Με τις ουρές τους που μοιάζουν με μαστίγιο, τα ανθρώπινα σπερματοζωάρια προωθούνται μέσα σε ιξώδη υγρά, φαινομενικά αψηφώντας τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα για την κίνηση, σύμφωνα με μια πρόσφατη μελέτη.
Ο Kenta Ishimoto, μαθηματικός επιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Κιότο, και οι συνεργάτες του διερεύνησαν αυτές τις μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις στο σπέρμα και σε άλλους μικροσκοπικούς βιολογικούς κολυμβητές, για να καταλάβουν πώς γλιστρούν μέσα από ουσίες που θεωρητικά θα έπρεπε να αντιστέκονται στην κίνησή τους.
Όταν ο Νεύτωνας συνέλαβε τους διάσημους πλέον νόμους της κίνησης το 1686, προσπάθησε να εξηγήσει τη σχέση μεταξύ ενός φυσικού αντικειμένου και των δυνάμεων που δρουν πάνω του με μερικές αρχές που, όπως αποδεικνύεται, δεν ισχύουν απαραίτητα για τα μικροσκοπικά κύτταρα που κινούνται μέσα σε κολλώδη υγρά.
Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα μπορεί να συνοψιστεί ως εξής: “για κάθε δράση, υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση”. Σηματοδοτεί μια ιδιαίτερη συμμετρία στη φύση, όπου αντίθετες δυνάμεις δρουν η μία εναντίον της άλλης. Στο απλούστερο παράδειγμα, δύο μπίλιες ίσου μεγέθους που συγκρούονται καθώς κυλούν στο έδαφος θα μεταφέρουν τη δύναμή τους και θα αναπηδήσουν με βάση αυτόν τον νόμο.
Ωστόσο, η φύση είναι χαοτική και δεν δεσμεύονται όλα τα φυσικά συστήματα από αυτές τις συμμετρίες. Οι λεγόμενες μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις εμφανίζονται σε ατίθασα συστήματα που αποτελούνται από σμήνη πουλιών, σωματίδια σε υγρό – και σπέρμα που κολυμπάει.
Αυτοί οι κινητικοί παράγοντες κινούνται με τρόπους που εμφανίζουν ασύμμετρες αλληλεπιδράσεις με τα ζώα πίσω τους ή τα υγρά που τα περιβάλλουν, δημιουργώντας ένα παραθυράκι για ίσες και αντίθετες δυνάμεις που παρακάμπτουν τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα.
Επειδή τα πτηνά και τα κύτταρα παράγουν τη δική τους ενέργεια, η οποία προστίθεται στο σύστημα με κάθε χτύπημα των φτερών τους ή με κάθε χτύπημα της ουράς τους, το σύστημα ωθείται μακριά από την ισορροπία και δεν ισχύουν οι ίδιοι κανόνες.
Στη μελέτη τους που δημοσιεύθηκε τον Οκτώβριο, ο Ishimoto και οι συνεργάτες του ανέλυσαν πειραματικά δεδομένα για το ανθρώπινο σπέρμα και μοντελοποίησαν επίσης την κίνηση των πράσινων φυκών, Chlamydomonas. Και τα δύο κολυμπούν χρησιμοποιώντας λεπτές, καμπυλωτές μαστίγιες που προεξέχουν από το σώμα του κυττάρου και αλλάζουν σχήμα, ή παραμορφώνονται, για να οδηγήσουν τα κύτταρα προς τα εμπρός.
Τα πολύ ιξώδη υγρά συνήθως διαλύουν την ενέργεια μιας σημαδούρας, εμποδίζοντας το σπέρμα ή τα μονοκύτταρα φύκια να κινηθούν πολύ. Και όμως, με κάποιο τρόπο, οι ελαστικές σημαδούρες μπορούν να προωθούν αυτά τα κύτταρα χωρίς να προκαλούν αντίδραση από το περιβάλλον τους.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι ουρές των σπερματοζωαρίων και οι μαστίγιες των φυκιών έχουν μια “περίεργη ελαστικότητα”, η οποία επιτρέπει σε αυτά τα εύκαμπτα εξαρτήματα να στροβιλίζονται χωρίς να χάνουν πολλή ενέργεια στο περιβάλλον υγρό.
Όμως αυτή η ιδιότητα της περίεργης ελαστικότητας δεν εξηγούσε πλήρως την πρόωση από την κυματοειδή κίνηση των σημαιών. Έτσι, από τις μελέτες μοντελοποίησής τους, οι ερευνητές κατέληξαν επίσης σε έναν νέο όρο, ένα περίεργο μέτρο ελαστικότητας, για να περιγράψουν την εσωτερική μηχανική των σημαινίδων.
“Από τα επιλύσιμα απλά μοντέλα μέχρι τις βιολογικές κυματομορφές των σημαιοφόρων για τα κύτταρα Chlamydomonas και τα σπερματοζωάρια, μελετήσαμε το μέτρο περιττής κάμψης για να αποκρυπτογραφήσουμε τις μη τοπικές, μη αμοιβαίες εσωτερικές αλληλεπιδράσεις μέσα στο υλικό”, κατέληξαν οι ερευνητές.
Τα ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στο σχεδιασμό μικρών, αυτοσυναρμολογούμενων ρομπότ που μιμούνται ζωντανά υλικά, ενώ οι μέθοδοι μοντελοποίησης θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την καλύτερη κατανόηση των υποκείμενων αρχών της συλλογικής συμπεριφοράς, δήλωσε η ομάδα.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό PRX Life.