Met hun zweepachtige staarten stuwt menselijk sperma zichzelf voort door kleverige vloeistoffen, blijkbaar in strijd met de derde bewegingswet van Newton, volgens een recent onderzoek dat de beweging van deze geslachtscellen en eencellige algen karakteriseert.
Kenta Ishimoto, een wiskundige aan de Universiteit van Kyoto, en zijn collega's onderzochten deze niet-wederkerige interacties in sperma en andere microscopisch kleine biologische zwemmers, om te leren hoe ze door materialen glijden die in theorie hun beweging zouden moeten weerstaan.
Toen Newton zijn inmiddels beroemde ontwerp bedacht Bewegingswetten In 1686 probeerde hij de relatie tussen een fysiek lichaam en de krachten die erop inwerken te verklaren aan de hand van enkele precieze principes die, zoals later bleek, niet noodzakelijkerwijs van toepassing waren op microscopisch kleine cellen die door stroperige vloeistoffen kronkelden.
De derde wet van Newton kan als volgt worden samengevat: “Voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie.” Het duidt op een bepaalde symmetrie in de natuur waarbij tegengestelde krachten elkaar tegenwerken. In het eenvoudigste voorbeeld zullen twee knikkers van gelijke grootte die botsen terwijl ze over de grond rollen, hun kracht overbrengen en stuiteren op basis van deze wet.
De natuur is echter rommelig en… Niet alle systemen zijn fysiek Gebonden door deze symmetrieën. Zogenaamde niet-wederkerige interacties komen voor in wilde systemen die bestaan uit vogelkoppels, Deeltjes in een vloeistof -En spermazwemmen.
Deze bewegende agenten bewegen op manieren die asymmetrische interacties vertonen met de dieren achter hen of met de vloeistoffen die hen omringen, waardoor een maas in de wet ontstaat voor gelijke en tegengestelde krachten om de derde wet van Newton te omzeilen.
Omdat vogels en cellen Wekken hun eigen energie opdat met elke klap van hun vleugels of zweepslag aan het systeem wordt toegevoegd, wordt het systeem verder uit evenwicht geduwd en zijn dezelfde regels niet van toepassing.
In hun in oktober gepubliceerde studie analyseerden Ishimoto en zijn collega's experimentele gegevens met betrekking tot menselijk sperma en modelleerden ze ook de beweging van… Groene algen, Chlamydomonas. Ze zwemmen allebei met een slank, flexibel lichaam Flagella Die uit het cellichaam steekt en van vorm verandert of vervormt om de cellen naar voren te duwen.
Zeer viskeuze vloeistoffen Normaal gesproken wordt de energie van de flagella afgevoerd, waardoor wordt voorkomen dat het sperma of de eencellige algen überhaupt kunnen bewegen. Op de een of andere manier kan het flexibele flagellum deze cellen echter duwen zonder een reactie van hun omgeving uit te lokken.
De onderzoekers ontdekten dat spermastaarten en hun algenvloten“vreemde elasticiteit”waardoor deze flexibele aanhangsels kunnen bewegen zonder veel energie te verliezen aan de omringende vloeistof.
Maar deze vreemde elastische eigenschap verklaarde niet volledig de voortstuwing die werd gegenereerd door de golfbeweging van het flagellum. Daarom hebben de onderzoekers uit modelstudies ook een nieuwe term afgeleid, de excentrische elasticiteitsmodulus, om de interne mechanica van het flagellum te beschrijven.
“Van eenvoudig oplosbare modellen tot biologische flagellaire golfvormen Chlamydomonas “En spermacellen hebben we de individuele krommingsmodulus bestudeerd om niet-lokale, niet-wederkerige interne interacties binnen het materiaal te ontcijferen.” ik ben klaar.
De resultaten kunnen helpen bij het ontwerpen van kleine, Zelfassemblerende robots Die levende materialen nabootsen, terwijl modelleringsmethoden kunnen worden gebruikt om de basisprincipes van collectief teamgedrag beter te begrijpen Hij zei.
Het onderzoek is gepubliceerd in Hyatt PRX.
Een eerdere versie van dit artikel verscheen in oktober 2023.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
