科學(xué)家發(fā)現(xiàn)精子無(wú)視主要物理定律

人類(lèi)精子可以輕松地游過(guò)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)。

當(dāng)艾薩克·牛頓爵士構(gòu)思他現(xiàn)在著名的運(yùn)動(dòng)定律1686 年，他試圖用一些巧妙的原理來(lái)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(dòng)的微觀細(xì)胞。

相關(guān)：近 300 年來(lái)，我們一直在誤讀一個(gè)主要的物理定律

牛頓第三定律可以概括為“每一個(gè)動(dòng)作，都有一個(gè)相等且相反的反應(yīng)”。它表示自然界中一種特殊的對(duì)稱(chēng)性，其中對(duì)立的力量相互作用。

在最簡(jiǎn)單的例子中，兩個(gè)大小相等的彈珠在地面上滾動(dòng)時(shí)碰撞，會(huì)根據(jù)這個(gè)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(duì)稱(chēng)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(niǎo)類(lèi)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(dòng)劑的運(yùn)動(dòng)方式顯示出與它們身后的動(dòng)物或它們周?chē)牧黧w的不對(duì)稱(chēng)相互作用，形成了一個(gè)漏洞，使力相等和相反，以繞過(guò)牛頓第三定律。

因?yàn)轼B(niǎo)類(lèi)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(dòng)，系統(tǒng)就會(huì)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(lèi)精子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并模擬了人類(lèi)精子的運(yùn)動(dòng)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(dòng)細(xì)胞前進(jìn)。

高粘度流體通常會(huì)耗散鞭毛的能量，阻止精子或單細(xì)胞藻類(lèi)移動(dòng)太多。然而，不知何故，彈性鞭毛可以推動(dòng)這些細(xì)胞前進(jìn)，而不會(huì)引起周?chē)h(huán)境的反應(yīng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，精子尾巴和藻類(lèi)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(dòng)，而不會(huì)向周?chē)黧w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(dòng)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(gè)新術(shù)語(yǔ)，即奇數(shù)彈性模量，來(lái)描述鞭毛的內(nèi)部力學(xué)。

“從可求解的簡(jiǎn)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(shuō).

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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