科學家發(fā)現精子違背了牛頓物理定律之一

人類精子可以輕松地游過令人驚訝的粘稠液體——而且它們似乎違背了牛頓第三運動定律。

為了弄清楚它們如何在理論上應該抵抗它們運動的物質中滑行，由京都大學數學科學家 Kenta Ishimoto 領導的一個團隊幾年前研究了精子和其他微觀生物游泳者的運動。

當艾薩克·牛頓爵士 （Sir Isaac Newton） 構思了他現在著名的運動定律1686 年，他試圖用一些簡潔的原則來解釋物理物體與作用在其上的力之間的關系，事實證明，這些原則不一定適用于在粘性液體中蠕動的微觀細胞。

牛頓第三定律可以概括為“對于每一個動作，都有一個相等和相反的反作用力”。它表示自然界中的一種特殊對稱性，其中對立的力相互對抗。

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在最簡單的例子中，兩個大小相等的彈珠在沿地面滾動時碰撞，將根據該定律轉移它們的力并反彈。

然而，大自然是混亂的，并非所有物理系統(tǒng)受這些對稱性的約束。所謂的非互惠互動出現在由成群結隊的鳥類組成的不守規(guī)矩的系統(tǒng)中，流體中的顆粒– 和游泳的精子。

這些運動劑的運動方式與它們身后的動物或周圍的流體發(fā)生不對稱的相互作用，形成一個漏洞，讓相等和相反的力繞過牛頓第三定律。

因為鳥類和細胞產生自己的能源，隨著它們的每一次翅膀拍打或尾巴的運動而被添加到系統(tǒng)中，系統(tǒng)被推得遠離平衡，同樣的規(guī)則不適用。

在 2023 年 10 月發(fā)表的研究中，Ishimoto 及其同事分析了人類精子的實驗數據，并模擬了綠藻,衣藻.兩者都使用薄、彎曲的鞭毛從細胞體中突出的更改形狀或變形，以驅動單元向前移動。

高粘度流體通常會耗散鞭毛的能量，從而阻止精子或單細胞藻類移動太多。然而，不知何故，彈性鞭毛可以推動這些細胞前進，而不會引起周圍環(huán)境的反應。

研究人員發(fā)現，精子尾巴和藻類鞭毛有一個 '奇數彈性”，它允許這些靈活的附屬物四處移動，而不會向周圍的流體損失太多能量。

但這種奇特的彈性特性并不能完全解釋鞭毛波浪狀運動的推進力。因此，從他們的建模研究中，研究人員還推導出了一個新術語，即奇數彈性模量，來描述鞭毛的內部力學。

“從可解的簡單模型到生物鞭毛波形衣藻和精子細胞，我們研究了奇數彎曲模量，以破譯材料內部的非局部、非互易內部相互作用，“研究人員結束.

這些發(fā)現可能有助于設計小型、自組裝機器人模擬有生命的材料，而建模方法可以用來更好地理解集體行為的基本原則，但該團隊說.

該研究發(fā)表在PRX 人壽.

本文的早期版本發(fā)表于 2023 年 10 月。

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