Med deres haler bevæger menneskelige sædceller sig gennem viskøse væsker, tilsyneladende i strid med Newtons tredje lov om bevægelse, ifølge en ny undersøgelse. Denne undersøgelse karakteriserer bevægelsen af disse kønsceller og encellede alger.
Kenta Ishimoto, matematisk forsker ved Kyoto Universitet, og kolleger undersøgte disse ikke-reciprokke interaktioner i sædceller og andre mikroskopiske biologiske svømmere for at finde ud af, hvordan de bevæger sig gennem stoffer, der i teorien burde modstå deres bevægelse.
Da Newton i 1686 udformede sine nu berømte bevægelseslove, forsøgte han at forklare forholdet mellem en fysisk genstand og de kræfter, der påvirker den med nogle få enkle principper. Men nu viser det sig, at det ikke nødvendigvis gælder for mikroskopiske celler, der vrider sig gennem klæbrige væsker.
Newtons tredje lov kan opsummeres som 'for hver handling er der en lige og modsat reaktion'. Den giver en symmetri i naturen, hvor modsatrettede kræfter virker mod hinanden. I det simpleste eksempel vil to lige store kugler, der kolliderer, overføre deres kraft og afvise hinanden baseret på denne lov.
Men naturen er kaotisk, og ikke alle fysiske systemer er bundet af disse symmetrier. Såkaldte ikke-reciprokke-interaktioner optræder i uregelmæssige systemer bestående af flokke af fugle, partikler i væsker, og svømmende sædceller.
Disse bevægelige agenter bevæger sig på måder, der viser asymmetriske interaktioner med dyrene bag dem eller væskerne omkring dem, hvilket danner en smutvej for lige og modsatte kræfter til at undgå Newtons tredje lov.
Fordi fugle og celler genererer deres egen energi, som tilføjes systemet med hver bevægelse med vingerne eller pisk med halen, bringes systemet langt væk fra ligevægt, og de samme regler gælder ikke.
Ishimoto og kolleger analyserede eksperimentelle data om menneskelige sædceller og modellerede også bevægelsen af grønne alger, Chlamydomonas. Begge svømmer ved hjælp af tynde, bøjelige flageller, der stikker ud fra cellekroppen og ændrer form, eller deformeres, for at drive cellerne fremad.
Meget viskøse væsker ville typisk sprede en flagels energi, hvilket ville forhindre en sædcelle eller en encellet alge i at bevæge sig meget overhovedet. Og alligevel kan de elastiske flageller på en eller anden måde fremdrive disse celler uden at provokere en reaktion fra deres omgivelser.
Forskerne fandt ud af, at sædhaler og algeflageller har en 'mærkelig elasticitet', som gør det muligt for disse fleksible vedhæng at piske rundt uden at miste meget energi til den omgivende væske.
Men denne egenskab af mærkelig elasticitet forklarede ikke fuldt ud fremdriften fra flagellens bølgeagtige bevægelse. Så fra deres studier afledte forskerne også et nyt begreb om en mærkelig elastisk modulus, for at beskrive flagellens interne mekanik.
"Fra opløselige simple modeller til biologiske flagellære bølgeformer for Chlamydomonas og sædceller studerede vi den mærkelige bøjende modulus for at dechifrere de ikke-lokale, ikke-reciprokke indre interaktioner inden for materialet," sagde forskerne.
Resultaterne kunne hjælpe med at designe små, selvsamlende robotter, der efterligner levende materialer, mens modelleringsmetoderne kunne bruges til bedre at forstå de underliggende principper for kollektiv adfærd, tilføjede teamet.
