RW Space

Человеческие сперматозоиды могут легко плавать в удивительно вязких жидкостях – и, похоже, они игнорируют третий закон движения Ньютона, делая это.

Чтобы выяснить, как они скользят сквозь вещества, которые теоретически должны сопротивляться их движению, команда под руководством Кенты Ишимото, ученого-математика из Киотского университета, несколько лет исследовала движение сперматозоидов и других микроскопических биологических пловцов. назад.

Когда сэр Исаак Ньютон придумал свои ныне знаменитые законы движения в 1686 году, он стремился объяснить взаимосвязь между физическим объектом и силами, действующими на него, с помощью нескольких четких принципов, которые, как оказалось, не обязательно применимы к микроскопическим клеткам, извивающимся в липких жидкостях.

По теме: Мы неправильно истолковывали главный закон физики уже почти 300 лет назад. Годы

Третий закон Ньютона можно сформулировать так: «Каждому действию есть равное и противоположное противодействие». Это означает особую симметрию в природе, когда противоположные силы действуют друг против друга.

В простейшем примере два шарика одинакового размера, сталкивающиеся при катке по земле, передают свою силу и отскакивают в соответствии с этим законом.

Однако природа хаотична, и не все физические системы связаны этой симметрией. Так называемые невзаимные взаимодействия проявляются в неуправляемых системах, состоящих из стайных птиц, частиц в жидкости и плавающих сперматозоидов.

Эти подвижные агенты движутся таким образом, что демонстрируют асимметричное взаимодействие с животными позади них или с жидкостями, которые их окружают, образуя лазейку для равных и противоположных сил, чтобы обойти третий закон Ньютона.

Потому что птицы и клетки генерируют свою собственную энергию, которая добавляется к система с каждым взмахом крыльев или движением хвоста выводит систему из равновесия, и одни и те же правила не применяются.

В своем исследовании, опубликованном в октябре 2023 года, Ишимото и его коллеги проанализировали экспериментальные данные о человеческой сперме, а также смоделировали движение зеленых водорослей Chlamydomonas. Оба плавают с помощью тонких гибких жгутиков, которые выступают из тела клетки и меняют форму или деформируются, продвигая клетки вперед.

Высоковязкие жидкости обычно рассеивают энергию жгутика, не позволяя сперматозоидам или одноклеточным водорослям вообще двигаться. И все же каким-то образом эластичные жгутики могут продвигать эти клетки вперед, не вызывая реакции окружающей среды.

Исследователи обнаружили, что хвосты сперматозоидов и жгутики водорослей обладают «необычной эластичностью», которая позволяет этим гибким придаткам перемещаться, не теряя много энергии в окружающую жидкость.

Но это свойство странной эластичности не полностью объясняет движение, вызванное волнообразным движением жгутиков. Поэтому в результате моделирования ученые также вывели новый термин — нечетный модуль упругости — для описания внутренней механики жгутиков.

«От решаемых простых моделей до биологических форм жгутиковых волн для хламидомонады и сперматозоидов мы изучили модуль нечетного изгиба, чтобы расшифровать нелокальные, невзаимные внутренние взаимодействия внутри материала», — говорят исследователи. пришли к выводу.

Результаты могут помочь в разработке небольших самособирающихся роботов, имитирующих живые материалы, а методы моделирования можно использовать для лучшего понимания основных принципов коллективного поведения, заявила команда.

Исследование было опубликовано в PRX Life.

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в октябре 2023 года.