Почему сперматозоиды не подчиняются одному из главных законов физики

Математики из Университета Киото (Япония) исследовали такие «хвостатые» микроорганизмы, как человеческие сперматозоиды и одноклеточные хламидомонады, чтобы выяснить, как им удается передвигаться в вязких жидкостях. И обнаружили, что они не встречают сопротивления среды, которая должна бы затруднять их движение. И, по-видимому, игнорируют третий закон Ньютона. Ученые пришли к выводу, что нарушать основные законы физики этим биологическим пловцам помогают особые движения их кнутообразных жгутиков. Исследование опубликовано в PRX Life.

Chlamydomonas

Источник: De Agostini Picture Library via Legion Media

Основные три закона классической механики были сформулированы Исааком Ньютоном в 1687 году, чтобы описать четкие принципы взаимодействия между физическими объектами и силами, которые на них действуют. Сегодня эти законы по-прежнему широко применяются и позволяют объяснить движение любой механической системы.

Упрощенное звучание третьего закона Ньютона знакомо почти каждому как действие равно противодействию. Или чуть шире: на каждое действие существует равное и противоположное противодействие: силы, с которыми два тела действуют друг на друга, всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны. Однако, как выяснилось, не все подчиняются этой симметрии.

Так, по словам ученых, есть «неуправляемые» механические системы, к ним можно отнести, например, стаю птиц, частицы в жидкости или плавающие сперматозоиды. Они нарушают равновесие, вырабатывая свою собственную энергию с каждым взмахом крыла или «хвоста».

В новом исследовании математик Кента Ишимото с коллегами проанализировал движение мужских половых клеток и одноклеточных зеленых водорослей Chlamydomonas. Из предыдущих работ уже известно, что и те, и другие передвигаются за счет вращательного движения своих жгутиков — они не машут ими туда-сюда, как может показаться, а как будто ввинчиваются в жидкость.

Согласно третьему закону Ньютона, липкая вязкая среда, через которую пробиваются микропловцы, должна отреагировать — она может рассеивать энергию жгутиков так, что те вообще не смогут двигаться или будут делать это с огромным усилием.

Но наблюдения под микроскопом показали, что жгутики продвигают свою клетку вперед, практически не вызывая реакции окружения. Расчеты и моделирование движения выявили особую эластичность жгутиков, которая позволяет совершать волнообразные движения в унисон с движением вязкой жидкости, избегать ее противодействия и не отдавать ей много энергии. Математики отмечают, что понадобится еще немало исследований, чтобы до конца понять внутреннюю механику процесса.

Авторы считают, что опыт моделирования движения сперматозоидов и других биологических микропловцов, может быть использован при создании небольших самособирающихся роботов, которые имитируют живые системы.