Як сперматозоїди обманюють закони фізики, щоб плисти
За всіма законами фізики вони мали застрягти дома.
Рідина на мікроскопічному рівні – це не басейн, в який можна пірнути. Це густа, в’язка маса, що чинить сильний опір. Якщо ви перестанете веслувати, рух припиниться миттєво. Тут немає ковзання. Тут нема інерції.
То як же сперматозоїду вдається просуватися вперед? За логікою, він не повинен був би мати на це сили.
Нове дослідження передбачає, що роблять це, порушуючи звичайні правила. Не буквально — закони фізики, як і раніше, діють, а використовуючи лазівку в нашому розумінні взаємозв’язку енергії та руху.
Проблема Ньютона
Третій закон Ньютона свідчить: кожному дії відповідає рівну за величиною і протилежне протидії. Штурхаєте кульку – він штовхається у відповідь. Просто. Симетрично.
Сперматозоїди влаштовані інакше. Вони є активними системами. Вони безперервно вкладають власну енергію у свій рух. Це не пасивні об’єкти, що гойдаються у потоці.
Як пишуть дослідники з Університету Кіото, «Третій закон Ньютона може порушуватися… коли ми розглядаємо систему як відкриту, в яку механічна енергія запроваджується мікроскопічними активними елементами».
Вони не руйнують всесвіту. Вони просто роблять те, чого всесвіт не очікує від пасивних об’єктів.
«Іншими словами, вони показують, що відбувається, коли живі системи генерують енергію зсередини».
Чому розмір має значення
Для об’єкта такого невеликого розміру інерція відсутня. Все визначає в’язкість. Це призводить до проблеми, відомої як теорема скьюпа (теорема морського гребінця).
Якщо ви рухаєтеся вперед, а потім повертаєтеся назад точно тим самим шляхом, ви опиняєтеся в тій самій точці, з якої почали. У в’язкій рідині симетрія вбиває рух. Щоб кудись потрапити, треба порушити цю симетрію. Ваш рух уперед має відрізнятися від руху назад.
Сперматозоїди використовують джгутик. Тонкий хвіст, що вібрує.
Більшість речей, які вібрують як гумова пружина, просто повертаються у вихідний стан. Хвости сперматозоїдів рухаються внутрішніми моторами. Ці двигуни поставляють енергію безпосередньо в сам хвіст. Хвіст стає активним матеріалом. Він пасивний. Він не статичний. Він наповнений енергією.
«Незвичайна» частина
Це підводить нас до поняття “незвичайної пружності” (odd elasticity).
У звичайних матеріалах сила є взаємною. Ви тиснете – матеріал тисне у відповідь з рівною силою. Незвичайна гнучкість руйнує цю дзеркальну симетрію. Через внутрішній енергії матеріал реагує інакше, ніж це передбачається прикладеною силою. Це невзаємний процес.
Це допомагає підтримувати хвилі навіть тоді, коли рідина намагається їх гасити.
Дослідники створили для цього математичну модель, названу незвичайною еластогідродинамікою (odd elastohydrodynamics). Звучить важко, але насправді це дозволяє вченим розділити вплив рідини та внутрішні процеси у хвості. Опір середовища маскує механіку. Ця модель розкриває її.
Що вони виявили
Вони протестували модель на сперматозоїдах людини та зеленому водорості Chlamydomonas.
Результати були чіткими. У сперматозоїдів внутрішня активність створює хвилю, тоді як пасивна гнучкість лише стабілізує її. Водорості незвичайна пружність безпосередньо забезпечує биття хвостика.
Це означає, що хвіст — це не просто батіг. Це складний двигун, який споживає енергію. Він використовує невзаємні сили для руху у світі, де звичайний рух вперед-назад приречений на провал.
Чому це важливо?
Це пояснює, як життя рухається на найдрібнішому масштабі. Це також може допомогти у створенні мікророботів. Машин, які не застряють у в’язкій субстанції людського тіла, а плавають крізь неї з тією ж хитрою ефективністю, що й сперматозоїд.
Ми думали, що знаємо усі правила. Просто забули, що життя пише свої власні.
Джерело: “Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material”, Kenta Ishimoto et al., * PRX Life *.
