Ученые обнаружили, что сперматозоиды нарушают один из главных законов физики

Они движутся вопреки третьему закону движения Ньютона.

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

Кента Исимото, ученый-математик из Киотского университета, и его коллеги исследовали эти невзаимные взаимодействия у сперматозоидов и других микроскопических биологических «пловцов», чтобы выяснить, как они скользят сквозь вещества, которые теоретически должны сопротивляться их движению.

Когда Исаак Ньютон сформулировал свои 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 извивающимся клеткам.

Это означает особую симметрию в природе, где противоположные силы действуют друг против друга. В простейшем примере два шарика одинакового размера, сталкивающиеся во время движения по земле, отталкиваются друг от друга 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 стаи птиц, частиц в жидкости и – плавающих сперматозоидов. Все они 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 сперматозоидов генерируют собственную энергию, которая добавляется в систему с каждым взмахом крыльев или движением «хвоста», система находится далеко от равновесия, и те же правила к ней не применимы.

Нобелевскую премию по физике вручили за эксперименты с аттосекундными импульсами

читать

Исимото и его коллеги проанализировали экспериментальные данные о человеческой сперме, а также смоделировали движение зеленых водорослей хламидомонады. Все они 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.

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