Ученые обнаружили, что сперма нарушает один из главных законов физики

 Согласно новому 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.

Фото: sciencealert.com

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

Когда Ньютон в 1686 году придумал свои ныне знаменитые законы движения , 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 них. липкие жидкости.

Третий закон Ньютона можно сформулировать так: «Каждому действию есть равное и противоположное противодействие». Это означает особую симметрию в природе, где 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 этими симметриями. Так называемые невзаимные взаимодействия проявляются в неуправляемых системах, состоящих из стайки 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.

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

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, чтобы продвигать клетки вперед.

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

Исследователи обнаружили, что хвосты сперматозоидов и жгутики водорослей обладают « странной 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 волнообразных движений жгутиков. Поэтому в результате моделирования ученые 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», — заключают исследователи.

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

Источник