科學(xué)家發(fā)現(xiàn)精子無視主要物理定律

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(yùn)動定律。

為了弄清楚它們是如何在理論上應(yīng)該抵抗它們運(yùn)動的物質(zhì)中滑行的，由京都大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)家石本健太領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊(duì)幾年前研究了精子和其他微觀生物游泳者的運(yùn)動。

當(dāng)艾薩克·牛頓爵士構(gòu)思他現(xiàn)在著名的運(yùn)動定律1686 年，他試圖用一些巧妙的原理來解釋物理物體與作用在其上的力之間的關(guān)系，事實(shí)證明，這些原理不一定適用于在粘性流體中蠕動的微觀細(xì)胞。

相關(guān)：近 300 年來，我們一直在誤讀一個主要的物理定律

牛頓第三定律可以概括為“每一個動作，都有一個相等且相反的反應(yīng)”。它表示自然界中一種特殊的對稱性，其中對立的力量相互作用。

在最簡單的例子中，兩個大小相等的彈珠在地面上滾動時碰撞，會根據(jù)這個定律傳遞力和反彈。

然而，大自然是混亂的，并非所有物理系統(tǒng)受到這些對稱性的約束。所謂的非互惠相互作用出現(xiàn)在由成群結(jié)隊(duì)的鳥類組成的不守規(guī)矩的系統(tǒng)中，流體中的顆粒– 和游泳精子。

這些運(yùn)動劑的運(yùn)動方式顯示出與它們身后的動物或它們周圍的流體的不對稱相互作用，形成了一個漏洞，使力相等和相反，以繞過牛頓第三定律。

因?yàn)轼B類和細(xì)胞產(chǎn)生自己的能量，隨著它們每次拍打翅膀或尾巴的移動，系統(tǒng)就會被添加到系統(tǒng)中，系統(tǒng)被推到遠(yuǎn)離平衡的地方，并且相同的規(guī)則不適用。

在 2023 年 10 月發(fā)表的研究中，石本及其同事分析了人類精子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并模擬了人類精子的運(yùn)動綠藻,衣原體.兩者都使用薄而彎曲的游泳鞭毛從細(xì)胞體突出的改變形狀，或變形，以驅(qū)動細(xì)胞前進(jìn)。

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

研究人員發(fā)現(xiàn)，精子尾巴和藻類鞭毛具有”奇異的彈性”，這使得這些靈活的附屬物能夠四處移動，而不會向周圍流體損失太多能量。

但這種奇怪彈性的特性并不能完全解釋鞭毛波狀運(yùn)動的推進(jìn)力。因此，從他們的建模研究中，研究人員還推導(dǎo)出了一個新術(shù)語，即奇數(shù)彈性模量，來描述鞭毛的內(nèi)部力學(xué)。

“從可求解的簡單模型到生物鞭毛波形衣原體和精子細(xì)胞，我們研究了奇彎曲模量，以破譯材料內(nèi)的非局部、非互惠的內(nèi)部相互作用，“研究人員結(jié)束.

研究結(jié)果可能有助于設(shè)計(jì)小型、自組裝機(jī)器人模仿活體材料，而建模方法可用于更好地理解集體行為的基本原理，該團(tuán)隊(duì)說.

該研究發(fā)表在PRX生活.

本文的早期版本于 2023 年 10 月發(fā)布。

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