Сперматозоиды издавна были предметом восхищения — не только из-за их роли в оплодотворении, но и из-за поразительной способности перемещаться в одной из самых вязких сред в организме. Однако недавнее исследование, опубликованное в PRX Life, поставило под сомнение: действительно ли сперматозоиды подчиняются законам физики? Ответ, как оказалось, сложнее, чем можно было представить.
Тайна плавания в вязких жидкостях
Когда мы думаем о плавании, мы представляем движение в воде — относительно тонкой жидкости, которая позволяет нам скользить с минимальным сопротивлением. Теперь представьте себе сперматозоид, плывущий в густой, вязкой жидкости, например, в мёде. Обычно такая среда отнимает у пловца энергию, фактически останавливая движение. Но сперматозоиды, похоже, делают невозможное — они скользят по этим плотным жидкостям без видимого сопротивления.
Чтобы понять почему, группа исследователей под руководством Кенты Ишимото из Киотского университета внимательно изучила механику этого необычного поведения при плавании. Их выводы бросают вызов многовековому принципу физики — известному третьему закону движения Ньютона.
Нарушение третьего закона Ньютона
Третий закон Ньютона гласит, что «на каждое действие существует равное и противоположное противодействие». Это один из краеугольных камней классической механики, управляющий всем — от движения планет по орбитам до того, как вы толкаете стену. В случае плавающих организмов, таких как сперматозоиды, этот закон предполагает, что при каждом движении, которое они совершают, окружающая жидкость должна оказывать противодействие с равной и противоположной силой. Это то, что обычно замедляет любого пловца в плотной жидкости.
Однако сперматозоиды, похоже, нарушают этот принцип. Вместо ожидаемого противодействия гибкие жгутики сперматозоидов (хвосты) изгибаются и двигаются несимметрично, создавая тягу без типичного равного и противоположного противодействия со стороны жидкости. Жгутик взаимодействует с жидкостью таким образом, что обходит ожидаемые силы, позволяя сперматозоиду двигаться вперёд с минимальными потерями энергии.
Роль нечётной эластичности
Ключ к этому парадоксу лежит в свойстве, называемом нечётной эластичностью. Эта концепция была предложена командой Ишимото для объяснения того, как сперматозоиды и другие микроскопические пловцы, такие как водоросли Chlamydomonas, умудряются перемещаться по вязким средам без потери энергии.
Проще говоря, нечётная эластичность описывает, как хвост (или жгутик) изгибается особым образом, который не вызывает обычной реакции со стороны окружающей жидкости.
Чтобы проиллюстрировать, представьте, что хвост пловца движется по жидкости, создавая волны. Эти волны асимметричны — это означает, что жидкость не оказывает противодействие обычным образом. Это позволяет пловцу скользить по жидкости без особого сопротивления даже в более плотных средах, где другие объекты быстро остановились бы.
Значение за пределами сперматозоидов
Понимание этого механизма нечётной эластичности имеет значение, выходящее далеко за пределы сперматозоидов. Во-первых, это может дать ценную информацию о конструкции небольших роботов и машин, имитирующих биологические системы. Изучая, как сперматозоиды и водоросли обходят традиционные законы физики, учёные могут разработать более эффективных самоходных роботов, работающих в вязких средах — это потенциально изменит такие отрасли, как медицина, экологический мониторинг и даже освоение космоса.
Кроме того, исследование открывает двери для более глубокого понимания коллективного поведения в природе. Подобно тому, как сперматозоиды и водоросли нарушают третий закон Ньютона микроскопическим образом, могут существовать более крупные системы — такие как толпы или стаи животных — которые функционируют по принципам, которые нам ещё предстоит полностью понять. Изучая эти взаимодействия более подробно, мы можем открыть новые способы понимания того, как действуют силы в живых системах.
Подписывайтесь на нашу бесплатную рассылку, чтобы получать увлекательные истории, эксклюзивный контент и последние новости.
Для получения дополнительных новостей посетите Dailygalaxy.com.