Сперматозоиды человека с помощью своих похожих на хлысты хвостиков проникают сквозь вязкие жидкости, казалось бы, вопреки третьему закону движения Ньютона — так утверждается в новом исследовании, описывающем движение этих половых клеток, а ещё и одноклеточных водорослей.

Кента Ишимото, учёный-математик из Киотского университета, и его коллеги исследовали невзаимные взаимодействия сперматозоидов и других микроскопических биологических «пловцов», чтобы понять, как они проскальзывают через вещества, которые, по идее, должны противостоять их движению.

Когда в 1686 г. Ньютон создал свои знаменитые законы движения, он попытался объяснить взаимосвязь между физическим объектом и действующими на него силами с помощью нескольких простых принципов, которые, как оказалось, не всегда применимы к микроскопическим клеткам, извивающимся в липкой жидкости.

Третий закон Ньютона можно сформулировать так: «На каждое действие существует равное и противоположно направленное противодействие». Он означает определённую симметрию в природе, когда противоположные силы действуют друг на друга. В простейшем примере два одинаковых по размеру шарика, столкнувшись при катании по земле, передадут друг другу свою силу и отскочат, руководствуясь этим законом.

Третий закон Ньютона

Однако природа хаотична, и не все физические системы связаны такими симметриями. Так называемые невзаимные взаимодействия [non-reciprocal interactions] проявляются в неуправляемых системах, состоящих из стай птиц, частиц в жидкости и плавающих сперматозоидов.

Эти подвижные агенты двигаются таким образом, что проявляют асимметричное взаимодействие с окружающими жидкостями, используя лазейку в работе равных и противоположно направленных сил, позволяющую обойти третий закон Ньютона.

Ишимото и его коллеги проанализировали экспериментальные данные по человеческим сперматозоидам, а также смоделировали движение зелёной водоросли Chlamydomonas. И те, и другие плавают с помощью тонких, изогнутых жгутиков, которые выступают из тела клетки и меняют форму, или деформируются, чтобы двигать её вперёд.

Сильно вязкие жидкости, как правило, рассеивают энергию жгутика, вовсе не позволяя сперматозоиду или одноклеточной водоросли двигаться. Однако упругие жгутики каким-то образом могут двигать эти клетки, не вызывая ответной реакции со стороны окружающей среды.

Исследователи обнаружили, что хвосты сперматозоидов и жгутики водорослей обладают, по словам учёных, «странной упругостью», которая позволяет этим гибким придаткам двигаться, не теряя много энергии в окружающей жидкости.

Однако это свойство странной упругости не объясняет в полной мере движущую силу волнообразного движения жгутиков. Поэтому на основе моделирования исследователи вывели новый термин — модуль странной упругости — для описания внутренней механики жгутиков.

«От разрешимых простых моделей до биологических форм жгутиковых волн для хламидомонад и сперматозоидов мы изучили модуль странной упругости, чтобы расшифровать нелокальные, невзаимные внутренние взаимодействия внутри материала», — заключают исследователи.

Полученные результаты могут помочь в разработке небольших самособирающихся роботов, имитирующих живые материалы, а методы моделирования могут быть использованы для лучшего понимания принципов коллективного поведения, добавляет команда.