根据一项新的研究，人类精子以其鞭状的尾巴在粘稠液体中推进自己，这似乎违反了牛顿第三运动定律。这项研究描述了这些性细胞和单细胞藻类的运动。
根据一项新的研究，人类精子以其鞭状的尾巴在粘稠液体中推进自己，这似乎违反了牛顿第三运动定律。这项研究描述了这些性细胞和单细胞藻类的运动。
京都大学数学科学家Kent Ishimoto和他的同事们研究了精子和其他微观生物游泳者之间的非互惠相互作用，以弄清楚它们如何穿过理论上应该阻碍其运动的介质。
当牛顿在1686年构思他如今著名的运动定律时，他试图用几个简洁的原理来解释物理物体与其作用力之间的关系。事实证明，这些原理并不一定适用于在粘稠液体中扭动的微观细胞。
牛顿第三定律可以概括为“每个作用力都有一个相等且相反的反作用力”。它标志着自然界中一种特定的对称性，即对立的力量相互对抗。最简单的例子是两个大小相等的弹珠在地面上滚动时碰撞，它们将根据这一定律传递力量并反弹。
然而，自然界是混乱的，并非所有的物理系统都受到这些对称性的约束。所谓的非互惠相互作用出现在由群集的鸟类、流体中的粒子以及游泳的精子组成的无序系统中。
这些运动因子以与它们后面的动物或周围流体不对称的方式移动，形成了一个漏洞，使相等且相反的力量能够绕过牛顿第三定律。
由于鸟类和细胞产生自己的能量，每次它们的翅膀拍打或尾巴摆动都会将能量添加到系统中，因此该系统远离平衡状态，相同的规则不再适用。
Ishimoto和他的同事们分析了关于人类精子的实验数据，并对绿藻衣藻的运动进行了建模。两者都使用细长而柔韧的鞭毛进行游动，鞭毛从细胞体伸出并改变形状或变形以推动细胞前进。
高粘度液体通常会消耗鞭毛的能量，阻止精子或单细胞藻类移动太多。然而，不知为何，弹性鞭毛可以推动这些细胞前进而不引起周围环境的响应。
研究人员发现精子尾巴和藻类鞭毛具有“奇怪的弹性”，这使得这些灵活的附属物可以在不向周围液体失去太多能量的情况下摆动。
但是这种奇怪的弹性并没有完全解释鞭毛的波动运动所产生的推进力。因此，通过他们的建模研究，研究人员还提出了一个新的术语，即奇怪的弹性模量，来描述鞭毛的内部力学。
研究人员总结道：“从可解的简单模型到衣藻和精子细胞的生物鞭毛波形，我们研究了奇怪的弯曲模量，以解读材料内部的非局部、非互惠内部相互作用。”
该发现有助于设计模仿活体材料的小型自组装机器人，同时该建模方法可用于更好地理解集体行为的基本原理，研究团队补充道。
该研究已在PRX Life上发表。