По всем законам физики они должны были застрять на месте.
Жидкости на микроскопическом уровне — это не бассейн, в который можно нырнуть. Это густая, вязкая масса, оказывающая сильное сопротивление. Если вы перестанете грести, движение прекратится мгновенно. Здесь нет скольжения. Здесь нет инерции.
Так как же сперматозоиду удается продвигаться вперед? По логике, он не должен был бы иметь на это сил.
Новое исследование предполагает, что они делают это, нарушая обычные правила. Не буквально — законы физики по-прежнему действуют — а используя лазейку в нашем понимании взаимосвязи энергии и движения.
Проблема Ньютона
Третий закон Ньютона гласит: каждому действию соответствует равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Толкаете шарик — он толкается в ответ. Просто. Симметрично.
Сперматозоиды устроены иначе. Они являются «активными системами». Они непрерывно вкладывают собственную энергию в свое движение. Это не пассивные объекты, качающиеся в потоке.
Как пишут исследователи из Университета Киото, «Третий закон Ньютона может нарушаться… когда мы рассматриваем систему как открытую, в которую механическая энергия вводится микроскопическими активными элементами».
Они не разрушают вселенную. Они просто делают то, чего вселенная не ожидает от пассивных объектов.
«Другими словами, они показывают, что происходит, когда живые системы генерируют энергию изнутри».
Почему размер имеет значение
Для объекта такого маленького размера инерция отсутствует. Все определяет вязкость. Это приводит к проблеме, известной как теорема скьюпа (теорема морского гребешка).
Если вы двигаетесь вперед, а затем возвращаетесь назад точно тем же же путем, вы оказываетесь в той же точке, с которой начали. В вязкой жидкости симметрия убивает движение. Чтобы куда-то попасть, нужно нарушить эту симметрию. Ваше движение вперед должно отличаться от движения назад.
Сперматозоиды используют жгутик. Тонкий, вибрирующий хвост.
Большинство вещей, которые вибрируют, как резиновая пружина, просто возвращаются в исходное состояние. Хвосты сперматозоидов приводятся в движение внутренними моторами. Эти моторы поставляют энергию непосредственно в сам хвост. Хвост становится активным материалом. Он не пассивен. Он не статичен. Он наполнен энергией.
«Необычная» часть
Это подводит нас к понятию «необычной упругости» (odd elasticity).
В обычных материалах сила взаимна. Вы давите — материал давит в ответ с равной силой. Необычная упругость разрушает эту зеркальную симметрию. Из-за внутренней энергии материал реагирует иначе, чем это предполагается приложенной силой. Это невзаимный процесс.
Это помогает поддерживать волны даже тогда, когда жидкость пытается их гасить.
Исследователи создали для этого математическую модель, названную необычной эластогидродинамикой (odd elastohydrodynamics). Звучит тяжело, но по сути это позволяет ученым разделить влияние жидкости и внутренние процессы в хвосте. Сопротивление среды маскирует механику. Эта модель раскрывает ее.
Что они обнаружили
Они протестировали модель на сперматозоидах человека и зеленом водоросли Chlamydomonas.
Результаты были четкими. У сперматозоидов внутренняя активность создает волну, в то время как пассивная упругость лишь стабилизирует ее. У водоросли необычная упругость непосредственно обеспечивает биение хвостика.
Это означает, что хвост — это не просто кнут. Это сложный двигатель, потребляющий энергию. Он использует невзаимные силы для движения в мире, где обычное движение вперед-назад обречено на провал.
Почему это важно?
Это объясняет, как жизнь движется на самом мелком масштабе. Это также может помочь в создании микророботов. Машин, которые не застревают в вязкой субстанции человеческого тела, а плавают сквозь нее с той же хитрой эффективностью, что и сперматозоид.
Мы думали, что знаем все правила. Просто забыли, что жизнь пишет свои собственные.
Источник: «Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material», Kenta Ishimoto et al., PRX Life.
