Человеческие сперматозоиды нарушают 3-й закон Ньютона — PRX Life

Нарушать законы физики категорически запрещено, если конечно вы не сперматозоид. Ранее в этом году группа исследователей из Киотского университета в Японии обнаружила, что некоторые микроорганизмы, такие как человеческие сперматозоиды и водоросли Хламидомонада, движутся таким образом, что нарушают третий закон движения Исаака Ньютона.

Сперматозоиды попались на нарушении третьего закона движения Ньютона. По словам исследователей, обсуждая с коллегами и изучая научную литературу, они намерены "отыскать странный модуль упругости, где бы он ни скрывался". Одна из их конечных целей - расширить полученные на данный момент знания и понять, как целые коллективы микророботов со "странным модулем упругости" могут работать совместно для выполнения задач в таких сферах, как биомедицина. (Фотография SciePro/Shutterstock )

Некоторые биологические клетки могут свободно перемещаться в жидких и вязких средах, нарушая один из законов движения Ньютона - но только в том случае, если они обладают удивительно эластичными свойствами

Человеческие сперматозоиды и некоторые другие микроорганизмы плавают за счет изменения формы своего тела, что нарушает третий закон Ньютона. Ученые наконец то приблизились к пониманию того, как они это делают. Полученные результаты в перспективе могут вдохновить исследователей на разработку крошечных нанороботов, которые тоже будут нарушать законы физики во время своего путешествия.

Как известно, третий закон Ньютона формулируется следующим образом: "Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны". Проще говоря, когда вы толкаете стену, стена толкает вас обратно...

"Однако недавно физики попытались понять механику в которой не действует третий закон Ньютона", - говорит доктор математики Кента Ишимото из Киотского университета в Японии. "В некоторых случаях все работает несколько иначе: если вы толкнете стену, она не обязательно толкнет вас обратно - она может просто " отодвинуться" от вас". Ишимото и его коллеги попытались более детально изучить это свойство на примере крошечных биологических пловцов.

Моделирование показало, что жизнь может быть менее хаотичной, чем принято считать

Эксперты сосредоточились на человеческих сперматозоидах и водорослях хламидомонада (род одноклеточных зелёных водорослей из семейства Хламидомонадовых, Chlamydomonas). И те, и другие плавают с помощью жгутиков - тонких, похожих на волоски филаментов, которые выступают из основного тела клетки. Жгутики эластичны и могут менять форму, взаимодействуя с жидкостью, окружающей клетку. Благодаря этому клетка движется вперед так называемым "невзаимным" способом, нарушая таким образом третий закон Ньютона.

Правда, детали этого процесса до сих пор неясны. Раньше ученые считали, что в микроскопических масштабах жидкость должна поглощать большую часть энергии клетки. Что не позволило бы ей перемещаться на большие расстояния - или перемещаться вообще, - как бы сильно она ни виляла своим эластичным жгутиком.

Чтобы понять, как все-таки клеткам удается перемещаться, несмотря на это, казалось бы, очевидное препятствие, исследователи проанализировали движение жгутиков сперматозоидов и клеток водорослей во время их "заплыва". В итоге эксперты обнаружили, что жгутики обладают необычным свойством, которое ученые назвали "странной эластичностью". Оно позволяет им "размахивать" жгутиками, практически не теряя при этом энергии в окружающей жидкости.

Сегодня авторы проекта работают над количественной оценкой "невзаимности" различных живых клеток, рассчитывая число, называемое "странным модулем упругости", для различных микроскопических пловцов, как естественных, так и искусственных, таких как крошечные нанороботы. Чем выше это число, тем активнее микропловец машет своим жгутиком и быстрее движется, и тем меньше его энергии рассеивается в окружающей жидкости. (Фотография Кристоф Бургштедт / Alamy)

Исследователи попытались оценить странную эластичность клеток и вывели коэффициент, который назвали "модулем странной эластичности". Чем выше это число, тем активнее клетка размахивает своим жгутиком и соответственно быстрее движется, тем меньше окружающая жидкость подавляет ее движение.

Чем выше это число, тем активнее колебания жгутика и тем меньше энергии клетки поглощается окружающей жидкостью. Соответственно тем выше скорость сперматозоида. В результате клетка движется вперед "невзаимным" образом.

Ученые считают, что новое исследование поможет ответить на важные вопросы. "Такая невзаимозаменяемость - одна из важнейших особенностей живой материи", - говорят исследователи, и поэтому она может стать важным ингредиентом для ответа на вопрос о том, что делает жизнь живой.

Биолог и постдокторант в области прикладной математики Клеман Моро из Киотского университета утверждает, что вычисление странного модуля упругости для самых разных “микропловцов” потенциально может помочь ученым классифицировать эти организмы и выяснить, существуют ли у них дополнительный функционал, который позволяет им не подчиняться третьему закону Ньютона.

В настоящее время исследователям пока неизвестны все микроскопические процессы, которые помогают крошечным микроорганизмам нарушать этот закон физики, - рассказывает Петр Сурувка из Вроцлавского университета науки и технологии в Польше. По его словам, возможность вычислить "странный модуль упругости" и другие подобные показатели может помочь создать "словарь" организмов, способных к невзаимному перемещению.

Чудо-частица: Аксионы могут объяснить не только темную материю и темную энергию, но и кое-что еще

Ишимото считает, что предложенный его командой метод может также лечь в основу разработки искусственных нанопловцов, что поможет исследователям конструировать небольших мягких упругих роботов, способных нарушать третий закон Ньютона.

Аннотация к научной статье

Подвижность - фундаментальная особенность живой материи, охватывающая как отдельные клетки, так и коллективное поведение. Подобные живые организмы характеризуются неконсервативностью энергии и большим разнообразием пространственно-временных моделей. В связи с этим фундаментальные физические принципы, позволяющие сформулировать их поведение, еще не до конца изучены. В данном исследовании ученые попытались разобраться каким образом подвижные активные агенты нарушают третий закон Ньютона. Они изучали процесс невзаимных механических взаимодействий, известный также как "странная упругость"

Расширив описание коэффициента эластичности до нелинейного режима, авторы проекта предложили общую схему для динамики плавания активных упругих объектов в жидкостях с низким числом Рейнольдса, в частности, волнообразных моделей, наблюдаемых у эукариотических ресничек и жгутиков.

Ученые исследовали нелокальные взаимодействия внутри "пловцов" методом обобщенной материальной упругости и применили эти концепции к биологическому жгутиковому движению. С помощью несложных моделируемых решений и анализа волновых форм жгутиков Chlamydomonas и экспериментальных данных для человеческих сперматозоидов специалисты продемонстрировали возможность широкого применения невзаимного и нелокального определения внутренних взаимодействий живых материалов в вязких жидкостях, что позволило создать единую платформу для физики активной и живой материи.