Ученые поймали сперму, нарушающую один из законов физики

Согласно недавнему исследованию, которое характеризует движение этих половых клеток и одноклеточных водорослей, человеческие сперматозоиды с помощью своих кнутоподобных хвостов продвигаются сквозь вязкие жидкости, по-видимому, вопреки третьему закону движения Ньютона.

>

Кента Ишимото, ученый-математик из Киотского университета, и его коллеги исследовали эти невзаимные взаимодействия в сперме и других микроскопических биологических веществах. пловцам, чтобы выяснить, как они скользят сквозь вещества, которые теоретически должны сопротивляться их движению.

Когда Ньютон придумал свои ныне знаменитые законы движения в 1686 году. Он стремился объяснить взаимосвязь между физическим объектом и действующими на него силами с помощью нескольких четких принципов, которые, как оказалось, не обязательно применимы к микроскопическим клеткам, извивающимся сквозь липкие вещества. жидкости.

Третий закон Ньютона можно сформулировать так: «Для каждого действия существует равное и противоположное реакция». Это означает особую симметрию в природе, где противоположные силы действуют друг против друга. В простейшем примере два шарика одинакового размера, сталкивающиеся при катении 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.

Поскольку птицы и клетки генерируют собственную энергию, которая добавляется в систему с каждым взмахом крыльев или взмахом хвоста, система тяга далека от равновесия, и те же правила не применяются.

В своем исследовании, опубликованном в октябре 2023 г. Ишимото и его коллеги проанализировали экспериментальные данные о человеческой сперме, а также смоделировали движение зеленых водорослей Chlamydomonas. Оба плавают, используя тонкие гибкие жгутики, 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 их окружения.

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

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

«От решаемых простых моделей до биологических жгутиковых волн для хламидомонады и сперматозоидов, мы изучили модуль странного изгиба, чтобы расшифровать нелокальные, невзаимные внутренние взаимодействия внутри материала», — исследователи завершились.

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

Исследование было опубликовано в PRX Life.

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в октябре 2023 года.