Sa svojim repovima nalik na bič, ljudska sperma se pokreće kroz viskozne tečnosti, naizgled prkoseći Njutnovom trećem zakonu kretanja, prema nedavnoj studiji koja karakteriše kretanje ovih polnih ćelija i jednoćelijskih algi.
Kenta Išimoto, naučnik matematičar sa Univerziteta Kjoto, i njegove kolege istraživali su ove nerecipročne interakcije u spermi i drugim mikroskopskim biološkim plivačima, da bi otkrili kako oni provlače kroz supstance koje bi, u teoriji, trebalo da se odupru njihovom kretanju.
Kada je Njutn osmislio svoje sada čuvene zakone kretanja 1686. godine, pokušao je da objasni odnos između fizičkog objekta i sila koje deluju na njega sa nekoliko urednih principa koji se, ispostavilo se, ne primenjuju nužno na mikroskopske ćelije koje se provlače kroz lepljive tečnosti.
Treći Njutnov zakon se može sažeti kao „za svaku akciju postoji jednaka i suprotna reakcija“. Označava posebnu simetriju u prirodi gde suprotstavljene sile deluju jedna protiv druge. U najjednostavnijem primeru, dva mermera jednake veličine koja se sudaraju dok se kotrljaju po zemlji će preneti svoju silu i odskok na osnovu ovog zakona.
Međutim, priroda je haotična i nisu svi fizički sistemi vezani ovim simetrijama. Takozvane nerecipročne interakcije se pojavljuju u neposlušnim sistemima koji se sastoje od ptica koje se jataju, čestica u tečnosti – i plivajuće sperme.
Ovi pokretni agensi se kreću na načine koji pokazuju asimetrične interakcije sa životinjama iza njih ili sa tečnostima koje ih okružuju, formirajući rupu za jednake i suprotne sile da zaobiđu Njutnov treći zakon.
Pošto ptice i ćelije generišu sopstvenu energiju, koja se dodaje sistemu sa svakim zamahom njihovih krila ili mahanjem repa, sistem je potisnut daleko od ravnoteže i ne važe ista pravila.
U svojoj studiji objavljenoj u oktobru, Ishimoto i kolege analizirali su eksperimentalne podatke o ljudskoj spermi i takođe modelirali kretanje zelenih algi, Chlamidomonas. Obojica plivaju koristeći tanke, savijene flagele koje vire iz tela ćelije i menjaju oblik ili se deformišu da bi ćelije pomerile napred.
Visoko viskozne tečnosti obično bi raspršile energiju flageluma, sprečavajući spermu ili jednoćelijske alge da se mnogo kreću. A ipak nekako, elastične flagele mogu da pokreću ove ćelije bez izazivanja odgovora iz okoline.
Istraživači su otkrili da repovi sperme i flagele algi imaju „neobičnu elastičnost“, što omogućava ovim fleksibilnim dodacima da se vrte bez gubitka mnogo energije na okolnu tečnost.
Ali ovo svojstvo čudne elastičnosti nije u potpunosti objasnilo propulziju talasastog kretanja flagele. Dakle, iz svojih studija modeliranja, istraživači su takođe izveli novi termin, neparni modul elastičnosti, da opišu unutrašnju mehaniku flagela.
„Od rešivih jednostavnih modela do bioloških flagelarnih talasnih oblika za hlamidomonasu i ćelije sperme, proučavali smo modul čudnog savijanja da bismo dešifrovali nelokalne, nerecipročne unutrašnje interakcije unutar materijala“, zaključili su istraživači.
Nalazi bi mogli pomoći u dizajnu malih robota koji se sami sklapaju koji oponašaju žive materijale, dok bi se metode modeliranja mogle koristiti za bolje razumijevanje osnovnih principa kolektivnog ponašanja, rekao je tim.
