Podle všech fyzikálních zákonů měly zůstat na místě.
Kapaliny na mikroskopické úrovni nejsou bazénem, do kterého se můžete ponořit. Je to hustá viskózní hmota, která poskytuje silnou odolnost. Pokud přestanete veslovat, pohyb se okamžitě zastaví. Tady se neklouže. Není zde žádná setrvačnost.
Jak se tedy spermie dokáže pohnout vpřed? Logicky by na to neměl mít sílu.
Nový výzkum naznačuje, že to dělají porušením obvyklých pravidel. Ne doslova – stále platí fyzikální zákony – ale využitím mezery v našem chápání vztahu mezi energií a pohybem.
Newtonův problém
Třetí Newtonův zákon říká, že pro každou akci existuje stejná a opačná reakce. Zatlačíte míč – zatlačí zpět. Jen. Symetrický.
Spermie mají jinou strukturu. Jsou to „aktivní systémy“. Neustále vkládají svou vlastní energii do svého pohybu. Nejsou to pasivní objekty, které se houpou v proudu.
Jak píší vědci z Kjótské univerzity, “třetí Newtonův zákon může být porušen… když systém považujeme za otevřený systém, do kterého je mechanická energie vnášena mikroskopickými aktivními prvky.”
Neničí vesmír. Jednoduše dělají něco, co vesmír od pasivních objektů neočekává.
“Jinými slovy, ukazují, co se stane, když živé systémy generují energii zevnitř.”
Proč na velikosti záleží
Pro objekt tak malé velikosti neexistuje žádná setrvačnost. Viskozita určuje vše. To vede k problému známému jako Scupe’s Theorem (Scallop Theorem).
Pokud se pohnete vpřed a pak se vrátíte přesně stejnou cestou, skončíte ve stejném bodě, kde jste začali. Ve viskózní tekutině symetrie zabíjí pohyb. Abyste se někam dostali, musíte tuto symetrii narušit. Váš pohyb vpřed by se měl lišit od pohybu vzad.
Spermie používají bičík. Tenký, vibrující ocas.
Většina věcí, které vibrují jako gumová pružina, se jednoduše vrátí do původního stavu. Ocasy spermií jsou poháněny vnitřními motory. Tyto motory dodávají energii přímo samotnému ocasu. Ocas se stává aktivním materiálem. Není pasivní. Není statická. Je nabitý energií.
„Neobvyklá“ část
To nás přivádí ke konceptu „zvláštní elasticity“.
V běžných materiálech je síla vzájemná. Tlačíte a materiál se stejnou silou tlačí zpět. Neobvyklá pružnost ničí tuto zrcadlovou symetrii. Vlivem vnitřní energie materiál reaguje jinak, než by napovídala použitá síla. Jedná se o nereciproční proces.
To pomáhá udržet vlny, i když se je kapalina snaží tlumit.
Vědci pro to vytvořili matematický model nazvaný neobvyklá elastohydrodynamika (lichá elastohydrodynamika). Zní to těžce, ale v podstatě to vědcům umožňuje oddělit účinky tekutiny od vnitřních procesů v ocasu. Odpor média maskuje mechaniku. Tento model to prozrazuje.
Co našli
Testovali model na lidských spermiích a zelených řasách Chlamydomonas.
Výsledky byly jasné. U spermií vnitřní aktivita vytváří vlnu, zatímco pasivní elasticita ji pouze stabilizuje. Neobvyklá elasticita řas přímo zajišťuje tepání ocasu.
To znamená, že ocas není jen bič. Je to složitý motor, který spotřebovává energii. Využívá nereciproční síly k pohybu ve světě, kde je konvenční pohyb tam a zpět odsouzen k nezdaru.
Proč je to důležité?
To vysvětluje, jak se život pohybuje v nejmenším měřítku. To by také mohlo pomoci při vytváření mikrorobotů. Stroje, které neuvíznou ve viskózní látce lidského těla, ale proplouvají jí se stejnou mazanou účinností jako spermie.
Mysleli jsme si, že známe všechna pravidla. Jen zapomněli, že život si píše sám.
Zdroj: “Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material”, Kenta Ishimoto et al., PRX Life.
