Сперматозоиды обходят третий закон Ньютона благодаря своей гибкости

Группа исследователей из Киотского университета (Япония) обнаружила, что сперматозоиды и водоросли Chlamydomonas перемещаются с меньшими усилиями, чем это должно происходить согласно третьему закону Ньютона. Опубликованные в журнале PRX Life данные представляют новый взгляд на движение клеток в среде с повышенной вязкостью.

Ученые, специализирующиеся в области гидродинамики и математического моделирования, применили известную модель антисимметричных упругих колебаний к нелинейному характеру движения. При перемещении сперматозоидов жгутики, составляющие значительную часть их длины, волнообразно изгибаются, реагируя на состояние жидкости. Используя в расчетах соответствующие изменяемые параметры, авторы эксперимента установили необычные характеристики передвижения клеток в вязкой жидкости. Оказалось, что хвосты сперматозоидов и жгутики водорослей демонстрируют так называемое невзаимное взаимодействие со средой, что позволяет им двигаться, минимизируя потерю энергии. Это проявляется в том, что к моменту приложения противодействующей силы к клетке ее форма успевает измениться таким образом, чтобы компенсировать внешнее воздействие жидкости, рассеивающее энергию жгутика. Ввиду этого отсутствует сильное тормозящее влияние на движущуюся клетку в соответствии с третьим законом Ньютона, предполагающим равное и противоположно направленное противодействие.

Наблюдаемый феномен назван «странной упругостью»; введено новое понятие — модуль антисимметричной упругости — для более точного описания действующих на клетки сил. 

Открытие этих особенностей сперматозоидов и водорослей может иметь важное практическое применение. По мнению авторов, результаты исследования помогут в разработке самособирающихся роботов малого размера, которые имитируют живые системы. Использованные же методы моделирования, вероятно, окажутся полезными для лучшего понимания некоторых принципов коллективного поведения. 

Источник: Ishimoto K., Moreau C., Yasuda K. Odd elastohydrodynamics: non-reciprocal living material in a viscous fluid. PRX Life 2023;1((2)023002):1‒16. DOI: 10.1103/PRXLife.1.023002