Według wszystkich praw fizyki, powinny utknąć w miejscu.
Ciecze na poziomie mikroskopijnym nie są basenem, w którym można się zanurzyć. Jest to gęsta, lepka masa zapewniająca duży opór. Jeśli przestaniesz wiosłować, ruch natychmiast się zatrzyma. Tutaj nie ma żadnego poślizgu. Nie ma tu żadnej bezwładności.
Jak więc plemnik może poruszać się do przodu? Logicznie rzecz biorąc, nie powinien mieć na to siły.
Nowe badania sugerują, że robią to, łamiąc zwykłe zasady. Nie dosłownie – prawa fizyki nadal obowiązują – ale poprzez wykorzystanie luki w naszym rozumieniu związku między energią i ruchem.
Problem Newtona
Trzecie prawo Newtona stwierdza, że każdemu działaniu towarzyszy równa i przeciwna reakcja. Popychasz piłkę – ona odpycha. Tylko. Symetryczny.
Plemniki mają różną budowę. Są to „systemy aktywne”. Nieustannie wkładają własną energię w swój ruch. Nie są to bierne obiekty kołysające się w strumieniu.
Jak piszą badacze z Uniwersytetu w Kioto: „Trzecie prawo Newtona może zostać naruszone… gdy rozważymy układ jako układ otwarty, do którego energia mechaniczna jest wprowadzana przez mikroskopijne elementy aktywne”.
Nie niszczą wszechświata. Po prostu robią coś, czego wszechświat nie oczekuje od pasywnych obiektów.
„Innymi słowy, pokazują, co się dzieje, gdy żywe systemy wytwarzają energię od wewnątrz.”
Dlaczego rozmiar ma znaczenie
Dla obiektu o tak małych rozmiarach nie ma bezwładności. Lepkość decyduje o wszystkim. Prowadzi to do problemu znanego jako Twierdzenie Scupe’a (Twierdzenie Przegrzebka).
Jeśli pójdziesz do przodu, a następnie cofniesz się dokładnie w ten sam sposób, skończysz w tym samym miejscu, w którym zacząłeś. W lepkim płynie symetria zabija ruch. Aby gdzieś dojść, trzeba przełamać tę symetrię. Twój ruch do przodu powinien różnić się od ruchu do tyłu.
Plemniki korzystają z wici. Cienki, wibrujący ogon.
Większość rzeczy, które wibrują jak gumowa sprężyna, po prostu wraca do swojego pierwotnego stanu. Ogonki plemników napędzane są przez wewnętrzne silniki. Silniki te dostarczają energię bezpośrednio do samego ogona. Ogon staje się aktywnym materiałem. Nie jest bierny. Nie jest statyczny. Jest pełen energii.
„Niezwykła” część
To prowadzi nas do koncepcji „dziwnej elastyczności”.
W zwykłych materiałach siła jest wzajemna. Naciskasz, a materiał odpycha się z równą siłą. Niezwykła elastyczność niszczy tę lustrzaną symetrię. Ze względu na energię wewnętrzną materiał reaguje inaczej, niż sugerowałaby przyłożona siła. Jest to proces bez wzajemności.
Pomaga to utrzymać fale nawet wtedy, gdy płyn próbuje je stłumić.
Naukowcy stworzyli w tym celu model matematyczny nazwany niezwykłą elastohydrodynamiką (nieparzystą elastohydrodynamiką). Brzmi ciężko, ale zasadniczo pozwala naukowcom oddzielić działanie płynu od wewnętrznych procesów zachodzących w ogonie. Opór ośrodka maskuje mechanikę. Ten model to pokazuje.
Co znaleźli
Przetestowali model na ludzkich plemnikach i zielonych algach Chlamydomonas.
Wyniki były jasne. W plemnikach aktywność wewnętrzna tworzy falę, a elastyczność bierna jedynie ją stabilizuje. Niezwykła elastyczność alg bezpośrednio zapewnia bicie ogona.
Oznacza to, że ogon to nie tylko bicz. Jest to złożony silnik zużywający energię. Wykorzystuje siły niewzajemne do poruszania się w świecie, w którym konwencjonalny ruch tam i z powrotem jest skazany na niepowodzenie.
Dlaczego to jest ważne?
To wyjaśnia, jak życie toczy się w najmniejszej skali. Może to również pomóc w tworzeniu mikrorobotów. Maszyny, które nie utkną w lepkiej substancji ludzkiego ciała, ale przepływają przez nią z tą samą przebiegłością, co plemnik.
Wydawało nam się, że znamy wszystkie zasady. Po prostu zapomnieli, że życie pisze swoje.
Źródło: „Odd Elastohydrodynamika: niewzajemny żywy materiał”, Kenta Ishimoto i in., PRX Life.
