Ученые обнаружили, что сперматозоиды, похоже, обходят фундаментальный закон физики
Сперматозоиды движутся в жидкостях, которые должны почти мгновенно их останавливать, однако, согласно новым исследованиям, они успешно преодолевают это препятствие, используя необычные свойства активной живой материи.
Сперматозоид не должен быть сильным пловцом.
На микроскопическом уровне жидкость ведет себя не так, как вода в бассейне. Она скорее действует как плотный барьер, почти мгновенно останавливающий движение. Тем не менее сперматозоиды продолжают двигаться, извиваясь, даже сквозь жидкости, которые должны оказывать им сильное сопротивление.
Исследование, проведенное ученым-математиком из Киотского университета Кэнтой Исимото, показало, что сперматозоиды достигают этой цели, используя странную особенность живой материи. Их движение, по-видимому, не подчиняется обычной симметрии действия и противодействия, описанной в третьем законе Ньютона.
Третий закон Ньютона часто формулируют так: «Каждому действию есть равное и противоположное противодействие, иначе говоря, действие и противодействие друг друга равны и направлены в противоположные стороны». Этот принцип хорошо работает в отношении обычных объектов, например двух шариков, которые сталкиваются и разлетаются в разные стороны. Но сперматозоиды — это активные системы. Они постоянно добавляют энергию к своему движению.
Как пишут исследователи, «третий закон Ньютона может быть нарушен, если рассматривать его как открытую систему, в которую механическая энергия поступает от микроскопических активных элементов».
Другими словами, сперматозоиды не нарушают законы физики. Они демонстрируют, что происходит, когда живые системы перекачивают энергию в окружающую среду изнутри.
Почему крошечные пловцы подчиняются другим законам физики
У сперматозоидов нет скольжения между гребками. В их масштабе инерция практически не играет роли, а преобладает вязкость. Если хвост перестает двигаться, клетка почти сразу останавливается.
Это порождает проблему, известную как «теорема гребешка». Микроскопический планктон не может двигаться в вязкой жидкости, просто повторяя одно и то же движение и меняя его направление на противоположное. Чтобы продвигаться вперед, ему нужно совершать движения, которые не являются полностью обратимыми.
Сперматозоиды решают эту проблему с помощью жгутиков — тонких гибких отростков, которые создают бегущие волны по всей длине. Зеленые водоросли, такие как хламидомонада, используют аналогичные структуры для передвижения.
Эти волны приводятся в движение молекулярными двигателями внутри жгутика. Поскольку эти двигатели передают энергию на жгутик, он ведет себя не как пассивная пружина, а скорее как активный материал.
«Странная» эластичность, лежащая в основе движения
Исследование посвящено свойству, которое называется «странная эластичность». В обычных упругих материалах сила и реакция на нее обратно пропорциональны. Согните или растяните такой материал, и он предсказуемо вернется в исходное положение.
Странная упругость позволяет по-другому реагировать на внешние воздействия. В активных материалах внутренние источники энергии могут создавать силы, которые не просто отражают силы, действующие на них. Такое несимметричное поведение может способствовать поддержанию волн, даже когда вязкая жидкость теряет энергию при движении.
Чтобы описать этот процесс, исследователи разработали концепцию под названием «странная эластогидродинамика». По их словам, она «обеспечивает единую основу для изучения нелокальных, несимметричных взаимодействий упругого материала с вязкой жидкостью».
Такой подход помог им отделить то, что происходит в окружающей жидкости, от того, что происходит внутри жгутика. Это различие важно, поскольку сопротивление среды может скрывать внутреннюю механику, которая на самом деле генерирует волну.
Команда также ввела понятие модуля нечётной упругости — математического инструмента, позволяющего отличить обычное упругое поведение от активных, невозвратных сил, которые приводят в движение.
Что обнаружили исследователи
Команда применила свою модель к данным о сперматозоидах человека и Chlamydomonas — зелёной водоросли с биениями жгутиков. Результаты показывают, что эти организмы используют внутреннюю активность для создания бегущих волн с помощью своих гибких хвостов.
В модели сперматозоида человека внутренняя активность способствовала возникновению волны в жгутике, в то время как пассивная эластичность, по-видимому, стабилизировала и расслабляла его. У хламидомонады односторонняя реакция соответствовала волновому ритму биения жгутика, что позволяет предположить, что односторонняя эластичность помогает приводить его в движение.
Исследователи пришли к выводу, что их подход позволяет выявить «нелокальные, несимметричные внутренние взаимодействия внутри материала».
Проще говоря, хвост сперматозоида — это не просто крошечный отросток. Это энергозатратная структура, внутренняя механика которой помогает сперматозоиду перемещаться в мире, где обычное движение вперед и назад невозможно.
Полученные результаты могут помочь ученым понять, как двигаются живые системы — от отдельных клеток до групп скоординированно плавающих организмов. Кроме того, они могут помочь в разработке крошечных самособирающихся роботов, искусственных микроплавателей или мягких материалов, имитирующих движения живых существ.