Con le loro code a forma di frusta, gli spermatozoi umani si spingono attraverso fluidi appiccicosi, apparentemente a dispetto della terza legge del movimento di Newton, secondo un nuovo studio che caratterizza il movimento di queste cellule sessuali e alghe unicellulari.

Kenta Ishimoto, matematico dell’Università di Kyoto, e i suoi colleghi hanno studiato queste interazioni non reciproche nello sperma e in altri microscopici nuotatori biologici, per scoprire come scivolano attraverso materiali che, in teoria, dovrebbero resistere al loro movimento.

Quando Newton concepì il suo ormai famoso Leggi del movimento Nel 1686 cercò di spiegare la relazione tra un corpo fisico e le forze che agiscono su di esso mediante alcuni principi precisi che si rivelarono non necessariamente applicabili alle cellule microscopiche che si dimenavano in fluidi viscosi.

La terza legge di Newton può essere riassunta così: “Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria”. Denota una certa simmetria in natura in cui le forze opposte lavorano l’una contro l’altra. Nell’esempio più semplice, due biglie di uguali dimensioni che si scontrano mentre rotolano sul terreno trasferiranno la loro forza e rimbalzeranno in base a questa legge.

Tuttavia, la natura è disordinata e… Non tutti i sistemi sono fisici Vincolato da queste simmetrie. Le cosiddette interazioni non reciproche compaiono nei sistemi selvatici composti da stormi di uccelli, Particelle in un liquido -E il nuoto dello sperma.

Questi agenti in movimento si muovono in modi che mostrano interazioni asimmetriche con gli animali dietro di loro o con i fluidi che li circondano, creando una scappatoia per forze uguali e opposte per aggirare la terza legge di Newton.

Perché gli uccelli e le cellule Generare la propria energiache viene aggiunto al sistema con ogni battito di ali o frustata di coda, il sistema viene spinto ulteriormente fuori equilibrio e le stesse regole non si applicano.

Ishimoto e i suoi colleghi hanno analizzato i dati sperimentali sullo sperma umano e hanno anche sviluppato un modello di motilità Alghe verdi, Chlamydomonas. Entrambi nuotano usando un corpo snello e flessibile Flagelli Che sporge dal corpo cellulare e cambia forma o si deforma per spingere in avanti le cellule.

Liquidi altamente viscosi Normalmente l’energia dei flagelli viene dissipata, impedendo allo sperma o alle alghe unicellulari di muoversi molto. Tuttavia, in qualche modo, il flagello flessibile può spingere queste cellule senza suscitare una risposta dall’ambiente circostante.

I ricercatori hanno scoperto che le code degli spermatozoi e le loro flotte di alghe“strana elasticità”consentendo a queste appendici flessibili di muoversi senza perdere molta energia nel fluido circostante.

Ma questa strana proprietà elastica non spiegava del tutto la propulsione generata dal moto ondoso del flagello. Pertanto, dagli studi di modellazione, i ricercatori hanno anche derivato un nuovo termine, il modulo eccentrico di elasticità, per descrivere la meccanica interna del flagello.

“Da semplici modelli risolvibili alle forme d’onda flagellari biologiche Chlamydomonas “E per quanto riguarda gli spermatozoi, abbiamo studiato il modulo di curvatura individuale per decifrare le interazioni interne non locali e non reciproche all’interno del materiale.” Concludiamo.

I risultati possono aiutare a progettare piccoli, Robot autoassemblanti Ciò imita i materiali viventi, mentre i metodi di modellazione possono essere utilizzati per comprendere meglio i principi di base del comportamento collettivo e di squadra Aggiungere.

Lo studio è stato pubblicato in Hyatt PRX.