Ze zouden vast moeten zitten.
Vloeistoffen op microscopisch niveau zijn niet zoals een poel waar je in kunt duiken. Het is dik, resistent slib. Als je stopt met peddelen, stop je meteen met bewegen. Er is geen sprake van glijden. Geen momentum.
Hoe dringt een zaadcel door? Dat zou niet moeten kunnen.
Een nieuwe studie suggereert dat ze dit doen door de gebruikelijke regels te overtreden. Niet letterlijk – natuurkunde is nog steeds van toepassing – maar door gebruik te maken van een maas in de manier waarop we over energie en beweging denken.
Het Newton-probleem
De derde wet van Newton zegt dat actie gelijk is aan reactie. Als je een knikker duwt, duwt hij terug. Eenvoudig. Symmetrisch.
Sperma is anders. Het zijn ‘actieve systemen’. Ze pompen voortdurend hun eigen energie in hun beweging. Het zijn geen passieve objecten die in een stroom dobberen.
Zoals de onderzoekers van de Universiteit van Kyoto schrijven: “De derde wet van Newton is mogelijk in strijd met… als we deze beschouwen als een open wet, waarbij mechanische energie wordt geïnjecteerd door microscopisch kleine actieve eenheden.”
Ze breken het universum niet. Ze doen gewoon iets waarvan het universum niet verwacht dat passieve objecten dat doen.
“Met andere woorden: ze onthullen wat er gebeurt als levende systemen hun energie van binnenuit pompen.”
Waarom kleine zaken belangrijk zijn
Voor zoiets kleins bestaat er geen traagheid. Viscositeit regeert alles. Dit leidt tot een probleem dat de scallop-stelling wordt genoemd.
Als je vooruit gaat en vervolgens precies dezelfde kant op teruggaat, kom je terecht waar je begon. In dikke vloeistof doodt symmetrie beweging. Om ergens heen te gaan, moet je de symmetrie doorbreken. Je voorwaartse slag moet anders zijn dan je achterwaartse slag.
Sperma gebruikt flagella. Dunne, golvende staarten.
De meeste dingen die zwaaien, zoals een rubberen veer, springen gewoon terug. Spermastaarten worden aangedreven door interne motoren. Die motoren voegen energie toe aan de staart zelf. De staart wordt een actief materiaal. Niet passief. Niet statisch. Levend van energie.
Het “vreemde” deel
Dit brengt ons bij ‘vreemde elasticiteit’.
In normale materialen is kracht wederkerig. Als je duwt, duwt hij evenveel terug. Vreemde elasticiteit doorbreekt dat spiegelbeeld. Vanwege interne energie reageert het materiaal anders dan de uitgeoefende kracht. Het is niet wederkerig.
Het helpt golven in stand te houden, zelfs als de vloeistof ze probeert te dempen.
De onderzoekers creëerden hiervoor een wiskundig raamwerk genaamd odd elastohydrodynamics. Het klinkt zwaar, maar het laat wetenschappers feitelijk scheiden wat de vloeistof doet en wat de staart intern doet. Slepen maskeert de mechanica. Dit raamwerk legt het bloot.
Wat ze hebben gevonden
Ze testten het model op menselijk sperma en een groene alg genaamd Chlamydomonas.
De resultaten waren duidelijk. In sperma creëert interne activiteit de golf, terwijl passieve elasticiteit deze alleen maar stabiliseert. Bij de alg zorgt een vreemde elasticiteit direct voor de beat.
Het betekent dat de staart niet alleen een zweep is. Het is een complexe energievretende motor. Het maakt gebruik van niet-wederkerige krachten om te bewegen in een wereld waar regelmatige heen-en-weerbeweging mislukt.
Waarom doet dit er toe?
Het legt uit hoe het leven zich op de kleinste schaal beweegt. Het zou ook kunnen helpen bij het bouwen van microscopische robots. Machines die niet blijven steken in het stroperige slib van het menselijk lichaam, maar er met dezelfde sluwe efficiëntie als een zaadcel doorheen zwemmen.
We dachten dat we de regels kenden. We zijn gewoon vergeten dat het leven zijn eigen schrijft.
Referentie: “Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material, Kenta Ishimoto et al., PRX Life.
