Iznenađujuće novo otkriće: Spermatozoidi uhvaćeni kako krše jedan od glavnih zakona fizike

Sa svojim bičastim repovima, ljudski spermatozoidi se guraju kroz viskozne tečnosti, izgleda kao da prkose Newtonovom trećem zakonu kretanja, prema novom istraživanju koje karakterizira kretanje ovih spolnih stanica i jednostaničnih algi.

Kenta Ishimoto, matematički naučniksa Sveučilišta Kyoto, i njegovi kolege istraživali su ove nerecipročne interakcije kod spermatozoida i drugih mikroskopskih bioloških plivača kako bi shvatili kako se kreću kroz tvari koje bi, u teoriji, trebale odoljeti njihovom kretanju.

Kada je Newton osmislio svoje sada čuvene zakone kretanja 1686. godine, tražio je objasniti odnos između fizičkog objekta i djelujućih sila s nekoliko elegantnih principa koji se, ispostavilo, ne primjenjuju nužno na mikroskopske stanice koje se gibaju kroz ljepljive tekućine, prenosi sciencealert.com.

Newtonov treći zakon može se sažeti kao "za svaku akciju postoji jednaka i suprotna reakcija". On označava određenu simetriju u prirodi u kojoj se suprotstavljene sile djeluju jedna protiv druge. U najjednostavnijem primjeru, dva jednaka mramora koji se sudaraju dok se kotrljaju po zemlji prenosit će svoju silu i odbiti se na temelju tog zakona.

Međutim, priroda je kaotična, i nisu svi fizički sustavi podložni tim simetrijama. Takozvane nerecipročne interakcije pojavljuju se u neurednim sistemima koji se sastoje od rojeva ptica, čestica u tekućinama - i plivajućih spermatozoida.

Ovi pokretni čimbenici kreću se na načine koji pokazuju asimetrične interakcije s bićima iza njih ili tekućinom koja ih okružuje, stvarajući rupu za izbjegavanje Newtonovog trećeg zakona.

Budući da ptice i stanice generiraju vlastitu energiju koja se dodaje sustavu sa svakim zamahom krila ili bičem repa, sustav se gura daleko iz ravnoteže, i isti pravila ne vrijede.

Ishimoto i kolege analizirali su eksperimentalne podatke o ljudskim spermatozoidima i također modelirali kretanje zelenih algi, Chlamydomonasa. Oboje plivaju koristeći tanke, savitljive flagelume koji strše iz tijela stanice i mijenjaju oblik, ili se deformiraju, kako bi gurali stanice naprijed.

Viskozne tekućine obično bi raspršile energiju flageluma, sprječavajući spermatozoid ili jednostaničnu algu da se puno pomaknu. No, na neki način, elastični flagelumi mogu gurati te stanice naprijed bez izazivanja reakcije od njihove okoline.

Istraživači su otkrili da repovi spermatozoida i flagelumi algi imaju "čudnu elastičnost", koja omogućuje tim fleksibilnim dodacima da se gibaju bez gubitka puno energije u okolini.

No, ovo svojstvo čudne elastičnosti nije potpuno objasnilo pogon iz valovitog kretanja flageluma. Stoga su iz svojih modelirajućih studija istraživači izveli novi izraz, čudni elastični modul, kako bi opisali unutarnju mehaniku flageluma.

"Iz jednostavnih rješivih modela do bioloških valnih oblika flageluma za Chlamydomonas i spermatozoide, proučavali smo čudni savijajući modul kako bismo dešifrirali nelokalne, nerecipročne unutarnje interakcije unutar materijala", zaključuju istraživači.

Ovi rezultati mogu pomoći u dizajniranju malih, samo-složivih robota koji imitiraju žive materijale, dok bi metode modeliranja mogle pomoći boljem razumijevanju temeljnih načela kolektivnog ponašanja, dodaje tim.

Studija je objavljena u PRX Life.