科學(xué)家發(fā)現(xiàn)精子違背了物理定律之一

根據(jù)最近一項(xiàng)描述這些性細(xì)胞和單細(xì)胞藻類運(yùn)動(dòng)的研究，人類精子用鞭狀尾巴推動(dòng)自己穿過粘稠的液體，這似乎違背了牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律。

京都大學(xué)的數(shù)學(xué)科學(xué)家 Kenta Ishimoto 及其同事研究了精子和其他微觀生物游泳者中的這些非互惠相互作用，以弄清楚它們?nèi)绾位^理論上應(yīng)該抵抗它們運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)。

當(dāng)牛頓構(gòu)思出他現(xiàn)在著名的運(yùn)動(dòng)定律1686 年，他試圖用一些簡潔的原則來解釋物理物體與作用在其上的力之間的關(guān)系，事實(shí)證明，這些原則不一定適用于在粘性液體中蠕動(dòng)的微觀細(xì)胞。

牛頓第三定律可以概括為“對于每一個(gè)動(dòng)作，都有一個(gè)相等和相反的反作用力”。它表示自然界中的一種特殊對稱性，其中對立的力相互對抗。在最簡單的例子中，兩個(gè)大小相等的彈珠在沿地面滾動(dòng)時(shí)碰撞，將根據(jù)該定律轉(zhuǎn)移它們的力并反彈。

然而，大自然是混亂的，并非所有物理系統(tǒng)受這些對稱性的約束。所謂的非互惠互動(dòng)出現(xiàn)在由成群結(jié)隊(duì)的鳥類組成的不守規(guī)矩的系統(tǒng)中，流體中的顆粒– 和游泳的精子。

這些運(yùn)動(dòng)劑的運(yùn)動(dòng)方式與它們身后的動(dòng)物或周圍的流體發(fā)生不對稱的相互作用，形成一個(gè)漏洞，讓相等和相反的力繞過牛頓第三定律。

因?yàn)轼B類和細(xì)胞產(chǎn)生自己的能源，隨著它們的每一次翅膀拍打或尾巴的鞭打而被添加到系統(tǒng)中，系統(tǒng)被推得遠(yuǎn)離平衡，同樣的規(guī)則不適用。

在 2023 年 10 月發(fā)表的研究中，Ishimoto 及其同事分析了人類精子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并模擬了綠藻,衣藻.兩者都使用薄、彎曲的鞭毛從細(xì)胞體中突出的更改形狀或變形，以驅(qū)動(dòng)單元向前移動(dòng)。

高粘度流體通常會耗散鞭毛的能量，從而阻止精子或單細(xì)胞藻類移動(dòng)太多。然而，不知何故，彈性鞭毛可以推動(dòng)這些細(xì)胞前進(jìn)，而不會引起周圍環(huán)境的反應(yīng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，精子尾巴和藻類鞭毛有一個(gè) '奇數(shù)彈性”，它允許這些靈活的附屬物四處抽動(dòng)，而不會因周圍的液體而損失太多能量。

但這種奇特的彈性特性并不能完全解釋鞭毛波浪狀運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)力。因此，從他們的建模研究中，研究人員還推導(dǎo)出了一個(gè)新術(shù)語，即奇數(shù)彈性模量，來描述鞭毛的內(nèi)部力學(xué)。

“從可解的簡單模型到生物鞭毛波形衣藻和精子細(xì)胞，我們研究了奇數(shù)彎曲模量，以破譯材料內(nèi)部的非局部、非互易內(nèi)部相互作用，“研究人員結(jié)束.

這些發(fā)現(xiàn)可能有助于設(shè)計(jì)小型、自組裝機(jī)器人模擬有生命的材料，而建模方法可以用來更好地理解集體行為的基本原則，但該團(tuán)隊(duì)說.

該研究發(fā)表在PRX 人壽.

本文的早期版本發(fā)表于 2023 年 10 月。

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