими, повсякденними об’єктами.
Виклик ньютонівській фізиці
Закони руху сера Ісаака Ньютона, сформульовані в 1686 році, передбачають симетрію в природі – на кожну дію є рівна та протилежна реакція. Цей принцип пояснює, чому кульки, що зіштовхуються, відскакують передбачувано. Однак ця симетрія не діє в хаотичних системах, таких як зграї птахів, частинки в рідинах або, як показують недавні дослідження, сперматозоїди плавають.
Ці рухливі агенти генерують власну енергію, створюючи асиметричні взаємодії з довкіллям. Це дозволяє їм обходити обмеження третього закону Ньютона. Ключовим і те, що це системи перебувають над рівновазі; постійний приплив енергії змінює правила.
Як це роблять сперматозоїди
Дослідники на чолі з Кентою Ісімото з Кіотського університету вивчили рух сперматозоїдів та водоростей. Обидва використовують гнучкі джгутики для просування вперед. Теоретично, в’язкі рідини повинні розсіювати енергію джгутика, запобігаючи руху. Однак сперматозоїди та водорості процвітають у цих умовах.
Команда виявила, що хвости сперматозоїдів і джгутики водоростей мають “дивну еластичність”. Ця властивість дозволяє їм рухатися без значних втрат енергії у навколишню рідину. Подальше моделювання виявило нову концепцію: “дивний модуль пружності”, що описує внутрішню механіку джгутиків.
«Починаючи з простих моделей, що вирішуються, і закінчуючи хвилеподібними формами джгутиків хламідомонади і сперматозоїдів, ми вивчили дивний модуль вигину, щоб розшифрувати нелокальні, недвосторонні внутрішні взаємодії всередині матеріалу», – уклали дослідники.
Наслідки та майбутні застосування
Це дослідження, опубліковане в PRX Life у жовтні 2023 року, має ширші наслідки. Розуміння того, як сперматозоїди кидають виклик ньютонівській фізиці, може надихнути на створення невеликих роботів, що самозбираються, що імітують живі матеріали. Методи моделювання, використані у цьому дослідженні, також можуть покращити наше розуміння колективної поведінки у складних системах.
Це дослідження підкреслює, що природа не завжди дотримується класичних фізичних законів на мікроскопічному рівні. Ці висновки можуть призвести до переоцінки того, як ми моделюємо та розуміємо біологічний рух, відкриваючи двері для біоінспірованого проектування та глибшого розуміння фундаментальних процесів життя.
