科學(xué)家發(fā)現(xiàn)精子違背了牛頓物理定律之一

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(dòng)定律。

為了弄清楚它們?nèi)绾卧诶碚撋蠎?yīng)該抵抗它們運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)中滑行，由京都大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)家 Kenta Ishimoto 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 （Sir Isaac Newton） 構(gòu)思了他現(xiàn)在著名的運(yùn)動(dòng)定律1686 年，他試圖用一些簡(jiǎn)潔的原則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，這些原則不一定適用于在粘性液體中蠕動(dòng)的微觀細(xì)胞。

牛頓第三定律可以概括為“對(duì)于每一個(gè)動(dòng)作，都有一個(gè)相等和相反的反作用力”。它表示自然界中的一種特殊對(duì)稱性，其中對(duì)立的力相互對(duì)抗。

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

在最簡(jiǎn)單的例子中，兩個(gè)大小相等的彈珠在沿地面滾動(dòng)時(shí)碰撞，將根據(jù)該定律轉(zhuǎn)移它們的力并反彈。

然而，大自然是混亂的，并非所有物理系統(tǒng)受這些對(duì)稱性的約束。所謂的非互惠互動(dòng)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– 和游泳的精子。

這些運(yùn)動(dòng)劑的運(yùn)動(dòng)方式與它們身后的動(dòng)物或周圍的流體發(fā)生不對(duì)稱的相互作用，形成一個(gè)漏洞，讓相等和相反的力繞過牛頓第三定律。

因?yàn)轼B類和細(xì)胞產(chǎn)生自己的能源，隨著它們的每一次翅膀拍打或尾巴的運(yùn)動(dòng)而被添加到系統(tǒng)中，系統(tǒng)被推得遠(yuǎn)離平衡，同樣的規(guī)則不適用。

在 2023 年 10 月發(fā)表的研究中，Ishimoto 及其同事分析了人類精子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并模擬了綠藻,衣藻.兩者都使用薄、彎曲的鞭毛從細(xì)胞體中突出的更改形狀或變形，以驅(qū)動(dòng)單元向前移動(dòng)。

高粘度流體通常會(huì)耗散鞭毛的能量，從而阻止精子或單細(xì)胞藻類移動(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有一個(gè) '奇數(shù)彈性”，它允許這些靈活的附屬物四處移動(dòng)，而不會(huì)向周圍的流體損失太多能量。

但這種奇特的彈性特性并不能完全解釋鞭毛波浪狀運(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，即奇數(shù)彈性模量，來描述鞭毛的內(nèi)部力學(xué)。

“從可解的簡(jiǎn)單模型到生物鞭毛波形衣藻和精子細(xì)胞，我們研究了奇數(shù)彎曲模量，以破譯材料內(nèi)部的非局部、非互易內(nèi)部相互作用，“研究人員結(jié)束.

這些發(fā)現(xiàn)可能有助于設(shè)計(jì)小型、自組裝機(jī)器人模擬有生命的材料，而建模方法可以用來更好地理解集體行為的基本原則，但該團(tuán)隊(duì)說.

該研究發(fā)表在PRX 人壽.

本文的早期版本發(fā)表于 2023 年 10 月。

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